非平衡热冲压制备全马氏体钛合金薄壁构件：成形性调控与性能协同优化新策略

《Journal of Materials Research and Technology》：Non-equilibrium Hot Stamping Process for Fully Martensitic Titanium Alloy Thin-Walled Components

为解决钛合金薄壁构件传统热成形工艺存在的周期长、效率低、强度-塑性难以兼顾等难题，研究人员开展了非平衡热冲压(NEHS)新工艺研究。通过快速加热诱导非平衡微观组织，实现了Ti-6Al-4V合金U形构件成形效率提升10倍(从20min缩短至2min)，同时使抗拉强度提升15.0%达1173MPa，延伸率不低于6.5%，回弹角控制在0.2°以内，突破了钛合金强度-塑性的传统权衡关系。

　　

随着航空航天领域对轻量化、高性能复杂构件的需求日益迫切，钛合金薄壁构件因其优异的比强度和耐腐蚀性成为理想选择。然而传统等温成形工艺需要长达20分钟的加热保温时间，且形成的粗大双相组织导致构件强度与塑性难以兼得。更棘手的是，钛合金固有的高屈服强度和低弹性模量特性，使热冲压构件在卸载后产生显著回弹，严重制约尺寸精度。这些瓶颈问题推动着新一代高效精密成形技术的创新。

哈尔滨工业大学金属精密热加工国家重点实验室常树鹏团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表研究，提出非平衡热冲压(Non-equilibrium Hot Stamping, NEHS)新工艺。该技术通过快速加热(最高100°C/s)诱导非平衡微观组织，结合模具内淬火(in-die quenching)实现成形与强化的协同控制，将生产周期从传统20分钟缩短至2分钟，同时突破钛合金强度-塑性的传统权衡关系。

研究团队采用接触式加热装置实现钛合金板材的快速升温，利用Gleeble-3500热模拟试验机进行高温拉伸试验揭示变形行为，通过扫描电镜(SEM)系统分析马氏体组织演化规律，并设计U形构件模具开展热冲压实验，结合红外测温技术实时监测温度场变化，系统探究了加热速率(2-100°C/s)、温度(700-1050°C)和保压力(2304-4854N)对成形性、回弹和力学性能的影响机制。

3.1. 工艺参数对热拉伸行为的影响

研究发现：低于β相变点(β-transus, 973°C)时材料呈现动态软化特性，伸长率随温度升高先增后减；高于β相变点后则转变为动态硬化行为，伸长率显著提升。快速加热至1000°C时，100°C/s速率下的流变应力比保温5分钟的试样降低约25%，证实非平衡态组织可有效改善成形性。

3.2. 工艺参数对微观组织和力学性能的影响

微观组织分析表明：快速加热(100°C/s)结合0.25真应变变形可使原始β晶粒尺寸细化至21.56μm。室温拉伸测试显示最优工艺参数(1000°C/100°C/s/0.25应变)下试样抗拉强度达1235MPa，延伸率保持5.2%，实现强度-塑性的协同提升。

3.3. 非平衡热冲压试验中的温度演变

自主开发的接触式加热装置可实现73°C/s的平均升温速率。温度模型定量揭示：加热板温度与板材升温速率呈指数关系，当加热板温度从950°C提升至1100°C时，板材到达1000°C的时间从26.8秒缩短至13.7秒。

3.4. 工艺参数对成形性和回弹的影响

U形构件实验表明：加热速率从8°C/s提升至73°C/s时，临界断裂温度从980°C提高至1050°C，成形窗口显著拓宽。结合4854N保压力可将回弹角从1.33°降至0.18°，实现"高精度成形"与"高性能获得"的统一。

3.5. U形构件的微观组织和力学性能

构件不同区域的显微组织分析显示：73°C/s快速加热形成的全马氏体组织平均晶粒尺寸≤12.6μm，且组织均匀性显著改善。最终构件抗拉强度达1173MPa，较原始板材提升15.0%，延伸率不低于6.5%，性能指标优于传统等温成形和热冲压工艺。

该研究通过非平衡热冲压技术成功实现钛合金薄壁构件成形精度与服役性能的协同调控。其科学价值在于揭示快速加热条件下动态硬化/软化的转变机制，阐明马氏体细化与力学性能的构效关系。工程意义在于建立"加热速率-温度-保压力"多参数协同控制方法，为航空航天领域高性能轻量化构件的制造提供新技术途径。特别是将传统20分钟的生产周期缩短至2分钟，同时突破强度-塑性此消彼长的传统困境，展现出显著的工业应用前景。