摘要
钛合金微小复杂构件具有比强度高、抗腐蚀性好、高低温性能优异等特点，在航空航天、武器装备以及海洋等领域具有广泛的应用前景。然而，钛合金导热系数低，加工变形回弹量大，加工精度难以保证，且钛合金室温塑性差，其微小复杂构件必须采用高温成形，这对微成形模具材料、润滑剂施加以及成形工艺提出了苛刻要求，常规微成形方法难以实现。电流辅助微成形技术是将电流直接作用于坯料，是材料在力场、温度场、电场等多物理场作用下的塑性变形，能够实现零件成形/性能调控一体化制造，具有成形温度低、成形件残余应力小和微观组织性能优异等优点，特别适合于钛合金等难变形材料零件的高质量成形。然而，目前电致塑性效应与微成形尺度效应耦合的作用机制还不明确，基础理论尚不成熟，电流辅助微成形工艺研究也较少。本文旨在研究电流辅助微成形电致塑性效应的量化与微观机理，并合理利用电流与材料相互作用的多种效应，为TC4钛合金微齿轮构件制造提供新工艺。 研究了TC4钛合金电流处理多场耦合效应对材料力学行为的影响，发现电流处理试样相比未处理试样微拉伸延伸率和抗拉强度最高分别提升了19.4%和22.1%。基于电迁移理论和仿真分析，明确了TC4钛合金相变速率提高和相变温度降低是由局部电势梯度、局部缺陷热点和漂移电子散射共同作用的结果。微观组织表征发现较短的电流处理时间和过快的冷却速度促使了纳米马氏体组织的生成和β相含量的增高，在两者共同作用下电流处理TC4钛合金试样显示出了增强增韧。 搭建了电流辅助微拉伸实验平台，利用数字图像相关技术研究了TC4钛合金电流辅助微拉伸过程应变局域化行为。实验发现，施加单脉冲电流后，微拉伸试样原有单条高应变带会瞬间突变为两条相互交叉的更高应变带，随应变增加高应变带向中心聚集并逐渐发展为交叉的局域化流动区。基于热膨胀、热软化、应变硬化和非热电致塑性效应建立了电流辅助微拉伸过程材料流动应力降模型，计算出单脉冲微拉伸过程非热电致塑性效应对应力降的贡献约11%，而不小于89%的贡献来自焦耳热软化和热膨胀，揭示出电致塑性效应的主机制是焦耳热效应。 通过实验和有限元仿真研究了TC4钛合金电流辅助微镦粗变形行为，发现在高电流密度和大应变速率下，焦耳热温度场分布不均匀导致试样中心塑性应变较其余部分被加速。采用EBSD和TEM对比分析了试样微观组织演化规律，表明电流诱导的非基面滑移激活和焦耳热局部软化使电流辅助微镦粗较等温微镦粗具有更高的应力降。最后在实验观察的基础上讨论了焦耳热诱导的局部软化变形机制。采用实验和有限元仿真研究了TC4钛合金电流辅助微剪切压缩变形行为，发现魏氏组织流动曲线显示出了应变软化现象，而等轴组织表现为明显应变硬化现象。采用SEM和TEM对两种试样的剪切带演化和微裂纹形核进行了对比研究，结果表明，魏氏组织中晶粒尺度效应和局部波动导致了剪切带的萌生，微空洞在晶界处形核；等轴组织中拉长的位错胞形成、拉长的亚晶粒形成、拉长的亚晶粒断裂是剪切带的演化过程，微孔洞在亚晶粒断裂点附近成核。 研究了电流辅助微成形过程试样尺寸及电流参数对摩擦系数的影响规律，发现电流辅助微成形过程摩擦尺度效应会被减小，且该趋势随电流密度的增大而增加，揭示出其机理是电流诱导的界面焦耳热效应促进了润滑剂的流动性和软化了试样表面凸峰。基于开-闭式油包摩擦模型，并引入尺度因子和电流密度，建立了电流辅助微成形局部焦耳热摩擦尺度效应模型，有效预测了摩擦系数并解释了摩擦尺度效应机理。测试了四种不同润滑条件下TC4钛合金电流辅助微成形过程摩擦系数，证实铜导电润滑脂适合作为电流辅助微成形的润滑剂。 应用微小型腔填充实验分析了电流密度和成形载荷对微填充行为的影响，发现型腔填充高度随载荷和电流密度的增加先快后慢地增加，电流密度大于21.7A/mm2且载荷高于25kN时型腔齿顶填充度较好。在此基础上，提出了基于模具电阻加热的钛合金微齿轮电流辅助微模压成形新方法，发现在模具电阻预热500℃、电流密度36A/mm2、载荷25kN下微齿轮所有齿形均可完全填充。分析了最佳工艺参数下微齿轮件几何精度、表面质量和显微组织，实现了微齿轮样件轮廓精度优于49.8μm，齿形精度优于22.8μm，表面粗糙度小于SRa68.4nm，硬度指标与母材相当，金属流线沿齿形轮廓分布。
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