材料加工前沿技術(shù)

1、材料加工前沿技術(shù)超塑性成型技術(shù)超塑成形指利用某些金屬在特定條件下所呈現(xiàn)的超塑性進行鍛壓成形的方法。金屬的塑性通 常用延伸率表示，其值一般小于40%。但在特定的條件下金屬呈超塑性，其特征是：延伸 率可提高幾十到幾百倍，最高可達2000%以上。起源金屬超塑性最早被發(fā)現(xiàn)于1920年，Rosenhain等人發(fā)現(xiàn)Zn-4Cu-7Al合金在低速彎曲時可以 彎曲近180而不出現(xiàn)裂紋，與普通晶體材料大不相同。1964年，W. A. Backofen I.R. Turner 和D.H. Avery發(fā)表了具有劃時代意義的文章Zn-Al合金超塑性，在文中最后一段提到“沒 有什么比能夠?qū)⒕酆衔锖筒ＡС尚渭夹g(shù)應(yīng)用到金屬

2、中進行成形而更使人驚嘆的事情了”，從 此揭開了金屬超塑成形的序幕。1968年英國里蘭德汽車公司采用超塑成形工藝方法生產(chǎn)了 工業(yè)用Zn-22%Al共析合金的汽車上蓋和車門內(nèi)板，開創(chuàng)了超塑成形技術(shù)的實用先例。分類超塑成形工藝按成形介質(zhì)可分為氣壓成形、液壓成形、無模成形、無模拉拔;按原始坯料形 式可以分為體積成形、板材成形、管材成形、杯突成形等等。其中，在航空航天領(lǐng)域中，應(yīng) 用最為廣泛的超塑成形方法是板材氣壓成形，也稱吹塑成形。吹塑成形是一種用低能、低壓 獲得大變形量的板料成形技術(shù)。通過設(shè)計制造專用模具，在模具與板料中間形成一個封閉的 壓力空間，板料被加熱到超塑性溫度后，在氣體作用下，坯料產(chǎn)生超塑性

3、變形，逐漸向模具 型面靠近，直至同模具完全貼合形成預(yù)定形狀。具備超塑性的材料包括鈦合金、鋁合金、鎂 合金、高溫合金、鋅鋁合金、鋁鋰合金等。應(yīng)用超塑成形技術(shù)最廣泛的應(yīng)用是與擴散連接技術(shù)組合而成的超塑成形/擴散連接組合工藝技 術(shù)，利用金屬材料在一個溫度區(qū)間內(nèi)兼具超塑性與擴散連接性的特點，一次成形出帶有空間 夾層結(jié)構(gòu)的整體構(gòu)件。按照成形構(gòu)件初始毛坯數(shù)量不同可以分為單層、兩層、三層及四層結(jié) 構(gòu)形式。采用超塑成形/擴散連接工藝成形的空心夾層結(jié)構(gòu)零件具有成形性好、設(shè)計自由度 大、成形精度高、沒有回彈、無殘余應(yīng)力、剛性大、周期短、減少零件數(shù)量等優(yōu)點。由于采 用這種結(jié)構(gòu)減少了零件和連接件的數(shù)量，消除了大量的連

4、接孔，也避免了連接孔在連接過程 中可能出現(xiàn)的裂紋，大大提高了結(jié)構(gòu)的耐久性和損傷容限。另外，該結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)最佳的剛 度重量比。用超塑成形/擴散連接結(jié)構(gòu)代替常規(guī)的金屬結(jié)構(gòu)件，一般可減輕結(jié)構(gòu)重量 10%50%，制造成本可降低25%40%，所帶來的經(jīng)濟效益相當可觀，廣泛應(yīng)用于航空航天 領(lǐng)域。鈦合金在相同的溫度窗口內(nèi)，兼具優(yōu)良的超塑性及擴散連接性，是目前應(yīng)用最為廣泛 的超塑成形/擴散連接工藝材料，軍民用飛機機身整體框、梁、壁板、口蓋、艙門、機翼、 后機身隔熱板等部件均采用超塑成形/擴散連接多層空心結(jié)構(gòu)形式，減重效益突出。除此以 外，在大涵道比渦扇發(fā)動機中采用超塑成形/擴散連接技術(shù)成形寬弦空心風扇葉片，代

