引言
金属波纹管作为一种带有一定数量波纹的薄壁弹性元件，在工程上具有柔性连接、位移补偿以及动态密封等多种功能，广泛应用于航空航天、石油化工、能源动力以及仪器仪表等领域[1]。随着航空航天、核工业等特殊服役环境对金属波纹管耐腐蚀性和轻量化要求的不断提高，使得钛合金成为制造特种金属波纹管的优选材料，这是由于钛合金具有低密度、高屈强比、耐高温和极端低温且具有良好的耐腐蚀性等优点[2-3]。但相比于常规镍基合金和不锈钢材料，钛合金原材料成本较高，导致目前钛合金波纹管在国内外的应用仍相对较少。此外，钛合金的成形能力较差，制造大径厚比波纹管的成形工艺相对复杂，其原因主要表现在以下2个方面：首先，钛及钛合金的弹性模量低，仅为钢的1/2，在室温条件下极易发生挠曲变形，冷加工成形能力较差[4]；其次，以电辅助加热为代表的热成形工艺虽然能够有效提高钛质薄壁波纹管的塑性成形能力，但复杂的高温成形模具和较长的升温过程不仅会导致模具和能耗成本较高，还容易导致材料高温条件下的异常再结晶，这些因素都严重地制约着钛合金波纹管的应用发展和市场推广[5]。本文基于钛合金波纹管成形方法和应用现状，对不同类型成形方法的技术特点和适用范围进行了分析和对比，为钛合金波纹管生产制造企业制订合理的工艺方案、提升产品性价比提供依据。
1、钛合金的材料特性
钛和钛合金的制备可追溯到20世纪中叶，卢森堡科学家克劳尔采用真空非自耗熔炼法对海绵钛进行熔炼，获得了具有较高致密度的钛锭。钛合金Ti-6Al-4V具有良好的耐热性、强度、塑性和韧性，占钛合金总使用量的50％以上[6]。目前世界上已研制出的钛合金多达数百种，已成为制造航空发动机叶片、高端设备结构件的重要材料。
对于制造金属波纹管的常规成形工艺而言，通常要求材料具有较高的延伸率，工业纯钛由于具有较高强度，同时兼具较好的延伸率，成为钛质波纹管制造的适用材料，可采用液压成形或机械成形等冷成形工艺。但大多数钛合金都属于塑性较差的难变形材料，冷、热成形加工方法均存在一定的弊端，这也成为限制钛合金波纹管进一步发展的关键因素，从材料性质的角度分析造成这一现象的原因可以归纳为以下方面：
（1）屈强比高。当温度低于882.5℃时，钛合金的晶体结构为密排六方结构，能够启动的滑移系数量较少，室温和低温下能启动的滑移系数更少，这使得钛合金抵抗塑性变形的能力较强，屈服强度与抗拉强度十分接近，屈强比通常为0.8～0.95[7]。此外，钛合金的形变硬化指数较低，塑性变形阶段材料连续均匀成形的能力较差，表现出较弱的形变硬化能力和较低的断裂韧性，容易导致脆性断裂。
（2）成形压力大。钛合金薄壁板材在轧制过程中容易形成明显的择优取向，室温条件下沿不同方向受力所激活的变形机制也各不相同，使力学性能呈现出明显的各向异性。当沿硬取向压缩变形时，压力机工作所需吨位大于其他方向，塑性变形需要克服更大的临界剪切应力。
（3）弹性模量小。钛合金在常温下的弹性模量为106.4GPa，仅为钢的57％，冲压成形后易发生回弹。
（4）弯曲性能差。薄壁钛合金板材在液压成形时容易产生失稳起皱现象，当钛合金薄板在凸模的作用下进行热压成形时，一部分材料会沿径向补料，局部区域将受到径向的压应力，若此时模具对钛合金薄板的压力不能有效地抑制径向位移就会发生起皱，在起皱部位容易发生裂纹扩展并导致零件破坏失效。
（5）当热加工温度超过500℃时，钛合金表面的氧化膜会发生脱落，并开始与空气中的Ｎ、Ｈ和Ｏ等元素发生化学反应，易发生脆性断裂[8]。
