材料超塑性和超塑成形_扩散连接技术及应用
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( School of Materials Science and Engineering , Nort hwestern Polytechnical University , Xi’an 710072)
Abstract Mo st of t he engineering materials po ssess t he ability of superplasticity. As an advanced manufact u2 ring technology and based o n t he t heory of superplasticity , Superplastic Fo rming/ Diff usio n Bonding is widely used in aero space indust ry. In t his paper , t he p henomeno n of superplasticity is analysed and t he research p rogress o n t he t heo2 ry of superplastic forming is reviewed. The basic t heo ries , advantage and application of superplastic forming/ diff usio n bonding technology are int roduced , and it s develop ment t rend is forecasted.
超 塑 成 形/ 扩 散 连 接 ( Superplastic forming/ diff usion bonding ,简称 SPF/ DB) 技术是把超塑成形与扩散连接结合 起来的一种近无余量成形技术 ,它的深入发展及广泛应用对 现代航空航天结构的设计和制造产生了重大影响 ,在国外被 誉为 21 世纪大型复杂结构件的高效费比制造技术 。SPF/
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材料导报 :综述篇
2009 年 6 月 (上) 第 23 卷第 6 期
材料超塑性和超塑成形/ 扩散连接技术及应用
于卫新 ,李淼泉 ,胡一曲
(西北工业大学材料学院 ,西安 710072)
摘要 大量的工程材料都具有超塑性 ,以材料超塑性为理论基础的超塑成形/ 扩散连接技术是先进制造技术 的一种 ,在航空航天等许多工业部门得到了越来越多的应用 。分析了材料超塑性现象 ,超塑性变形机理研究进展 ,超 塑成形/ 扩散连接技术的理论基础 ,以及超塑成形/ 扩散连接复合工艺的技术优势 、研究进展和应用现状 ,并展望了超 塑成形/ 扩散连接技术的发展趋势 。
DB 技术的研究已开展 30 余年 ,20 世纪 70 年代初至 80 年代 初的 10 年是 SPF/ DB 的开发研究和试验验证阶段 ,SPF/ DB 从实验室小规模基础工艺研究和验证逐步发展到全尺寸零 件的设计 、制造和飞行试验 。20 世纪 80 年代初至今是 SPF/ DB 技术的生产应用和深入发展阶段 ,此间 SPF/ DB 工艺的 基础研究更加深入 ,生产技术得到较大发展[1] 。
1 超塑性及超塑成形 、扩散连接的理论与方法
1. 1 超塑性 ( Superplasticit y ,SP) 超塑性通常是指材料在拉伸条件下表现出异常高的延
伸率也不产生缩颈与断裂现象 。当延伸率大于 100 %时 ,即
于卫新 :男 ,1981 年生 ,博士研究生 Tel :029288460465 E2mail : yuweixin @mail. nwp u. edu. cn 李淼泉 :通讯作者 ,男 ,1964 年 生 ,教授 ,博士 ,博士生导师 E2mail :ho neymli @nwp u. edu. cn
