超塑性在钛合金压力加工的应用

超塑性在钛合金压力加工的应用

班级：成型1104 姓名：王凯学号：20110408

钛合金由于具有比强度高、耐热、耐腐蚀等优良性能，在航空航天、化工、船舶、医疗等部门得到广泛的应用，但其切削加工性能差，特别是制成像飞机结构件那样形状复杂的零件，成品率很低。近年发展起来的超塑成形技术，改善了钛合金难以成形的状况，因而充分发挥了钛合金的优势。超塑性钛合金正以它们优异的变形性能和材质均匀等特点，在航空航天以及汽车的零部件生产、工艺品制造、仪器仪表壳罩件和一些复杂形状构件的生产中起到了不可替代的作用。

所谓超塑性是指材料在一定的内部（组织）条件（如晶粒形状及尺寸、相变等）和外部（环境）条件下（如温度、应变速率等），呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能的现象。根据金属材料的结构和变形条件（温度、应力），可将超塑性合金大致划分为3大类。第一类是微晶超塑性合金。这种合金产生超塑性的条件是：变形温度要高（大约是熔点绝对温度的0.4倍～0.7倍）；变形速度要低（应变速率ε•在10－4s-1∼10－1s-1之间）；材料的晶体结构应为微细晶粒（晶粒尺寸在0.5µm～5µm之间）。一般所指超塑性多属这类超塑性，其特点是材料具有微细的等轴晶粒组织。第二类是相变超塑性合金，亦称转变超塑性或变态超塑性。这类超塑性，并不要求材料有超细晶粒，而是在一定的温度和负荷条件下，经过多次的循环相变或同素异形转变获得大延伸。第三类超塑性（或其它超塑性）：在消除应力退火过程中在应力作用下可以得到超塑性。

由于钛合金在超塑状态具有异常高的塑性，极小的流动应力，极大的活性及扩散能力，可以在很多领域中应用，包括压力加工、热处理、焊接、铸造、甚至切削加工等方面。本文只涉及超塑性在压力加工方面的应用和相变超塑性在焊接方面的应用。

1.超塑性在压力加工方面的应用

金属超塑性压力加工技术系指某些合金经特殊处理得到微细组织状态后，在一定温度和一定变形速度下变形获得异常高的可塑性能的技术。它属于粘性和不完全粘性加工。超塑性合金的变形抗力非常小，通常只有一般金属的几分之一，甚至几十分之一，因此大大减小了成形压力。利用这一特点可以一次直接成形各种形状复杂、变形量很大、薄壁等用其它方法难以成形的零件，并且可以大大缩短工艺过程、节约能源。超塑性成形的方式有气压成形、液压成形、挤压成形、锻造成形、拉延成形、无模成形等多种方式。其优点是流动性好，填充性好，需要设备功率吨位小，材料利用率高，成形件表面精度质量高。相应的困难是需要一定的成形温度和持续时间，对设备、模具润滑、材料保护等都有一定的特殊要求。

近几十年来，金属超塑性加工（如等温锻造）已在工业生产领域中获得了较为广泛的应用。等温锻造由于加工工序少、能获得近净形形状以及有效控制组织结构等优点而日益成为航空航天等领域钛合金零部件制备的优选工艺。美国在20世纪70年代就已把等温锻造工艺应用于航天飞机发动机涡轮盘的生产。20世纪80年代初，国内也开始了超塑等温锻造工艺的研究，但多为小型锻件[1]。

1.1 超塑性钛合金的应用

钛合金原本是一种很难变形的合金，它在常温下的最大延伸率只有30％左右。过去，在利用钛合金加工形状复杂的零件时，往往采用“蠕变加工法”，其变形过程需要1h以上。改用“超塑性成型”，制造任何形状复杂的钛合金零件一般都不会超过8min，生产效率明显提高。目前 SPF 部件大多由 Ti6Al4V 合金板制备，成型温度900℃左右[2]。900℃∼950℃下，成形压力约1.75MPa 时，可成功地超塑成形出Ti6Al4V 环形气瓶[3]，

另外还可超塑成形制备形状复杂的空心近净型件，如多层蜂窝结构[4]。TC11压气机盘的超塑

等温锻造温度范围为875℃∼940℃[1]。也就是说，商业用钛合金等温锻造温度较高，因此对工艺装备要求高，尤其是模具材料需耐高温和抗氧化；同时钛在此温度下活性很大，表面氧化不可避免，从而导致钛合金拉伸塑性和疲劳强度降低。这些钛合金的SPF通常需在惰性气体保护中进行，成型部件需进行表面修磨以去除氧化皮。日本钢管公司（NKK）于1995年推出富β强度较高的α＋β型钛合金 SP-700（Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe），其超塑性延伸率高达2000％，且超塑成形温度比 Ti-6Al-4V的低140℃[5,6]。SP-700合金在775℃下超塑成型加工时，合金表面的氧化皮可有效地被抑制住，同时超塑成形的成本大大降低。

图 1 示出一些超塑成形的零部件，其中(a)是哈尔滨工业大学材料学院超塑性与数值模拟研究室超塑成形的波形膨胀节用TC4钛合金波纹管[7]；(b)和(c)分别是SP-700和工业纯钛超塑成形的零件；(d)是在 700℃吹塑成型的 Ti-15-3 零件用500t油压机，在730℃下成功地用Ti-8Co-5Al合金等温锻造出飞机用喷嘴壳体。若采用同样的压机、同样的模具等温锻造同样的零件，Ti-6Al-4V的等温锻造温度则为 940℃。Ti-8Co-5Al 合金等温锻造模具材料将不需采用价格昂贵的高温材料，对设备要求也相应降低，产品的成本由此下降与其它钛合金相比，Ti-1023 合金超塑性能力中等，其最大延伸率只有 TC4 合金的三分之一。但Ti-1023 合金具有有利的应力－应变速率特性，与TC4 相比，更加适合于等温锻造。TC4 合金的等温锻造大约在950℃进行，而Ti-1023合金可以在760℃完成阀板类零件的等温锻造。这种等温锻造温度差别可以使模具和锻造费用显著降低，在经济上更有吸引力。对于等温锻造工艺，Ti-1023 合金是最有吸引力的钛合金 [10]。长纤维强化的钛基复合材料作为航空结构材料

有望在 300℃∼600℃使用，但是零件的制造成本高是实用化的最大障碍。如果利用超塑性直接预成形零件，特别是具有复杂曲面的零件，制造成本就会大幅度下降。将等离子喷镀预成形法制备的SCS-6/SP-700 复合材料插在两块厚度为 1 mm 的SP-700 板之间制成成形坯料，在 775℃用气压成形法可制成椼梁和叶片[11]。

图 1 超塑成形的零部件

(a) Ti-6Al-4V,(b)SP-700,(c)C.R.Ti,(d)Ti-15-3