目录结构

提出了一种钛合金三维点阵夹层结构制备方法, 采用超塑成形/扩散连接工艺 (SPF/DB) 制备了金字塔型、四面体型、X型三维点阵夹层结构, 在SPF/DB制备工艺中, 采用的是五层板材, 四层超塑成形工艺, 成形出的结构是三层夹层结构, 其中扩散连接工艺为:920℃/2 MPa/2 h, 超塑成形工艺为:920℃/2 MPa/2 h。通过压缩试验测试了不同点阵结构类型、单元尺寸、点阵层数的压缩性能, 并进行了对比分析。研究表明, 钛合金三维点阵结构在压缩变形机制主要包括:弹性变形、弹性屈曲、塑性屈曲、筋条断裂, 这些变形机制导致点阵结构的压缩曲线呈现应力波动的特征。四面体点阵结构具有最高的抗压强度, 金字塔型点阵结构具有最高的抗压模量, X型点阵结构的抗压强度最小, 抗压模量居中。随着单元尺寸和点阵层数的增加, 钛合金三维点阵的抗压强度和抗压模量迅速降低。

关键词：

钛合金;三维点阵;制备方法;超塑成形/扩散连接;

中图分类号： TG146.23

作者简介：赵冰 (1975-) , 男, 山东平原人, 博士, 研究员, 研究方向:金属及金属基复合材制备与成形, 电话:010-85701237, E-mail:zhao6833@163.com;

收稿日期：2013-12-25

基金：航空创新基金 (2012E62525R) 资助;

Fabrication and Compression Test of Titanium Alloy with Three Dimensional Lattice Structure

Zhao Bing Li Zhiqiang Hou Hongliang Han Xiuquan Liao Jinhua Tan Zhunli

Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute

Aeronautical Key Laboratory for Plastic Technology

Beijing Key Laboratory for Plastic Technologies and Equipment

School of Mechanical and Electrical Engineering, University of Beijing Jiaotong

Abstract：

A new fabrication method of superplastic forming/diffusion bonding ( SPF/DB) was used to form titanium alloy three dimensional structure, and three types lattice structures of pyramid, tetrahedron, X type were fabricated, respectively. In the SPF/DB process, five sheets were used through the four-layer process to fabricate a three-layer sandwich structure. The diffusion bonding process parameters were 920 ℃/2 MPa/2 h, and the superplastic forming process parameters were 920 ℃/2 MPa/2 h. Then the compressing behavior of different lattice structure types, cell dimension, layer number was studied and compared. Compression tests of different types, cell size, and layer number of lattice structure were tested. Research results showed that the deformation mechanism of titanium alloy with three-dimensional lattice structure mainly included: elastic deformation, elastic buckling, plastic buckling, rib fracture. These deformation mechanisms led to the compression curve of lattice structure showing significant stress fluctuation. In the three type lattice structures, the tetrahedral lattice structure had the highest compressive strength, the pyramid type lattice structure had the highest compressive modulus, and the X type lattice structure had the lowest compressive strength, and the compressive modulus was in the middle. With the increase of cell size and the number of layers, the compressive strength and compressive modulus of the 3D lattice structure of titanium alloy rapidly decreased.

Keyword：

titanium alloy; three dimensional lattice structure; fabrication method; SPF/DB;

Received： 2013-12-25

金属三维点阵结构是近十几年来刚刚发展起来的一种新型轻质、高强、多功能结构 ^[1] , 其结构类似于建筑中三维空间内的空间网架, 只是尺寸上要小得多, 如图1所示。

与金属泡沫结构相比较, 金属泡沫的微结构胞壁存在弯曲变形, 而三维点阵夹层结构的胞壁以轴向伸缩变形为主, 后者的结构效率显著高于前者 ^[2] 。另外, 三维点阵结构为实现多种功能提供了良好的内部空间, 例如散热、布置管线、通液、通气等, 研究表明, 三维点阵结构的散热效率是普通通道散热效率的7倍。金属三维点阵本身集成了轻质、高强、多功能的多种特点, 在满足承载要求的同时, 又可以满足多种功能的要求, 被认为是最有前景的新一代先进轻质超强韧材料, 已经开始应用于航空航天等领域, 有的已经成为蜂窝的替代结构 ^[3,4,5,6] 。