（6）薄壁钛合金板材的平均晶粒尺寸较小，当高温热成形的温升时间过长时会导致相邻晶粒的合并生长，根据Ｈａｌｌ⁃Ｐａｔｃｈ公式可知，此时材料的力学性能会随着晶粒的长大而下降。
（7）钛合金的导热系数较小，纯钛的导热系数为15.2Ｗ/（ｍ·Ｋ），约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，加热或冷却时会在材料内部存在较大的温度梯度并产生残余内应力，容易产生裂纹。
根据以上对钛合金材料的性能介绍可知，钛合金的冷成形和热成形工艺，均存在着一些会影响产品质量的不利因素。因此，提升钛合金的成形性能和优化成形工艺将是未来一段时间内推动钛合金应用与推广的关键因素。
2、钛合金波纹管的成形方法
钛合金波纹管的成形方法种类繁多，既有传统的液压成形、滚压成形、旋压成形、机械胀形以及焊接成形等方法，也有近年来兴起的超塑成形、高压水射流渐进成形、局部热屈曲成形和扩散连接成形等方法。
成形方法的分类原则也多种多样，根据工艺流程可分为单波连续成形和多波一次成形；根据成形温度可分为热成形和冷成形；根据是否使用模具可分为有模具成形和无模具成形。不同的成形方法有着其对应的特点和适用范围。
2.1液压成形
液压成形是制造金属环形波纹管最常用的方式之一，全过程可分为胀初波、合模和卸载3个步骤（如图1所示）[9]。成形过程初期液体介质注入管坯加压胀形形成初波，随后拆除定位支撑并沿轴向压缩直至完全合模。液压成形法的优点是管坯内部受力均匀、壁厚分布合理，但制造大通径钛合金波纹管时应综合考虑模具的成本以及液压成形设备的工作能力等因素。
2.2滚压成形
滚压成形的原理如图2所示，滚压成形是将薄壁管坯放置在滚压成形机中，通过工作轮与管坯接触面上产生的摩擦力带动管坯转动，而后通过工作轮的向下进给逐渐形成凸起的初波。与此同时，整形轮向轴线方向运动，在与工作轮的共同作用下能够轧制出Ｕ型波纹[10]。采用滚压成形的方法单次可成形多个波纹，此方法尤其适用于加工大直径的金属波纹管，但受限于大直径的薄壁钛管管坯不易获取，因此现阶段该方法的应用较少。
2.3旋压成形
旋压成形适用于生产直径较小且壁厚较厚的螺旋形波纹管，旋压成形模具由工作膜片和隔片组成，管坯在径向和轴向均受到挤压并产生塑性变形得到波纹管。旋压成形法一般用于生产小直径钛合金波纹管，例如，日本研究人员用该种方法生产直径为9.52～28.6ｍｍ、壁厚为0.3～0.7ｍｍ、长度在6ｍ以内的钛合金波纹管。
2.4胀压成形
胀压成形的基本原理如图3所示，在未成形的自然状态下，压锥在复位弹簧的支撑力作用下处于顶升状态，模瓣复位收缩。胀形过程中，压锥上端面垂直向下的压力通过压锥与模瓣相配合的斜面产生水平方向的分力，作用在管坯上形成波纹[11]。当波纹成形达到预定波高后，卸载外部作用力，压锥在模具内部复位弹簧的顶升作用下恢复到自然状态，模瓣随即也恢复到自然状态。随着桶坯的移动，定位下一波纹成形位置后继续成形，进而形成具有连续波纹的波纹管。
2.5焊接成形
焊接成形是采用氩弧焊或等离子弧焊等精密焊接方法，将多个由薄板冲压成形的环状膜片沿内外边缘交替焊接而成。由于焊接波纹管的几何尺寸容易控制，因此更适用于制作高精度波纹管[12]。采用焊接成形方法生产波纹管显著的优点是沿长度方向具有较大的补偿量，最高甚至可达波纹管总长度的80％；但相比于利用无缝钛管作为管坯经液压成形工艺制
成的波纹管，其承压能力偏低且制作成本高，因此该方法多用于制造补偿量大的低压钛合金波纹管。
2.6超塑成形
