超塑成形

金属加工工艺方法

超塑成形，是指利用超塑性金属材料在特定温度和应变速率条件下表现出的超高延伸率及不易断裂的超塑性，在模具型腔内将超塑性金属板料作为被成形坯料实现成形加工，以获得各种所需形状零件的成形工艺。即指指利用某些金属在特定条件下所呈现的超塑性进行锻压成形的方法。金属的塑性通常用延伸率表示，其值一般小于40%。但在特定的条件下金属呈超塑性，其特征是：延伸率可提高几十到几百倍，最高可达2000%以上。

起源

金属超塑性最早被发现于1920年，Rosenhain等人发现Zn-4Cu-7Al合金在低速弯曲时可以弯曲近180°而不出现裂纹，与普通晶体材料大不相同。1964 年，W. A. Backofen、I.R. Turner和D.H. Avery发表了具有划时代意义的文章《Zn–Al合金超塑性》，在文中最后一段提到“没有什么比能够将聚合物和玻璃成形技术应用到金属中进行成形而更使人惊叹的事情了”，从此揭开了金属超塑成形的序幕。1968年英国里兰德汽车公司采用超塑成形工艺方法生产了工业用Zn-22%Al共析合金的汽车上盖和车门内板，开创了超塑成形技术的实用先例。

技术说明

超塑成形，是指利用超塑性金属材料在特定温度和应变速率条件下表现出的超高延伸率及不易断裂的超塑性，在模具型腔内将超塑性金属板料作为被成形坯料实现成形加工，以获得各种所需形状零件的成形工艺。

发展现状

美国有很多公司具有生产超塑成形、超塑成形/扩散连接构件的能力。超塑成形、超塑成形/扩散连接零部件广泛应用于多种先进型号的飞机和发动机上，例如，F-15中有超塑成形/扩散连接结构件70余件;F-18中有钛合金超塑成形/扩散连接结构件20多件;在F-22中也大量采用了超塑成形/扩散连接组合结构，如后机身钛合金超塑成形/扩散连接的隔热板等。与此同时，欧洲的超塑成形技术的应用及发展速度及规模也很迅速。英国很多公司都具有很强的钛合金超塑成形/扩散连接结构件的生产能力。罗罗公司采用超塑成形/扩散连接技术研制出了钛合金宽弦无凸肩空心风扇叶片，处于世界领先地位。俄罗斯拥有世界上最大超塑性研究机构乌法超塑性研究所，法国的超塑成形公司均已具备批量生产能力。德国MBB公司采用超塑成形工艺生产了卫星上的推进剂箱体。

中国从70年代，开始进行超塑成形/扩散连接的基础性研究，先后开展典型结构件研制、模具选材实验、性能测试、质量控制和检测等研究工作。其中在国内开展超塑成形工艺研究和应用的单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。经过近四十年的努力，超塑成形，扩散连接的运用达到了一定的规模。在军民两用方面，使用超塑成形/扩散连接构件越来越多，构件的尺寸也越来越大，构件的结构也从单层、两层到复杂的三层、四层、五层结构等。尤其在航空航天领域得到广泛应用，获得良好的技术经济效益。

材料超塑性研究

从20世纪60年代起，各国学者在超塑性材料学、力学机理、成型学等方面进行了大量的研究并初步形成了比较完整的理论体系。超塑性既是一门科学，又是一种工艺技术。利用它可以在小吨位设备上实现形状复杂、其他塑性加工工艺难以或不能进行的零件的精密成型。

从20世纪70年代起人们注意开发工业合金的超塑性。基于材料超塑性的组织条件，在超塑性变形或成型前要对材料进行细化晶粒的预处理，包括热处理和形变热处理，有些处理工艺相当繁杂，消耗了能源、人力和材料。在研究中发现，许多工业合金在供货态件下，虽然不能完全满足均匀等轴细晶的组织条件，但是也具有良好的超塑性，Ti-6A1-4V就是其中的一个典型。这样不用或少用细化处理工艺，可以大大提高超塑性技术的经济性。然而，供货态工业合金往往不能完全满足超塑性材料的组织条件，或是晶粒较粗大，或是不等轴，或是分布不均匀，因此其在超塑性变形中会产生一系列的问题，例如变形不均匀、各向异性等。这样，研究非理想超塑性材料的超塑性变形特征，掌握缺陷形成的机理并通过控制变形参数抑制缺陷的产生，用低成本的材料超塑性成型出高质量的零件等一系列课题，形成了一个重要的研究方向。

超塑成型方法分类

超塑成形工艺按成形介质可分为气压成形、液压成形、无模成形、无模拉拔;按原始坯料形式可以分为体积成形、板材成形、管材成形、杯突成形等等。其中，在航空航天领域中，应用最为广泛的超塑成形方法是板材气压成形，也称吹塑成形。吹塑成形是一种用低能、低压获得大变形量的板料成形技术。通过设计制造专用模具，在模具与板料中间形成一个封闭的压力空间，板料被加热到超塑性温度后，在气体作用下，坯料产生超塑性变形，逐渐向模具型面靠近，直至同模具完全贴合形成预定形状。具备超塑性的材料包括钛合金、铝合金、镁合金、高温合金、锌铝合金、铝锂合金等。

超塑成型技术应用

超塑成形技术最广泛的应用是与扩散连接技术组合而成的超塑成形/扩散连接组合工艺技术，利用金属材料在一个温度区间内兼具超塑性与扩散连接性的特点，一次成形出带有空间夹层结构的整体构件。按照成形构件初始毛坯数量不同可以分为单层、两层、三层及四层结构形式。采用超塑成形/扩散连接工艺成形的空心夹层结构零件具有成形性好、设计自由度大、成形精度高、没有回弹、无残余应力、刚性大、周期短、减少零件数量等优点。由于采用这种结构减少了零件和连接件的数量，消除了大量的连接孔，也避免了连接孔在连接过程中可能出现的裂纹，大大提高了结构的耐久性和损伤容限。另外，该结构可以实现最佳的刚度重量比。用超塑成形/扩散连接结构代替常规的金属结构件，一般可减轻结构重量10%~50%，制造成本可降低25%~40%，所带来的经济效益相当可观，广泛应用于航空航天领域。钛合金在相同的温度窗口内，兼具优良的超塑性及扩散连接性，是应用最为广泛的超塑成形/扩散连接工艺材料，军民用飞机机身整体框、梁、壁板、口盖、舱门、机翼、后机身隔热板等部件均采用超塑成形/扩散连接多层空心结构形式，减重效益突出。除此以外，在大涵道比涡扇发动机中采用超塑成形/扩散连接技术成形宽弦空心风扇叶片，代表了超塑成形/扩散连接技术发展应用的最高水平。

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