点阵结构与建筑上的桁架结构相比较, 尺寸减小反而增加了制备的难度, 因此, 寻求兼顾性能、成本、效率的制备方法一直是研究者追寻的目标。目前, 常用的点阵结构制备方法主要有:熔模铸造、冲孔网冲压-钎焊法、钢板网折叠-钎焊法、三维编织法、增材制造法、挤压线切割法、搭接拼装法等 ^{[7,8,9,10,11,12]} 。

在本文中, 提出了采用超塑成形/扩散连接工艺 (SPF/DB) 来制备钛合金点阵夹层结构的方法, 并对不同类型、单元尺寸、点阵层数钛合金点阵结构的压缩性能进行分析研究。

1 实验

制备钛合金三维点阵结构采用的是细晶超塑性TC4板材, 由宝鸡钛业有限公司提供, 板材的厚度为1 mm。其中TC4的微观组织是等轴组织, 主要由等轴状的α相和处于其间的β相转变组织组成, 等轴晶粒尺寸约为10μm。图2是超塑性细晶板材原始组织的金相照片, 采用Olympus CX31金相显微镜 (OM) 拍摄。

图1 金属三维点阵结构Fig.1 Metal three dimensional lattice structure

图2 超塑性细晶板材原始组织金相照片Fig.2 OM image of original microstructure of fine grain super-plastic TC4 sheet

将厚度为1 mm的TC4板材切割成尺寸380mm×260 mm的板材, 然后在芯板上涂覆止焊剂后, 将面板和芯板叠层, 经封焊后放入高温合金模具 (图3) 中进行超塑成形/扩散连接, 经过一个工艺循环制备出钛合金点阵结构。制备了3种类型的点阵结构:金字塔型、四面体型、X型。

采用线切割的方法, 在钛合金点阵结构的节点位置切取试片, 制备成扫描电镜试样, 采用Cambridge S250扫描电镜 (SEM) 拍摄节点位置扩散连接界面微观照片。采用线切割的方法在成形后的预制件上切取压缩试验件, 外形尺寸为:60 mm×60 mm, 点阵夹层结构的高度为20 mm、单元尺寸为30 mm×30 mm, 节点宽度为4 mm×4mm, 面板厚度为2 mm, 芯板厚度为1 mm。将试验件放置在MTS-810试验机上的压头之间, 与压头接触的位置采用金属粘接剂固定, 对其进行压缩, 压缩速度为1 mm·min^-1。通过对压缩过程中筋条的变形情况和载荷的分析, 来研究钛合金点阵结构的变形机制和规律。

图3 超塑成形/扩散连接模具Fig.3 SPF/DB mold

2 结果与讨论

超塑性是指金属材料在特定条件下具有很高的延伸率而不产生缩颈和断裂的特性, 超塑成形 (superplastic forming) 是利用材料的超塑性来成形复杂零件的一种工艺方法 ^[13,14,15] 。由于钛合金在超塑性状态下具有异常高的塑性, 借助模具, 采用电热炉或自阻加热, 通过气压胀形的方法, 可以在一个热循环成形出精度高、性能高和表面质量良好的零件。超塑成形/扩散连接工艺 (SPF/DB) 是将超塑成形工艺与扩散连接工艺相结合, 在相同或相近的温度区间实现空心夹层结构制备的一种工艺方法 ^[14,15] 。