超塑成形是近年来兴起的一种应用于低塑性金属材料波纹管成形的新工艺，该方法利用了钛合金在高温条件下具有超塑成形能力的特性。超塑成形的原理图如图4所示，首先将装配好的处在密封状态的管坯和模具装入超塑成形机内，利用加热炉将钛合金管坯加热至超塑温度，然后采用气压胀形和轴向补料的组合工艺完成波纹管的成形[13]。与液压成形法相类似，成形流程也包括胀初波、合模和卸载等阶段。
相比于冷加工工艺，超塑成形的优点是波纹管尺寸精确、能够有效消除残余应力，缺点是模具制造成本高、成形温度高且能耗大。
2.7高压水射流渐进成形
高压水射流渐进成形是利用高压水射流实现波纹成形的一种无模具成型工艺。其成形过程如图5所示，高压水射流喷嘴同轴布置于管坯内部，喷嘴与管坯相对转动的同时沿轴线做往复运动形成初波，待初波形成后对两侧施加挤压作用力来形成完整的单波结构。通过不断重复上述操作，即可完成波纹管的整体成形。高压水渐进成形涉及射流压力、靶距、高压喷嘴旋转角速度和轴向压力等多项控制参数，能够在不使用模具的前提下实现大尺寸波形的高精度自动化连续成形，因此近年来引起了国内业内人士的广泛关注，中国科学院深圳先进技术研究院精密工程研究中心自主开发的数控五轴高压水射流渐进机床（如图6所示）已成功应用于不锈钢Ｕ型波纹管的成形[14]。
2.8局部热屈曲成形
局部热屈曲成形是一种采用局部快速加热（通常为感应加热或激光加热）和轴向压缩的方式来诱导管坯发生轴向屈曲的新型无模具成形工艺。其基本原理如图7所示，管坯被环形热源和冷源环绕，热源附近局部区域温度快速攀升使材料发生热软化，再通过管坯两端运动速度不一致（ｖ2＞ｖ1）来产生轴向压力，使软化区域向外发生轴对称的屈曲变形，形成波纹状轮廓。波纹成形后进入喷气冷却区迅速降温定形，当成形下一个波纹时，已成形好的波纹不会再次发生压缩变形。同时热源开始加热下一个成形区域，如此反复实现波纹管的整体成形。相比于其他工艺，局部热屈曲成形的特点在于管坯不受内压，制造波形的过程不受拉应力主导，因此能够最大限度地避免波峰处壁厚减薄现象的发生。
降低了波纹管出现褶皱、破裂等缺陷的概率，产品合格率和运行可靠性均大幅提升。此外，局部高温热屈曲成形无需模具，配套设备结构相对简单，管坯局部软化区域易发生自然屈曲，不需要施加过大的成形载荷。采用局部热屈曲方法成形金属波纹管的技术方案最早见文献[15]。目前国内局部热屈曲成形波纹管制造工艺仍处于基础理论研究和早期实验研究阶段，上海交通大学模型ＣＡＤ国家工程研究中心韩先洪课题组开发了基于Ａｂａｑｕｓ的适用于局部热屈曲成形的专用有限元分析模块，能够精确模拟成形过程中的感应加热和喷气强制冷却的过程，并通过实验平台成功制造了直径25ｍｍ、壁厚1ｍｍ的Ｕ型不锈钢波纹管[16]。
2.9扩散连接成形
扩散连接法主要应用于特殊异形结构波纹管的制造成形，扩散连接是能使金属和非金属接合都保持基材原有性能的制造工艺。该方法的原理是相互接触的表面，在高温高压作用下经一定时间实现结合层原子间的相互扩散，进而形成整体水平上的可靠连接。由于钛合金具有良好的扩散连接性和应力松弛特性，因此该方法率先在航空航天Ｖ形钛合金波纹管
的制造中实现应用。图8为中国航天科工三院航天特种材料及工艺技术研究所研制的Ｖ形TA15钛合金波纹管样件。虽然扩散成型法对设备能力提出了较高的要求，但因其具有稳定的工艺特性和可靠的连接效果，未来将在钛合金与熔点差异较大的合金管件难于焊接的场合发挥重要的作用[17]。
3、钛合金波纹管的应用与发展趋势
3.1钛合金波纹管的应用
钛合金波纹管主要应用于有耐腐蚀和轻量化要求的场景，具体应用如下：
