超塑性的概念

1.1超塑性的概念 超塑性是指材料在特定条件下，表现出异常高的塑性而不产生缩颈与断裂的现象。但至今还没有从物理本质上的确切定义。有的以拉伸试验的延伸率来定义，认为?>200%即为超塑性；有的以应变速率敏感性指数m来定义，认为m>0.3，即为超塑性；还有的认为抗颈缩能力大，即为超塑性。 1.2超塑性的分类 根据目前世界上各国学者研究的成果，按照实现超塑性的条件（组织，温度，应力状态等）可将超塑性分为三类： 1.微晶组织超塑性（即恒温超塑性或结构超塑性）一般所指超塑性多属这类，它是国内外研究最多的一种。当材料是微细的等轴晶粒组织，间距为0.5一5μm，温度大于该材料熔点温度的一半，应变速度为10-4一10-1/s之间时，材料拉伸断裂将呈现超塑性变形的能力。 2.相变超塑性（变温超塑性或动态超塑性） 将材料在相变温度附近进行热循环，利用相变过程，每一次热循环贡献一小?的应变，从而在多次热循环过程中获得大的延伸率。 3.内应力超塑性 和相变超塑性一样进行热循环，利用材料的热膨胀系数的差异产生内应力，?内应将有助于基体的塑性流动，从而使材料获得超塑性。 1.3超塑性的特点 金属塑性成形时宏观变形有几个特点:大延伸、无缩颈、小应力、易成形。 （1）大变形：超塑性材料在单向时延伸率极高，有的可以到8000%表明超塑性材料在变形稳定性方面要比普通材料好很多。这样使材料的成形性能?大大改善，可以使许多形状复杂，一般难以成形的材料变形成为可能。 （2）无紧缩：超塑性材料的变形类似于粘性物质的流动，没有（或很小）应?变硬化效应，但对应变速率敏感，当变形速度增大，材料会强化。因此，?超塑性材料变形时初期有紧缩形成，但由于紧缩部位变形速度增大而发?生局部强化，而其余未强化部分继续变形，这样使紧缩传播出去，结果?获得巨大的宏观均匀变形。超塑性的无紧缩是指宏观上的变形结果，并?非真的没有紧缩。 （3）小应力：超塑性材料在变形过程中，变形抗力可以很小，因为它具有粘?性或半粘性流动的特点。通常用流动应力来表示变形抗力的大小。在最?佳变形条件下，流动应力要比常规的变形的小到几分之一乃至几十分之?一。 （4）易成形：超塑性材料在变形过程中没有或只有很小的应变硬化现象，所?以超塑性材料易于加工、流动性和填充性好，可以进行多种方式成形，?而且产品质量可以大大提高。 1.4超塑性发展概况 超塑性是指在应力作用下产生异常大的拉伸变形而不破坏的能力。超塑性合金能产生百分之百甚至百分之几千的拉

伸形变，如Higashi等报道了一种铝合金能产生大于5500%?的拉伸形变。材料展现超塑性的判据为：延伸率>?100%，应 变速率敏感性指数m>0.3。超塑性现象最早的报告是在1920年，ROSENHZIN等发现Zn-4Cu-7Al合金在低速弯曲时，可以弯曲近180度。1934年，英国的C.P.PEARSON发现Pb-Sn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A.A.BOCHVAR等发现Zn-Al共析合钛合金超塑产品已在航空、航天、仪表、电子、轻工、机械和铁道等各个工业部门得到有效的应用。如国内已锻出了带有密排轴向叶片的钛合金涡轮盘和没有焊缝的整体钛合金高压球罐，使生产率提高几十倍到二百倍，成本降低到原有成本的1/8—1/10。另外钛合金超塑成品包括航天工业中的卫星不见、导弹外壳、推进剂贮箱、整流罩、球形气瓶、圆锥容器、波纹板、各种梁和框结构以及发动机不见和火箭气瓶等。但我过超塑性应用和国外的成批量商品化生产还有一定的差距。 在民用方面，北京超塑性新技术有限公司生产的超塑合金槽桶，是为纺织工?业对纱线质量要求越来越高、络筒机不断趋向高速化而研制的高新技术产品。由?于采用了超塑成形技术中的气胀成形工艺以及高精度的模具，可精确地保证精确?的槽形。现以开发出多种规格的金属槽筒，可以用于络制不同缀度筒子以平行筒?子，供整经、染色、并纱、并捻、针织、无梭织布等工序使用。超塑材料的深加?工产品应用和市场前景也很开阔，如工艺美术制品、路灯灯罩、卫星电视接收天?线、仪表壳体、录音机飞轮、空调排风罩等。超塑气胀成形工艺可满足灯饰灯具?类产品空心薄壳、外观造型复杂的要求、还可以用于制作结构复杂、表面有花纹?的高级餐具、包装盒等。高的延伸率并提出“超塑性”这一名词。1964年，美国的W.A.BACKOFEN对Zn-Al合金进行了系统的研究，并提出了应变速率敏感性指数m值这个新概念。此后，许多学者对超塑性材料特性及变形机理进行了深入的研究，超塑性研究引起了工业界的关注。七十年代以后，各工业发达国家开始重视和开发超塑性技术，掀起了超塑性理论研究及应用的热潮。除了早期已经研究的共晶和共析型超塑性合金外，有开展了铜合金，钛合金，铝合金，不锈钢。高碳钢，铸铁等多种金属材料的超塑性研究。研究范围不断扩大，几乎涉及到了所有金属材料，已经发现具有超塑性的金属及合金达到了200种以上，其中最大延伸率可达8000%，有些材料（特别是铝合金）就有良好的超塑性，因此，超塑性现象已由个别金属材料的特异现象发展成