对于给定材料来说 ,影响其超塑性的因素主要有晶粒 度 、变形温度和应变速率 。一般来说 ,晶粒越细 ,等轴度越Baidu Nhomakorabea高 ,越有利于超塑性变形 ,因为晶粒细小时晶界总面积较大 , 为晶界滑动提供了条件 ,而等轴度高有利于晶粒转动 。但对 有些材料来说 ,例如钛合金 ,其晶粒尺寸达几十微米时仍有 良好的超塑性能 。超塑性变形与许多热激活过程有关 ,因此 温度也就成为它的一个很主要的影响因素 。一般要求温度 T ≥0. 5 Tm 。但变形温度超过临界温度 Tc 时 ,继续升高变形 温度会使晶界强度进一步降低 ,材料传递外加应力的能力迅 速降低 ,而且 ,变形温度过高会使得晶粒长大速度进一步加 快 ,这两方面均对超塑性不利 。因此 ,要根据实际情况选择 合适的超塑性变形温度 。超塑性要求应变速率比较低 ,一般 为 10 - 4 ～10 - 1 s - 1 ,位于 S 曲线 Ⅱ区 ,此时应变速率敏感性指 数较大 ,有利于细颈扩散和转移 ,对超塑性有利[17 - 25] 。
国内外学者对超塑性变形机制的研究已有很多 ,其结果 不尽相同 ,但在一些方面上取得了广泛的共识 。一般认为组 织超塑性变形机制以晶界滑动和晶粒转动为主 ,但还要靠其 他变形机制进行调节 。应变速率很小时 ( S 曲线 Ⅰ区和 Ⅰ、Ⅱ 区之间的过渡带) ,认为是靠空位扩散机制来调节 。随着应 变速率的增大 ,空位扩散机制相对减弱 ,位错运动的调节作 用相对增强[4 - 12] 。位错的存在必然伴随着动态回复和动态 再结晶 ,这也是超塑性变形中的软化机制 。超塑性变形会使 微观组织出现晶粒长大 、晶粒等轴化以及晶界圆弧化等现 象 ,这是由于变形过程中存在着动态再结晶或晶界迁移以及 同相晶粒相聚与合并的过程 。晶粒长大不单纯是加热的结 果 ,而是与变形有关 。适当提高变形速度 ,可抑制晶粒长大 的倾向[ 13 - 16 ] 。
目前 ,在生产中获得应用的超塑合金有钛合金 、铝合金 、 镁合金 、锌合金 、铜合金 、碳钢 、合金钢和某些脆性材料等 。 1. 3 扩散连接 (Diff usio n bo nding ,DB)
扩散连接是把 2 个或 2 个以上的固相材料 (包括中间层 材料) 紧压在一起 ,置于真空或保护气氛中加热至母材熔点 以下温度 ,对其施加压力使连接界面微观凸凹不平处产生微 观塑性变形达到紧密接触 ,再经保温 、原子相互扩散而形成 牢固的冶金结合的一种连接方法 。
SPF/ DB 技术制造出的飞行器整体结构件 ,不仅能满足 设计上的要求 ,如质量轻 、刚性大 ;而且也能满足工艺上的要 求 ,简化零件制造过程和构件的装配过程 ,缩短制造周期 、减 少手工劳动量和降低成本 。另外 , SPF/ DB 技术还可以制造 空心结构件 。SPF/ DB 技术在减轻飞行器质量 、降低生产成 本方面显示出了巨大的优越性 ,日益得到航空航天工业的高 度重视 。目前 , SPF/ DB 技术已广泛应用于飞机 、航空发动 机 、导弹 、航天器等的生产中 。世界主要的飞机制造公司已 建立起自己的 SPF/ DB 生产能力 ,同时还涌现出大批 SPF/ DB 专业化厂[2 ,3] 。
Key words superplasticity ,superplastic fo rming ,diff usio n bo nding ,superplastic forming/ diff usio n bonding
0 引言
早在 1920 年 , Rosenhain 等发现 Zn24Cu27Al 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 。1934 年英国的 Pearson 发现 Pb2Sn 共晶合金在室 温低速拉伸时可以得到 2000 %的延伸率 。但是由于第二次 世界大战 ,这方面的研究没有进行下去 。1945 年前苏联的 Bochvar 等发现 Zn2Al 共析合金具有异常高的延伸率并提出 “超塑性”这一名词 。1964 年美国的 Backofen 提出了应变速 率敏感性指数 m 值 ,为超塑性研究奠定了基础 。20 世纪 60 年代后期及 70 年代 ,世界上形成了超塑性研究的高潮 。近 几十年来金属超塑性已在工业生产领域中获得了较为广泛 的应用 。超塑性材料正以其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 。
另外 ,电在金属材料的加工中是一个重要的环境 ,电流 或电场对位错运动 、原子和空位的活动性有比较显著的影 响 ,这也势必影响着材料的超塑性 。李淼泉等[26 - 28] 认为 ,强 电场对 L Y12CZ 铝合金超塑性变形时扩散过程的影响主要 是空位机制 ,电场强度的变化改变了试样表面层电荷的贮 量 ,降低了空位跳跃的能垒 ,改变了带负电荷的空位向试样 表面层的迁移速度 ,从而加强了超塑性变形过程中的扩散过 程 。通过实验研究发现 ,合适的电场强度会使 L Y12CZ 铝合 金超塑性变形时的准稳态流动阶段延长 ,最大流动应力明显 降低 ,单向拉伸时的极限延伸率比无电场时提高 30 %。 1. 2 超塑成形 ( Superplastic forming ,SPF)
