10钛合金的先进制造技术解析
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第8章
飞行器生产中 钛合金的先进制造技术
1
8.1 钛板超塑性成形
8.1.1 超塑性成形的特征 塑性：是金属的主要属性之一，它指的是金属在不遭 受破坏的情况下，既具有永久变形能力又具有足够强 度的性能。
“超塑性”就是超出一般“塑性”指标的金属的特性。
作为衡量塑性优劣的一个重要指标延伸率δ值，一般金属均 不超过百分之几十，如黑色金属不大于 40%，有色金属不大于 60%（软铝约为 50%，而金银一般也只 80%），它们即使在高 温下拉伸，也难以达到100%。从材料的提纯、冶炼、锻造和热 处理中设法改善金属的塑性，但都不理想，无法大幅度提高塑 性指标。 2
13
（3）添加元素细化晶粒。不同的金属或合金，加入
备周期短、耗费少，并可对生产工艺及产品结构进行改革.
8
8.1.2 超塑性分类与机理 1. 超塑性的分类
• 延伸率超过100%作为衡量材料有无超塑性的标准。 • 流变方程
K
m
应变速度敏感指数 m 值作判据；若 m>0.3 时，即认为有 超塑性。实验证明， m值越大，材料超塑性性能越好。 因此，金属材料超塑性是在 特定条件下（高温、细晶粒 和低应变速率），材料出现异常的延伸率的总称。
在长期以来金属变形的研究中，有人发现某些 金属在 一定条件下 具有大大超过一般塑性的特异 性能，这些具有超塑性的金属其δ值可超过百分之 百，有的甚至达到百分之二千也不产生缩颈现象。 随着研究的深入，普遍认为这种特殊的、巨大的延 伸特性并不限于某几种合金；对大多数金属材料， 包括钢铁等黑色金属以及一般认为难成形的钛合金 等， 在特定条件下都可使δ值提高几倍至几十倍。 比如Ti-6Al-4V板材，常温下的δ值约10%，Ti-5Al4V 约 14% ，前者在加温到 760℃时，δ值约为 65% ， 850℃时约90%，即使加温到900℃也只达110%左右。 然而处于超塑性条件下的 Ti-6Al-4V ，δ值可高达 3 500%以上，甚至1000%以上。
6
使用超塑性加工制造零件的另一优点是可 以一次成型，省掉了机械加工、铆焊等工序， 达到节约原材料和降低成本的目的。在模压超 塑性合金薄板时，只需要具备一种阴模或阳模 即可，节省一半模具费用。超塑性加工的缺点 是加工时间较长，由普通热模锻的几秒增至几 分钟。
7
将超塑性成形应用于钛合金构件成形具有如 下主要优点：
11
(3) 短暂超塑性 近期研究发现，普通非超塑性材料在一定条 件下，进行快速变形在短时间内会呈现出超塑性 性质，这种现象称为短暂超塑性。这种材料必须 具备双相组织，并利用在双相区的温度下母相晶 粒长大困难，有利于塑性的发挥。这类超塑性也 有待于进一步研究。
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Hale Waihona Puke Baidu
2. 超塑性材料的获得
金属超塑性的获得除了特定的外界条件外，本身组织 状态是关键。 为了在塑性变形过程中，使金属的微晶组织稳定，并 尽可能使晶粒长大缓慢，就要求原始组织的晶粒越小越好， 或有双相的组织抑制其晶粒长大。要达到这一目的，可用 以下办法： （1）通过对共析合金材料(两相组织)的多次淬火和回火热 处理，获得微晶组织； （ 2 ）通过 对共晶合金适当的热处理，获得较细的晶粒 。 但这种共晶合金必须有高的第二相体积百分比，才能有高 的热稳定，即高温下，晶粒不易长大，并有高的延伸率；
4
超塑性与传统成形方法相比，具有如下特征：
(1) 大变形
超塑性材料在单向拉伸时δ值极高，表明超塑性材料在变形 稳定状态方面要比普通材料好得多。