与其他制备方法相比较, SPF/DB工艺最大的特点和优点是制备的结构具有可选择性、可设计性, 因此, 可制备各种结构形式的夹层结构。结合SPF/DB工艺的这些特点, 李志强等 ^[16,17] 将SPF/DB工艺引入到钛合金三维点阵等轻质高强夹层结构的制备中。采用SPF/DB制备三维点阵结构可以看作是制备三层或多层结构, 其中芯板是带网格的镂空结构, 如图4所示。在涂覆止焊剂时, 在芯板的其中一个表面上, 只有扩散连接的位置不涂覆止焊剂, 其他位置均涂覆止焊剂, 芯板的两个表面不涂覆止焊剂的位置是相反的, 即某一结点的一面涂覆止焊剂, 则其另一面不涂覆止焊剂。在与芯板的表面相接触的面板的表面上, 与芯板表面上不涂覆止焊剂的位置相接触的位置不涂覆止焊剂, 其他位置均涂覆止焊剂。这样, 通过扩散连接等连接方法将面板与芯板在不涂覆止焊剂的位置连接在一起, 然后在芯板与面板之间通入具有一定压强的氩气, 面板带动芯板上对应的已与其扩散连接的结点运动, 贴模后即可成形出钛合金的点阵夹层结构, 成形原理如图5所示。

图4 金字塔点阵芯板的止焊剂涂覆图形Fig.4 Stop-off figure on core sheet of pyramidal lattice structure

在制备不同类型的点阵结构时, 只需要改变芯板网格的形式以及涂覆止焊剂位置, 即可获得不同类型点阵结构。除了可以制备典型的金字塔结构, SPF/DB工艺还可以制备四面体、X型等点阵, 还可以制备单层、多层点阵结构。在制备钛合金芯板时, 可以采用高压水切割、线切割、激光切割、等离子切割的方法, 切割出镂空的芯板, 然后在芯板的两面进行覆膜, 采用激光刻形的方法在覆膜的表面刻出图形, 将多余的覆膜去除, 在表面涂覆止焊剂, 图6是表面涂覆了止焊剂的不同类型点阵结构的芯板。

采用SPF/DB工艺制备钛合金三维点阵结构, 一般工艺过程是:先进行芯板和面板的扩散连接, 再在芯板和面板之间通入氩气, 实现超塑成形。与传统的三层夹层结构制备不同, 钛合金点阵结构的芯板是镂空的, 在进行芯板和面板扩散连接时, 很容易在扩散连接后的面板上留下凹槽。如果芯板厚度较厚, 即使是经过随后的超塑成形工艺过程, 也很难将表面的凹槽去除。为了解决这个问题, 对传统的三层结构的制备方法进行了改进, 工艺特点可以概括为:五层板材, (其中四层面板, 一层芯板) , 四层超塑成形/扩散连接工艺, 三层夹层结构。实质上是将面板再分为两层, 在进行扩散连接时, 在最外层两层板的超塑成形的同时, 实现两个内层面板和芯板的扩散连接。然后再经过内层超塑成形, 同时对外层放气, 内部的两层面板与外部的两层面板贴合后扩散连接, 形成最终的点阵结构的面板。内部两层芯板在与外部两层面板贴合时, 将芯板拉起, 形成筋条。图7是工艺过程示意图。采用这种工艺方法, 制备的钛合金点阵结构的芯板厚度受限制较小, 即使制备较厚的筋条, 面板表面也不容易出现凹槽, 从而可以获得较高的力学性能。

图5 三维点阵结构的SPF/DB成形原理Fig.5Principle of SPF/DB process fabricating three dimen-sional lattice structure

图6 涂覆了止焊剂的芯板Fig.6 Core sheet brushed stop-off

(a) Pyramid type; (b) Tetrahedron type; (c) X type

图8是金字塔型点阵典型结构有限元计算的成形工艺过程。选择的工艺参数为:920℃/1.0×10^-3s^-1。

参考有限元计算结果, 选择较佳的工艺参数来成形不同类型的钛合金点阵结构, 其中扩散连接工艺为:920℃/2 MPa/2 h, 超塑成形工艺为:920℃/2 MPa/2 h。图9是制备的3种类型的点阵夹层结构。