获得较多应用 ,金属材料在超塑状态下所具有的优良塑性和 极低的变形抗力 ,使其可以像塑料一样进行气胀成形 ,包括 真空成形和吹塑成形 ,或将 2 种并用 ,也可进行超塑性板料 拉伸 ,比常规拉伸的拉伸比大得多 。
超塑成形具有诸多优点 。利用超塑性可以成形出非常 复杂的零件 ,可以使原来需要多道工序才能成形的零件 1 次 成形 ,也可以使原来因工艺要求需分部设计的组合零件改为 整体零件 ;超塑成形压力很低 ,需要的设备吨位低 ,费用少 ; 超塑成形在较低的速度下进行 ,冲击小 ,且材料的变形抗力 小 ,使模具的使用寿命延长 ;超塑成形时材料的充填性能好 , 成形精度高 , 材料利用率高 。但超塑成形有一个明显的缺 点 ,即晶粒易于粗化 ,使得强度 、塑性 、抗疲劳等机械性能有 所降低 。
为了便于分析和研究 ,通常把扩散连接分为 3 个阶段 (见图 1) :第一阶段为塑性变形使连接界面接触 。加压初期 的塑性变形可使接触面积达到连接总面积的 40 %～75 % ,后 续的接触过程主要靠蠕变进行 ,最后可达 90 %～95 % ,在金 属紧密接触后 ,原子开始相互扩散并交换电子 ,形成金属键 连接 。第二阶段为扩散 、界面迁移和孔洞消失 。与第一阶段 相比 ,该阶段中扩散的作用要大得多 。由于扩散的作用 ,大 部分孔洞消失 ,而且也会产生连接界面的移动 。该阶段通常 还会发生越过连接界面的晶粒生长或再结晶以及晶界迁移 , 使金属键连接变成牢固的冶金连接 。最后阶段为界面和孔 洞消失 。在这一阶段中主要是体积扩散 ,速度比较慢 ,通常 需要几十分钟到几十小时才能使晶粒穿过界面生长 ,原始界 面完全消失[29 - 32] 。
关键词 超塑性 超塑成形 扩散连接 超塑成形/ 扩散连接
Superplasticit y and Applicatio n of Superplastic Fo r ming/ Diff usion Bonding Technology
YU Weixin , L I Miaoquan , HU Yiqu
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
材料超塑性和超塑成形/ 扩散连接技术及应用/ 于卫新等
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可称为超塑性 。按照实现超塑性的条件和变形特点的不同 , 目前一般将超塑性分为以下几类 :组织超塑性 、相变超塑性 和其他超塑性 。实际生产中应用最广泛的是组织超塑性 。 获取这种超塑性一般要求材料具有均匀 、细小的等轴晶粒和 较好的热稳定性 。
工业应用上一般将可以使材料获得较大变形而不损坏 、 变形过程中流动应力较低且无明显加工硬化的成形方式统 称为超塑成形 ,不仅仅局限于单向拉伸变形 。如超塑性用于 挤压成形时称为超塑挤压成形 , 用于模锻时称为超塑性模 锻 。采用超塑性可以实现无模拉伸 ,生产出任意断面的棒材 与管材的零件 ,还可以进行超塑性轧制 。超塑性板料成形也
Abstract Mo st of t he engineering materials po ssess t he ability of superplasticity. As an advanced manufact u2 ring technology and based o n t he t heory of superplasticity , Superplastic Fo rming/ Diff usio n Bonding is widely used in aero space indust ry. In t his paper , t he p henomeno n of superplasticity is analysed and t he research p rogress o n t he t heo2 ry of superplastic forming is reviewed. The basic t heo ries , advantage and application of superplastic forming/ diff usio n bonding technology are int roduced , and it s develop ment t rend is forecasted.