(2) 无缩颈
超塑性材料表现出很强的抗颈缩能力，无明显的局部缩颈。
(3) 小应力
超塑性材料在变形过程中，变形应力可以很小，具有粘性或 半粘性流动的特征。通常用流动应力表示变形应力的大小。在一 定的速度下，流动应力σ要比一般金属的变形应力小到几分之一 以至几十分之一。
9
金属材料的超塑性大体可以分为三类：
(1) 组织超塑性 材料具有超塑性的必要条件是具有均匀等轴 的微晶组织，较低的应变速率和高于金属熔点温 度的百分之五十，并保持恒温状态。因此又称微 晶超塑性，或称组织超塑性。这类钛合金最典型 的是Ti-6Al-4V，对它的研究最广泛。
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(2) 相变超塑性 它是在一个变动频繁的温度环境下，经相变 或同素异晶转变，和组织超塑性一样，在低应力 作用下，同样获得无缩颈的高延伸率称为相变超 塑性。由于温度的反复变化，引起组织结构的变 化，故又称动态超塑性。而前一种没有相的转变 故又称静态超塑性。 材料产生 相变 或 同素异晶转变 是必要条件。 而钛与铁相似，在882℃发生相的转变，低于此温 度时是α钛，密排六方晶格是稳定的；高于此温度 是β钛，体心立方晶格也是稳定的。这类超塑性研 究较少，有待深入。
(4) 易成形
由于超塑性材料具有上述特点，在变形过程中基本没有应变 硬化，因此压力加工流动性与填充性极好，所需设备能量低。
5
超塑加工具有很大的实用价值，只要很小 的压力就能获得形状非常复杂的制作。试想一 下，金属变成了饴糖状，从而具有了可吹塑和 可挤压的柔软性能，因此过去只能用于玻璃和 塑料的真空成型、吹塑成型等工艺被沿用过来， 用以对付难变形的合金。而这时所需的压力很 小，只相当于正常压力加工时的几分之一到几 十分之一，从而节省了能源和设备。
超塑性是一种奇特的现象。具有超塑 性的合金能像饴糖一样伸长 10 倍、 20 倍甚 至上百倍，既不出现缩颈，也不会断裂。 金属的超塑性现象，是英国物理学家森金 斯在 1982 年发现的，他给这种现象做如下 定义：凡金属在适当的温度下（大约相当 于金属熔点温度的一半）变得像软糖一样 柔软，而应变速度 10毫米/秒时产生本身长 度三倍以上的延伸率，均属于超塑性。
●在一道成形工序内可用低塑性钛合金制成复杂形状的构 件，而且总变形量或局部变形量很大； ●由于合金 变形阻力 大大减小，成形过程的动力参数值 （应力、压力）也减小，因此可以广泛采用非压床模压成 形； ●由于能很好地贴模成形，而且 没有回弹 ，因此，成形 的构件精度很高；
●工艺过程相对简单 而且机动灵活，可以保证生产准
飞行器生产中 钛合金的先进制造技术
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8.1 钛板超塑性成形
8.1.1 超塑性成形的特征 塑性：是金属的主要属性之一，它指的是金属在不遭 受破坏的情况下，既具有永久变形能力又具有足够强 度的性能。
“超塑性”就是超出一般“塑性”指标的金属的特性。
作为衡量塑性优劣的一个重要指标延伸率δ值，一般金属均 不超过百分之几十，如黑色金属不大于 40%，有色金属不大于 60%（软铝约为 50%，而金银一般也只 80%），它们即使在高 温下拉伸，也难以达到100%。从材料的提纯、冶炼、锻造和热 处理中设法改善金属的塑性，但都不理想，无法大幅度提高塑 性指标。 2
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（3）添加元素细化晶粒。不同的金属或合金，加入
备周期短、耗费少，并可对生产工艺及产品结构进行改革.