如图10所示, 是节点位置扩散连接界面微观组织。由图10可知, 在工艺参数为920℃/2 MPa/2 h条件下, 获得了非常良好的扩散连接界面, 在界面上几乎没有空洞等缺陷, 界面两边的组织完全融合为一体。经过一个热循环工艺后, 钛合金板材的组织仍然是等轴组织, 但晶粒尺寸有所长大, 平均晶粒尺寸约为20μm。

图7 SPF/DB工艺过程示意图Fig.7 SPF/DB process of titanium alloy lattice structure

(a) Superplastic forming of face sheets; (b) Diffusion bonding of core sheet and face sheets; (c) Superplastic forming of core sheets; (d) Diffusion bonding of face sheets

图8 钛合金金字塔型三维点阵结构的成形过程Fig.8 SPF/DB process simulation of titanium alloy with three dimensional lattice structure

(a) 9.2 s; (b) 86.0 s

图9 SPF/DB成形的点阵结构Fig.9Three dimensional lattice structure fabricated by SPF/DB

(a) Pyramid type; (b) Tetrahedron type; (c) X type

图10 SPF/DB成形点阵结构的节点扩散连接界面SEM照片Fig.10 SEM image of diffusion bonding interface of SPF/DBlattice structure

SPF/DB工艺可以制备各种类型的点阵结构, 既可以是传统的两层、三层、四层等多层结构, 也可以是多孔结构、蜂窝 (四边形蜂窝、六边形蜂窝) 、点阵等结构, 又可以是这些轻质高强结构的混杂结构。

3 钛合金点阵压缩性能分析

为了计算不同工艺参数点阵结构的相对密度, 根据SPF/DB成形点阵结构的特点, 可以根据芯板镂空部分的尺寸, 方便地计算出点阵结构的相对密度为:

式中: 为相对密度, δ为筋板宽度, a为单元边长, h₀为芯板厚度, h为点阵高度, 当筋板宽度为4 mm、单元边长为30 mm、芯板厚度为1 mm、点阵高度为20 mm时, 相对密度为0.0124, 而且3种类型点阵结构的相对密度是相同的。

将制备的不同点阵类型、单元尺寸、点阵层数的钛合金点阵结构在试验机上进行压缩试验, 分析其压缩性能, 如图11所示。

3.1 不同类型点阵结构的压缩性能

对试件进行压缩, 直至将其中的点阵芯板压溃。图12~14分别是金字塔型、四面体型、X型点阵型点阵结构的压缩过程, 图15是与压缩过程相对应的应力-应变曲线。由图15可知, 在3种类型点阵结构的压缩过程中, 应力值先上升到峰值, 然后在压缩过程中发生了应力的波动, 经历了一个或多个从波谷上升到波峰, 再下降到波谷后再上升到最大值得过程。与应力-应变曲线相对应, 3种类型的点阵结构的筋条在压缩过程中, 均发生了屈曲变形, 筋条发生屈曲变形后, 随着压缩的进一步发展, 屈曲的筋条会进一步变形, 并与面板相接触, 形成新的支撑, 在筋条屈曲变形与面板接触之前, 应力达到了一个波谷, 一旦发生接触后, 应力开始上升, 有的筋条发生弯曲后与面板相互接触, 随着变形的进一步进展, 接触点会在面板上发生滑动。当筋条发生屈曲变形, 并与面板相互接触后, 起支撑作用的是弯曲后的筋条垂直于面板的那一段, 随着载荷的增加, 整个筋条的这一小段会进一步发生屈曲变形, 导致应力下降。如此往复多次, 直至筋条发生断裂、或者是无法再发生屈曲变形, 随着载荷进一步增加, 整个点阵结构被致密化, 应力迅速上升。

图1 1 压缩实验Fig.11 Compression test of titanium alloy lattice structure

图1 2 金字塔型点阵压缩试验Fig.12Compression test of pyramid type titanium alloy lattice structure

(a) Before compression; (b) Node failure happening; (c) Truss deforming severely; (d) End of compression

图1 3 四面体型点阵压缩试验Fig.13 Compress test of tetrahedraltype titanium alloy lattice structure