超 塑 成 形/ 扩 散 连 接 ( Superplastic forming/ diff usion bonding ,简称 SPF/ DB) 技术是把超塑成形与扩散连接结合 起来的一种近无余量成形技术 ,它的深入发展及广泛应用对 现代航空航天结构的设计和制造产生了重大影响 ,在国外被 誉为 21 世纪大型复杂结构件的高效费比制造技术 。SPF/
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材料导报 :综述篇
2009 年 6 月 (上) 第 23 卷第 6 期
材料超塑性和超塑成形/ 扩散连接技术及应用
于卫新 ,李淼泉 ,胡一曲
(西北工业大学材料学院 ,西安 710072)
摘要 大量的工程材料都具有超塑性 ,以材料超塑性为理论基础的超塑成形/ 扩散连接技术是先进制造技术 的一种 ,在航空航天等许多工业部门得到了越来越多的应用 。分析了材料超塑性现象 ,超塑性变形机理研究进展 ,超 塑成形/ 扩散连接技术的理论基础 ,以及超塑成形/ 扩散连接复合工艺的技术优势 、研究进展和应用现状 ,并展望了超 塑成形/ 扩散连接技术的发展趋势 。
DB 技术的研究已开展 30 余年 ,20 世纪 70 年代初至 80 年代 初的 10 年是 SPF/ DB 的开发研究和试验验证阶段 ,SPF/ DB 从实验室小规模基础工艺研究和验证逐步发展到全尺寸零 件的设计 、制造和飞行试验 。20 世纪 80 年代初至今是 SPF/ DB 技术的生产应用和深入发展阶段 ,此间 SPF/ DB 工艺的 基础研究更加深入 ,生产技术得到较大发展[1] 。
1 超塑性及超塑成形 、扩散连接的理论与方法
1. 1 超塑性 ( Superplasticit y ,SP) 超塑性通常是指材料在拉伸条件下表现出异常高的延
伸率也不产生缩颈与断裂现象 。当延伸率大于 100 %时 ,即
于卫新 :男 ,1981 年生 ,博士研究生 Tel :029288460465 E2mail : yuweixin @mail. nwp u. edu. cn 李淼泉 :通讯作者 ,男 ,1964 年 生 ,教授 ,博士 ,博士生导师 E2mail :ho neymli @nwp u. edu. cn
对于给定材料来说 ,影响其超塑性的因素主要有晶粒 度 、变形温度和应变速率 。一般来说 ,晶粒越细 ,等轴度越Baidu Nhomakorabea高 ,越有利于超塑性变形 ,因为晶粒细小时晶界总面积较大 , 为晶界滑动提供了条件 ,而等轴度高有利于晶粒转动 。但对 有些材料来说 ,例如钛合金 ,其晶粒尺寸达几十微米时仍有 良好的超塑性能 。超塑性变形与许多热激活过程有关 ,因此 温度也就成为它的一个很主要的影响因素 。一般要求温度 T ≥0. 5 Tm 。但变形温度超过临界温度 Tc 时 ,继续升高变形 温度会使晶界强度进一步降低 ,材料传递外加应力的能力迅 速降低 ,而且 ,变形温度过高会使得晶粒长大速度进一步加 快 ,这两方面均对超塑性不利 。因此 ,要根据实际情况选择 合适的超塑性变形温度 。超塑性要求应变速率比较低 ,一般 为 10 - 4 ～10 - 1 s - 1 ,位于 S 曲线 Ⅱ区 ,此时应变速率敏感性指 数较大 ,有利于细颈扩散和转移 ,对超塑性有利[17 - 25] 。