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8.1.2 超塑性分类与机理 1. 超塑性的分类
• 延伸率超过100%作为衡量材料有无超塑性的标准。 • 流变方程
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应变速度敏感指数 m 值作判据；若 m>0.3 时，即认为有 超塑性。实验证明， m值越大，材料超塑性性能越好。 因此，金属材料超塑性是在 特定条件下（高温、细晶粒 和低应变速率），材料出现异常的延伸率的总称。
在长期以来金属变形的研究中，有人发现某些 金属在 一定条件下 具有大大超过一般塑性的特异 性能，这些具有超塑性的金属其δ值可超过百分之 百，有的甚至达到百分之二千也不产生缩颈现象。 随着研究的深入，普遍认为这种特殊的、巨大的延 伸特性并不限于某几种合金；对大多数金属材料， 包括钢铁等黑色金属以及一般认为难成形的钛合金 等， 在特定条件下都可使δ值提高几倍至几十倍。 比如Ti-6Al-4V板材，常温下的δ值约10%，Ti-5Al4V 约 14% ，前者在加温到 760℃时，δ值约为 65% ， 850℃时约90%，即使加温到900℃也只达110%左右。 然而处于超塑性条件下的 Ti-6Al-4V ，δ值可高达 3 500%以上，甚至1000%以上。
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使用超塑性加工制造零件的另一优点是可 以一次成型，省掉了机械加工、铆焊等工序， 达到节约原材料和降低成本的目的。在模压超 塑性合金薄板时，只需要具备一种阴模或阳模 即可，节省一半模具费用。超塑性加工的缺点 是加工时间较长，由普通热模锻的几秒增至几 分钟。
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将超塑性成形应用于钛合金构件成形具有如 下主要优点：
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(3) 短暂超塑性 近期研究发现，普通非超塑性材料在一定条 件下，进行快速变形在短时间内会呈现出超塑性 性质，这种现象称为短暂超塑性。这种材料必须 具备双相组织，并利用在双相区的温度下母相晶 粒长大困难，有利于塑性的发挥。这类超塑性也 有待于进一步研究。
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Hale Waihona Puke Baidu
2. 超塑性材料的获得
金属超塑性的获得除了特定的外界条件外，本身组织 状态是关键。 为了在塑性变形过程中，使金属的微晶组织稳定，并 尽可能使晶粒长大缓慢，就要求原始组织的晶粒越小越好， 或有双相的组织抑制其晶粒长大。要达到这一目的，可用 以下办法： （1）通过对共析合金材料(两相组织)的多次淬火和回火热 处理，获得微晶组织； （ 2 ）通过 对共晶合金适当的热处理，获得较细的晶粒 。 但这种共晶合金必须有高的第二相体积百分比，才能有高 的热稳定，即高温下，晶粒不易长大，并有高的延伸率；
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超塑性与传统成形方法相比，具有如下特征：
(1) 大变形
超塑性材料在单向拉伸时δ值极高，表明超塑性材料在变形 稳定状态方面要比普通材料好得多。
(2) 无缩颈
超塑性材料表现出很强的抗颈缩能力，无明显的局部缩颈。
(3) 小应力
超塑性材料在变形过程中，变形应力可以很小，具有粘性或 半粘性流动的特征。通常用流动应力表示变形应力的大小。在一 定的速度下，流动应力σ要比一般金属的变形应力小到几分之一 以至几十分之一。
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金属材料的超塑性大体可以分为三类：
(1) 组织超塑性 材料具有超塑性的必要条件是具有均匀等轴 的微晶组织，较低的应变速率和高于金属熔点温 度的百分之五十，并保持恒温状态。因此又称微 晶超塑性，或称组织超塑性。这类钛合金最典型 的是Ti-6Al-4V，对它的研究最广泛。
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(2) 相变超塑性 它是在一个变动频繁的温度环境下，经相变 或同素异晶转变，和组织超塑性一样，在低应力 作用下，同样获得无缩颈的高延伸率称为相变超 塑性。由于温度的反复变化，引起组织结构的变 化，故又称动态超塑性。而前一种没有相的转变 故又称静态超塑性。 材料产生 相变 或 同素异晶转变 是必要条件。 而钛与铁相似，在882℃发生相的转变，低于此温 度时是α钛，密排六方晶格是稳定的；高于此温度 是β钛，体心立方晶格也是稳定的。这类超塑性研 究较少，有待深入。
(4) 易成形
由于超塑性材料具有上述特点，在变形过程中基本没有应变 硬化，因此压力加工流动性与填充性极好，所需设备能量低。
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超塑加工具有很大的实用价值，只要很小 的压力就能获得形状非常复杂的制作。试想一 下，金属变成了饴糖状，从而具有了可吹塑和 可挤压的柔软性能，因此过去只能用于玻璃和 塑料的真空成型、吹塑成型等工艺被沿用过来， 用以对付难变形的合金。而这时所需的压力很 小，只相当于正常压力加工时的几分之一到几 十分之一，从而节省了能源和设备。
超塑性是一种奇特的现象。具有超塑 性的合金能像饴糖一样伸长 10 倍、 20 倍甚 至上百倍，既不出现缩颈，也不会断裂。 金属的超塑性现象，是英国物理学家森金 斯在 1982 年发现的，他给这种现象做如下 定义：凡金属在适当的温度下（大约相当 于金属熔点温度的一半）变得像软糖一样 柔软，而应变速度 10毫米/秒时产生本身长 度三倍以上的延伸率，均属于超塑性。
●在一道成形工序内可用低塑性钛合金制成复杂形状的构 件，而且总变形量或局部变形量很大； ●由于合金 变形阻力 大大减小，成形过程的动力参数值 （应力、压力）也减小，因此可以广泛采用非压床模压成 形； ●由于能很好地贴模成形，而且 没有回弹 ，因此，成形 的构件精度很高；
●工艺过程相对简单 而且机动灵活，可以保证生产准