(a) Before compression; (b) Stress rising to first peak, truss distortion; (c) Stress falling into trough, some trusses being flattened; (d) Stress increasing to a stable value, trusses deformation intensifying; (e) Stress falling into trough, some trusses failing

由上可见, 钛合金三维点阵在压缩过程中的主要失效机制是筋条的弹性变形、反复的弹性屈曲或塑性屈曲、筋条的断裂等, 这种应力波动导致点阵结构在变形过程中可以吸收大量的能量, 从而可以作为防护、吸能结构。

图15是当其他几何参数相同时, 不同类型点阵夹层结构的压缩曲线, 由图15可知, 3种类型点阵结构的压缩曲线一般分为三个阶段:第一个阶段是低应变变形接近于线弹性的阶段、第二个阶段是大塑性变形, 存在应力下降并发生波动的阶段、第三个阶段是应力迅速上升的阶段。由图15可知, 四面体型点阵具有最高的压缩强度。从3种点阵类型的压缩曲线可以看出, 虽然达到初始应力峰值的应变不同, 但在大部分应变区间, 应力值按上升的顺序为:金字塔型、X型、四面体型。金字塔点阵结构和X-型点阵在压缩变形时, 随着应变的增加, 应力值波动较小, 可见这两种点阵类型具有良好的吸能特性, 可以用于制造吸能或缓冲结构。

图1 4 X型点阵压缩试验Fig.14 Compress test of X type titanium alloy lattice structure

(a) Before compression; (b) Stress rising to first peak, intersection point of X truss distortion toward to face sheet; (c) Stress falling into trough, some intersection points of X truss contact with face sheet; (d) Stress fluctuation, intersection points of X truss contact with face sheet completely; (e) Stress rising, some trusses failed; (f) End of compression

图1 5 不同类型点阵的压缩曲线Fig.15 Compress curves of titanium alloy with different lattice dimensions

表1是不同类型点阵结构的压缩强度和压缩模量。其中压缩强度 (compressive strength) 为压缩应力-应变曲线应力第一次达到峰值时的应力值, 压缩模量 (compressive modulus) 为压缩应力-应变曲线应力第一次达到峰值之前斜率最大值, 相对压缩强度 (relative compressive strength) 为压缩强度与相对密度的比值, 相对压缩模量 (relative compressive modulus) 为压缩模量与相对密度的比值。由表1可知, 四面体型点阵结构具有最高的抗压强度, 达到1.65 MPa, 相对抗压强度也是最高, 具有最好的强度特性。金字塔型点阵结构的抗压强度低于四面体型, 但是高于X型点阵。金字塔型点阵结构具有最高的抗压模量和相对抗压模量, 分别达到了28.02, 2259.44 MPa。X型点阵结构的抗压强度最低, 达到0.94 MPa, 接近于金字塔型, 但是相对抗压强度、抗压模量均介于四面体型和金字塔型之间, 具有较高的结构效率。

3.2 不同单元尺寸的压缩性能

图16是压缩试验获得的不同单元尺寸点阵的压缩应力-应变曲线, 表2是压缩数据表, 由图16可知, 随着单元尺寸减小, 压缩强度值迅速升高, 在第一个压缩应力峰值后的下降阶段更加显著, 但是尺寸为20 mm×20 mm×20 mm, 25 mm×25mm×25 mm的第一个峰值应力后的下降过程类似。随着单元尺寸的减小, 在第二个峰值应力位置处有显著的上升, 这主要是由于单元尺寸减小后, 筋条长度变短, 其发生屈曲变形以及后续屈曲变形的筋条长度显著减小, 在应力发生波动时, 其应力值上升较多。在单元尺寸为30 mm×30 mm×30mm时, 达到第一个峰值强度的应变最大, 随着单元尺寸的减小, 达到第一个峰值时的应变迅速减小, 可见结构的刚度迅速提高, 这与表2的计算结果相吻合。单元尺寸为20 mm×20 mm×20 mm时, 在第二个应力下降阶段时, 出现了一些小的应力波动现象, 这可能与筋条屈曲变形后, 弯曲后的筋条与面板接触, 形成新的铰点, 而该铰点随着变形的发展沿着面板滑动, 从而造成应力波动。由表2可知, 当单元尺寸从30 mm×30 mm×30 mm降低到25 mm×25 mm×25 mm时, 抗压强度从1.65MPa提高到1.69 MPa, 抗压模量则迅速从15.45MPa提高到59.64 MPa, 单元尺寸降低到20 mm×20 mm×20 mm时, 抗压强度迅速提高到3.18MPa, 抗压模量则提高到100.18 MPa左右。随着单元尺寸的减小, 相对抗压强度、相对抗压模量也提高, 可见结构效率在提高, 但是低于抗压强度、抗压刚度的提高幅度。