（1）大直径钛合金波纹管（膨胀节）主要应用于石油炼化行业。这是由于原油中存在大量的腐蚀性介质，且催化裂化工艺系统对管件的耐温性和强度都有着严格的要求，传统的不锈钢膨胀节使用寿命较短，通常为1ａ或数月，不利于设备的安全稳定运行。而钛合金膨胀节能够保证高温腐蚀环境下的使用要求，使用寿命得到大幅提高。
（2）钛合金波纹管用于盐厂、碱厂和化肥厂的工艺系统中。例如，在母液换热器中的波纹管长期与高浓度氯离子接触，普通不锈钢波纹管不能满足防腐环境下的寿命要求，而钛合金波纹管能够有效解决这一难题。
（3）在航空航天领域，钛合金波纹管主要应用于截止阀密封件和低温燃料输送系统的位移补偿元件，常用的钛合金类型为TA7ELI或TA34，因钛合金具有密度低和屈强比高的显著优点，在航天结构件轻量化领域具有优势，钛合金所制成的波纹管在达到疲劳强度要求的同时能够达到节约燃料的目的[18]。
3.2钛合金波纹管的发展趋势
随着钛合金材料的发展和特种金属波纹管需求的不断扩大，钛材质波纹管将沿着精益化和低成本化的方向发展，产品成形方式和工艺稳定性也将日趋成熟，近年来从创新成形工艺、仿真平台以及材料性能等多方面的发展趋势都可以预见，高品质钛合金波纹管将在越来越多的应用领域全面取代传统不锈钢波纹管，钛合金也将在弹性元件制造领域发挥着越来越重要的作用。
（1）新工艺的持续改进有利于钛合金波纹管制造精度的提高。随着超塑成形、高压水射流渐进成形、局部热屈曲成形、扩散连接成形等新工艺的不断优化，钛合金波纹管的成形方法在未来会呈现出更加明显的多元化的特征。成形效率更高、模具和能耗成本更低的高性价比工艺将成为未来的发展趋势。
（2）有限元分析软件的应用有利于钛合金波纹管的控形控性。随着计算机仿真技术的不断发展，软件求解耦合场和非线性问题的能力逐渐增强，应用有限元分析软件可以获得钛合金波纹管成形过程不同阶段应力和变形的数值解，能够为产品的控形控性提供依据，能够通过仿真结果后处理直观地对比不同模具结构和工艺设备参数对波纹管制造精度的影响。
（3）新种类钛合金材料的研发将有利于促进钛合金波纹管的应用与普及。我国经过了数十年持续的技术攻关，近年来已在新型钛合金低温超塑板材和短时高温钛合金超塑板材的研发领域取得重大突破[19]。
新型薄壁超塑钛合金板材的平均晶粒尺寸约为0.5～1μｍ，冷热加工方式下的塑性变形能力均明显提升，波纹管的成形工艺难度降低，更高的劳动生产率和成品合格率也推动了钛合金波纹管在更多行业的应用和普及。
4、结束语
钛合金具有低密度、高比强度以及优异的耐腐蚀性和耐高温性，已成为制造特种金属波纹管的优选材料。虽然钛合金波纹管的原材料采购成本明显高于传统镍基合金和不锈钢波纹管，但钛合金波纹管安全性更高、使用寿命可达常规产品的数倍以上，因此从长期运行维护和全寿命周期成本的角度考虑，使用钛合金波纹管的年均投资更低。随着钛合金新材料的不断出现以及波纹管成形工艺的不断改进，高性能低成本钛合金波纹管的制造技术将日趋成熟，应用领域也将逐渐拓展，具有广阔的发展前景。
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作者简介：孙克（1983—），高级工程师，主要研究方向为检测技术与自动化装置。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｓｕｎｋｅ＠ｈｂ⁃ｓａｉｓ.ｃｏｍ
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