材料加工前沿技術(shù)

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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)應用到金屬中進行成

2、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)生超塑性變形，逐漸向模具

3、型面靠近，直至同模具完全貼合形成預定形狀。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。應用超塑成形技術(shù)最廣泛的應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、設計自由度大、成形精度高、沒有回彈、無殘余應力、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，消除了大量的連接孔，也避免了連接孔在連接

4、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，代表了超塑成形/擴散連接技術(shù)發(fā)展應

5、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，處于世界領(lǐng)先地位。俄羅斯擁有世界上最大

6、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、兩層到復雜的三層、四層、五層結(jié)構(gòu)等。尤其在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應用，獲得良好的技術(shù)經(jīng)

7、濟效益。超塑性成型技術(shù)在飛機上應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