国内外学者对超塑性变形机制的研究已有很多 ,其结果 不尽相同 ,但在一些方面上取得了广泛的共识 。一般认为组 织超塑性变形机制以晶界滑动和晶粒转动为主 ,但还要靠其 他变形机制进行调节 。应变速率很小时 ( S 曲线 Ⅰ区和 Ⅰ、Ⅱ 区之间的过渡带) ,认为是靠空位扩散机制来调节 。随着应 变速率的增大 ,空位扩散机制相对减弱 ,位错运动的调节作 用相对增强[4 - 12] 。位错的存在必然伴随着动态回复和动态 再结晶 ,这也是超塑性变形中的软化机制 。超塑性变形会使 微观组织出现晶粒长大 、晶粒等轴化以及晶界圆弧化等现 象 ,这是由于变形过程中存在着动态再结晶或晶界迁移以及 同相晶粒相聚与合并的过程 。晶粒长大不单纯是加热的结 果 ,而是与变形有关 。适当提高变形速度 ,可抑制晶粒长大 的倾向[ 13 - 16 ] 。
目前 ,在生产中获得应用的超塑合金有钛合金 、铝合金 、 镁合金 、锌合金 、铜合金 、碳钢 、合金钢和某些脆性材料等 。 1. 3 扩散连接 (Diff usio n bo nding ,DB)
扩散连接是把 2 个或 2 个以上的固相材料 (包括中间层 材料) 紧压在一起 ,置于真空或保护气氛中加热至母材熔点 以下温度 ,对其施加压力使连接界面微观凸凹不平处产生微 观塑性变形达到紧密接触 ,再经保温 、原子相互扩散而形成 牢固的冶金结合的一种连接方法 。
SPF/ DB 技术制造出的飞行器整体结构件 ,不仅能满足 设计上的要求 ,如质量轻 、刚性大 ;而且也能满足工艺上的要 求 ,简化零件制造过程和构件的装配过程 ,缩短制造周期 、减 少手工劳动量和降低成本 。另外 , SPF/ DB 技术还可以制造 空心结构件 。SPF/ DB 技术在减轻飞行器质量 、降低生产成 本方面显示出了巨大的优越性 ,日益得到航空航天工业的高 度重视 。目前 , SPF/ DB 技术已广泛应用于飞机 、航空发动 机 、导弹 、航天器等的生产中 。世界主要的飞机制造公司已 建立起自己的 SPF/ DB 生产能力 ,同时还涌现出大批 SPF/ DB 专业化厂[2 ,3] 。
Key words superplasticity ,superplastic fo rming ,diff usio n bo nding ,superplastic forming/ diff usio n bonding
0 引言
早在 1920 年 , Rosenhain 等发现 Zn24Cu27Al 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 。1934 年英国的 Pearson 发现 Pb2Sn 共晶合金在室 温低速拉伸时可以得到 2000 %的延伸率 。但是由于第二次 世界大战 ,这方面的研究没有进行下去 。1945 年前苏联的 Bochvar 等发现 Zn2Al 共析合金具有异常高的延伸率并提出 “超塑性”这一名词 。1964 年美国的 Backofen 提出了应变速 率敏感性指数 m 值 ,为超塑性研究奠定了基础 。20 世纪 60 年代后期及 70 年代 ,世界上形成了超塑性研究的高潮 。近 几十年来金属超塑性已在工业生产领域中获得了较为广泛 的应用 。超塑性材料正以其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 。