表1 不同类型点阵结构的压缩性能Table 1 Compression properties of different type lattice structures 下载原图

表1 不同类型点阵结构的压缩性能Table 1 Compression properties of different type lattice structures

图1 6 不同单元尺寸点阵结构的压缩应力-应变曲线Fig.16 Compression curves of titanium alloy with different lat-tice dimensions

表2 不同单元尺寸点阵结构的压缩性能Table 2Compression properties of different dimension lattice structures 下载原图

表2 不同单元尺寸点阵结构的压缩性能Table 2Compression properties of different dimension lattice structures

3.3 不同点阵层数的压缩性能

图17、表3是不同层数点阵结构的试验测试获得的压缩应力-应变曲线。由图17、表3可知, 当点阵层数由一层增加到两层时, 抗压强度、抗压模量迅速下降, 尤其是相对抗压强度、相对抗压模量下降更为显著, 分别下降了60%, 80%。当点阵层数增加时, 虽然抗压强度下降, 但是应力随着应变的增加, 其波动性减小, 从第一个峰值强度强度到最后应力开始上升时的起点之间的应力值比较平稳, 可见随着点阵层数的增加, 多层点阵结构可以作为吸能、抗冲击结构。

图1 7 不同层数点阵结构的压缩应力-应变曲线Fig.17 Compression curves of titanium alloy with different lay-ers lattice dimensions

表3 不同层数点阵结构的压缩性能Table 3 Compression properties of different layers lattice structure 下载原图

表3 不同层数点阵结构的压缩性能Table 3 Compression properties of different layers lattice structure

综上分析, 可知钛合金点阵结构在外载荷条件下, 发生变形或破坏时, 例如在点阵结构受压缩载荷时, 由于筋条的截面外形尺寸不同, 导致筋条失效方式不同, 主要的变形和失效方式包括:弹性变形、弹性屈曲、塑性屈曲、筋条断裂, 这也造成其失效时的压缩强度不同。

4 结论

1.SPF/DB工艺具有良好的可设计性、可选择性的特点, 可以制备金字塔型、四面体型、X型等多种类型的钛合金三维点阵夹层结构。

2.采用SPF/DB工艺制备钛合金三维点阵结构的扩散连接和超塑成形工艺参数为:920℃/2MPa/2 h。

3.钛合金三维点阵结构在压缩过程中, 主要的变形和失效机制包括:弹性变形、弹性屈曲、塑性屈曲、筋条断裂, 在这些机制作用下, 点阵结构的压缩曲线呈现出明显的应力波动现象。

4.四面体型点阵结构抗压强度的最高, 为1.65 MPa。金字塔型点阵结构具有最高的抗压模量, 达到28.02 MPa。X型点阵结构的抗压强度最低, 达到0.94 MPa, 相对抗压强度、抗压模量介于四面体型和金字塔型之间;当单元尺寸从30 mm×30 mm×30 mm下降到20 mm×20 mm×20 mm, 抗压强度从1.65 MPa升高到3.18 MPa, 抗压模量从15.45 MPa升高到100.18 MPa;当点阵层数从一层增加到两层时, 抗压强度从1.65 MPa下降到0.59MPa, 抗压模量从15.45 MPa下降到10.51 MPa。