5、表了 超塑成形/擴散連接技術(shù)發(fā)展應(yīng)用的最高水平。1現(xiàn)狀 美國有很多公司具有生產(chǎn)超塑成形、超塑成形/擴散連接構(gòu)件的能力。超塑成形、超塑成形/ 擴散連接零部件廣泛應(yīng)用于多種先進型號的飛機和發(fā)動機上，例如，F(xiàn)-15中有超塑成形/擴 散連接結(jié)構(gòu)件70余件;F-18中有鈦合金超塑成形/擴散連接結(jié)構(gòu)件20多件;在F-22中也大量 采用了超塑成形/擴散連接組合結(jié)構(gòu)，如后機身鈦合金超塑成形擴散連接的隔熱板等。與此 同時，歐洲的超塑成形技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展速度及規(guī)模也很迅速。英國很多公司都具有很強的 鈦合金超塑成形/擴散連接結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)能力。羅羅公司采用超塑成形/擴散連接技術(shù)研制出 了鈦合金寬弦無凸肩空心風扇葉片，

6、處于世界領(lǐng)先地位。俄羅斯擁有世界上最大超塑性研究 機構(gòu)烏法超塑性研究所，法國的超塑成形公司均已具備批量生產(chǎn)能力。德國MBB公司采用 超塑成形工藝生產(chǎn)了衛(wèi)星上的推進劑箱體。中國從70年代，開始進行超塑成形擴散連接的 基礎(chǔ)性研究，先后開展典型結(jié)構(gòu)件研制、模具選材實驗、性能測試、質(zhì)量控制和檢測等研究 工作。其中在國內(nèi)開展超塑成形工藝研究和應(yīng)用的單位主要包括北京航空制造工程研究所、 哈工大、西工大、南航等。經(jīng)過近四十年的努力，超塑成形，擴散連接的運用達到了一定的 規(guī)模。在軍民兩用方面，使用超塑成形/擴散連接構(gòu)件越來越多，構(gòu)件的尺寸也越來越大， 構(gòu)件的結(jié)構(gòu)也從單層、兩層到復(fù)雜的三層、四層、五層結(jié)構(gòu)等。尤

7、其在航空航天領(lǐng)域得到廣 泛應(yīng)用，獲得良好的技術(shù)經(jīng)濟效益。超塑性成型技術(shù)在飛機上應(yīng)用由于合金具有比強度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點，它已成為宇航工業(yè)中很有前途的一種金屬材料， 但是由于存在冷加工工藝性差、成形困難等缺點，在很大程度上阻礙了它的廣泛應(yīng)用。與先 進的連接方法例如擴散連接法和釬焊連接法相結(jié)合，這種成形技術(shù)還能簡化組裝方法和維修 方法。超塑性成形工藝主要包括了氣脹成形和體積成形兩類。超塑性氣脹成形是用氣體的壓 力使板坯料（也有管坯料或其他形狀坯料）成形為殼型件，如儀差殼、拋物面天線、球型容 器、美術(shù)浮雕等。氣脹成形又包括了 Female和Male兩種方式，分別由圖1和圖2表示。 Female成形

8、法的特點是簡單易行，但是其零件的先帖模和最后貼模部分具有較大的壁厚差。 Male成形方式可以得到均勻壁厚的殼型件，尤其對于形狀復(fù)雜的零件更具有優(yōu)越性。超塑性氣脹成形與擴散連接的復(fù)合工藝（SPF/DB）在航空工業(yè)上的應(yīng)用取得重要進展， 特別是鈦合金飛機結(jié)構(gòu)件的SPF / DB成形提高了飛機的結(jié)構(gòu)強度，減少了飛機重量，對航 空工業(yè)的發(fā)展起到重要作用.超塑性體積成形包括不同的方式（例如模鍛、擠壓等）主要是 利用了材料在超塑性條件下流變抗力低，流動性好等特點。一般情況下，超塑性體積成形中 模具與成形件處于相同的溫度，因此它也屬于等溫成形的范疇，只是超塑性成形中對于材料， 對于應(yīng)變速率及溫度有更嚴格的要求。這種方法利用自由運動的輥壓輪對坯料施加載荷使其 變形，使整體變形變?yōu)榫植孔冃?，降低了載荷，擴大了超塑性工藝的應(yīng)用范圍。他們采用這