另外 ,电在金属材料的加工中是一个重要的环境 ,电流 或电场对位错运动 、原子和空位的活动性有比较显著的影 响 ,这也势必影响着材料的超塑性 。李淼泉等[26 - 28] 认为 ,强 电场对 L Y12CZ 铝合金超塑性变形时扩散过程的影响主要 是空位机制 ,电场强度的变化改变了试样表面层电荷的贮 量 ,降低了空位跳跃的能垒 ,改变了带负电荷的空位向试样 表面层的迁移速度 ,从而加强了超塑性变形过程中的扩散过 程 。通过实验研究发现 ,合适的电场强度会使 L Y12CZ 铝合 金超塑性变形时的准稳态流动阶段延长 ,最大流动应力明显 降低 ,单向拉伸时的极限延伸率比无电场时提高 30 %。 1. 2 超塑成形 ( Superplastic forming ,SPF)
获得较多应用 ,金属材料在超塑状态下所具有的优良塑性和 极低的变形抗力 ,使其可以像塑料一样进行气胀成形 ,包括 真空成形和吹塑成形 ,或将 2 种并用 ,也可进行超塑性板料 拉伸 ,比常规拉伸的拉伸比大得多 。
超塑成形具有诸多优点 。利用超塑性可以成形出非常 复杂的零件 ,可以使原来需要多道工序才能成形的零件 1 次 成形 ,也可以使原来因工艺要求需分部设计的组合零件改为 整体零件 ;超塑成形压力很低 ,需要的设备吨位低 ,费用少 ; 超塑成形在较低的速度下进行 ,冲击小 ,且材料的变形抗力 小 ,使模具的使用寿命延长 ;超塑成形时材料的充填性能好 , 成形精度高 , 材料利用率高 。但超塑成形有一个明显的缺 点 ,即晶粒易于粗化 ,使得强度 、塑性 、抗疲劳等机械性能有 所降低 。
为了便于分析和研究 ,通常把扩散连接分为 3 个阶段 (见图 1) :第一阶段为塑性变形使连接界面接触 。加压初期 的塑性变形可使接触面积达到连接总面积的 40 %～75 % ,后 续的接触过程主要靠蠕变进行 ,最后可达 90 %～95 % ,在金 属紧密接触后 ,原子开始相互扩散并交换电子 ,形成金属键 连接 。第二阶段为扩散 、界面迁移和孔洞消失 。与第一阶段 相比 ,该阶段中扩散的作用要大得多 。由于扩散的作用 ,大 部分孔洞消失 ,而且也会产生连接界面的移动 。该阶段通常 还会发生越过连接界面的晶粒生长或再结晶以及晶界迁移 , 使金属键连接变成牢固的冶金连接 。最后阶段为界面和孔 洞消失 。在这一阶段中主要是体积扩散 ,速度比较慢 ,通常 需要几十分钟到几十小时才能使晶粒穿过界面生长 ,原始界 面完全消失[29 - 32] 。
关键词 超塑性 超塑成形 扩散连接 超塑成形/ 扩散连接
Superplasticit y and Applicatio n of Superplastic Fo r ming/ Diff usion Bonding Technology
YU Weixin , L I Miaoquan , HU Yiqu
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
材料超塑性和超塑成形/ 扩散连接技术及应用/ 于卫新等
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可称为超塑性 。按照实现超塑性的条件和变形特点的不同 , 目前一般将超塑性分为以下几类 :组织超塑性 、相变超塑性 和其他超塑性 。实际生产中应用最广泛的是组织超塑性 。 获取这种超塑性一般要求材料具有均匀 、细小的等轴晶粒和 较好的热稳定性 。
工业应用上一般将可以使材料获得较大变形而不损坏 、 变形过程中流动应力较低且无明显加工硬化的成形方式统 称为超塑成形 ,不仅仅局限于单向拉伸变形 。如超塑性用于 挤压成形时称为超塑挤压成形 , 用于模锻时称为超塑性模 锻 。采用超塑性可以实现无模拉伸 ,生产出任意断面的棒材 与管材的零件 ,还可以进行超塑性轧制 。超塑性板料成形也