关键词：
TC4钛合金
微型齿轮
成形工艺
尺寸精度
充填行为
尺寸效应
摘要：
微机电系统的广泛应用促进了微型构件的迅速发展,塑性成形技术以其高材料利用率、高生产率、低成本、优良的产品力学性能和尺寸精度成为微型构件最重要的制备方法。由于微型构件尺寸或特征尺寸在亚毫米或微米量级,材料在介观尺度范畴的塑性变形能力是影响产品成形性及尺寸精度的核心要素,所以具有良好塑性变形能力的材料（如纯铜）在微型构件塑性成形研究中备受青睐。钛合金因其较高的比强度、抗腐蚀性好、高低温性能优异和良好的生物相容性等特点,具有更广阔的应用前景并且可以在更加苛刻的环境下服役。但是,钛合金形变抗力大,塑性低,属于难变形材料,尤其在狭小特征结构处的塑性充填愈加困难;此外,尺寸效应的存在进一步降低钛合金微成形的尺度极限,进而严重影响钛合金微型构件的充填完整性。本文以α+β双相TC4钛合金微型齿轮为研究对象,利用β相良好的塑性成形能力,系统性研究TC4钛合金在β单相区的拉压塑性变形行为及其组织演化规律,为微齿轮塑性成形工艺及其数值模拟奠定了理论基础;其次,通过模具设计和工艺研究实现了高精度微齿轮的连续制备,并分析评价了成形微齿轮的组织、精度、性能;然后,基于微齿轮的最优成形参数,通过数值模拟以及分步挤压实验揭示了微齿轮在β单相区充填模腔的动态组织演化机制;最后,从晶粒尺寸及几何尺寸两方面研究了尺寸效应对微齿轮成形性、组织及性能的影响。主要研究工作如下:（1）系统性研究了TC4钛合金在β单相区的拉压塑性变形行为。基于Arrhenius模型建立了TC4钛合金在β单相区的本构方程,由计算值与实验值的比较验证了本构方程的拟合度。通过动态材料模型构建的β单相区热加工图表明,温度大于1075℃且应变速率大于1 s-1时不利于材料的塑性加工。针对不同热变参数下的β组织演化,引入了Zener-Hollomon参数ln Z并且重构了高温相β。结果表明,随着ln Z值的持续增加,β相的主导软化机制从动态回复过渡为持续性动态再结晶,进一步的转变过程为几何动态再结晶和持续性动态再结晶共存。β单相区在拉应变状态下主要以晶界滑动-晶界迁移-晶内滑移-晶粒细化的协同机制调节变形行为,并且样件表面具有明显的“橘皮效应”。（2）研究了模具材料、结构、工艺参数对微齿轮成形性的影响,并分析评价了成形微齿轮的组织、精度、性能。结果表明,传统的金属模具在最低温度830℃时可以实现TC4钛合金微齿轮的挤压成形,但是这一温度致使模具自身发生塑性变形,进而导致挤压制件表面质量不均,精度差,且模具拆卸困难。相比之下,石墨模具具有高温稳定性、自润滑及耐磨性,但是石墨材料在较高外载荷下容易脆性开裂。本文研究发现增加石墨凸模和内套之间的间隙,有助于降低挤压载荷,避免模具开裂失效,分析确定的最佳间隙值为80μm。凸模的挤压行程并不随温度的持续升高和挤压速率的持续降低而增加,而是温度-挤压速率-晶粒尺寸的耦合作用,只有在1200℃,0.01 mm/s的挤压参数下实现了凸模行程2 mm的连续挤压。挤压成形的微齿轮杆室温组织α沿纵向及横向均不断演变。微齿轮的总体硬度高于原始坯料,而同一截面处不同区域以及同一区域沿挤出方向硬度分布不均。制备的钛合金微齿轮具有良好的抗磨性,齿形边缘组织的磨损量仅为原始坯料的24%。钛合金微齿轮装配在某延时展开机构齿轮系中,测试结果满足展开机构的核心参数需求。针对微齿轮尺寸测量难题,搭建了检测精度0.6μm的微型齿轮专用高精度图像测量系统,所测齿根圆、齿顶圆、齿厚及齿槽的平均尺寸与基本尺寸偏差分别为2.3μm、3.2μm、10.2μm和10.7μm。（3）揭示了TC4钛合金微齿轮在β单相区充填模腔的动态组织演变机制。结果表明,坯料沿纵向及横向均存在温度梯度,并且应变率、应变及流动速率分布不均。此外,坯料中存在渗碳区域和非渗碳区域,挤压过程中β晶粒和渗碳区域的Ti C晶粒持续粗化。从挤压初始至挤压结束,坯料组织充填凹模模腔不同特征结构处的形变程度及形变行为不同,因此微齿轮杆同一截面处的齿形、齿根、齿心特征区域的组织结构不同,同一特征区域沿挤压方向的组织也在不断演变。在整个充填过程中,坯料的外层区域承受剪切作用,但是没有塑性流动行为。（4）阐明了尺寸效应对TC4钛合金微齿轮在β单相区充填成形的影响及机理。结果表明,挤压力随β晶粒尺寸的增加而增加,表现出晶粒尺寸效应。晶粒尺寸效应影响齿形中β晶粒的大小和畸变程度,而对于尺寸精度和硬度没有明显影响。提出了晶粒尺寸相关的屈服应力本构模型和与齿廓特征结构相关的尺寸因子表达式,基于此建立了晶粒尺寸效应相关的布尔林方程。相同齿数不同模数微齿轮的充填行程表明微齿轮挤压成形存在几何尺寸效应,这种效应并非“越小越强”和“越小越弱”,而是存在一个极值点。几何尺寸效应对不同模数微齿轮α和β组织特征均有影响。随模数增大,齿根处粗糙度值增加,整体硬度降低,但几
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