为许多金属材料的普遍性能，超塑性研究也已经发展成为涉及金属材料学、金属物理、热处理、力学以及塑性加工等多学科知识的边缘学科。 超塑性材料最早被应用于生产实际是在1968年，英国的Reland汽车公司和RioTinto锌公司由于采用了锌铝合金超塑性成形小轿车的上盖和车门内板而轰动一时，开创超塑性技术的实用先例。70年代初，C.H.Hamilton等人的研究使钛合金制造工艺发生了技术性革命。此后，在航空航天领域，利用钛合金，铝合金等材料的超塑性和超塑性状态下良好的固态粘合性能发展起来的超塑成形和超塑成形/扩散连接（SPF/DB:Superlastic?Forming/Diffusion?Bonding）组合工艺的研究和应用得到了迅速发展，欧美及日本等许多国家相继投入了大量人力，物力和财力，开展超塑性成形技术研究，技术进步很快，取得了明显技术和经济效益。例如：在由美国空军资助的组合式，低成本，先进钛合金计划－“BLAST”计划中就有钛合金SPF和SPF/DB的重点研究项目，这个计划主要研制F-15战斗机后机身壳体构件，有洛克威儿、麦道、格鲁曼及波音四家大公司参加。从该计划的研究结果表明，与采用普通钛合金结构相比，采用钛合金超塑成形，超塑成形/扩散连接组合工艺制造飞机构件可节约成本50%，减重30%。 近十年来，日本在超塑性成行工业研究方面取得了长足的进展。日本超塑性成形的工业应用虽然比欧洲和美国要晚，但却有其特色。日本最大的两家公司Mitsubishi重工业公司和Kawasaki重工业公司最先展开了超塑性的研究，并第一批研制了SPF专用设备。日本还有一些其他的公司，进行钛合金、双相不锈钢和铝合金的超塑性成形，用超塑性方法成批生产成批大型客机的内部零件、轿车和公共汽车零件及厨房用品等。 我国的研究者从20世纪70年代初开始着手超塑性的研究工作，距今已有30多年的历史。在这段时间里，国内许多学校和科研院所对超塑性成形进行了研究。钛合金超塑产品已在航空、航天、仪表、电子、轻工、机械和铁道等各个工业部门得到有效的应用。如国内已锻出了带有密排轴向叶片的钛合金涡轮盘和没有焊缝的整体钛合金高压球罐，使生产率提高几十倍到二百倍，成本降低到原有成本的1/8—1/10。另外钛合金超塑成品包括航天工业中的卫星不见、导弹外壳、推进剂贮箱、整流罩、球形气瓶、圆锥容器、波纹板、各种梁和框结构以及发动机不见和火箭气瓶等。但我过超塑性应用和国外的成批量商品化生产还有一定的差距。在民用方面，北京超塑性新技术有限公司生产的超塑合金槽桶，是为纺织工业对纱线质量要求越来越高、络筒机不断趋

向高速化而研制的高新技术产品。由于采用了超塑成形技术中的气胀成形工艺以及高精度的模具，可精确地保证精确的槽形。现以开发出多种规格的金属槽筒，可以用于络制不同缀度筒子以平行筒子，供整经、染色、并纱、并捻、针织、无梭织布等工序使用。超塑材料的深加工产品应用和市场前景也很开阔，如工艺美术制品、路灯灯罩、卫星电视接收天线、仪表壳体、录音机飞轮、空调排风罩等。超塑气胀成形工艺可满足灯饰灯具类产品空心薄壳、外观造型复杂的要求、还可以用于制作结构复杂、表面有花纹的高级餐具、包装盒等。 1.5超塑技术的领域拓展 1．基于应用需求 随着航天器的飞行速度的提高，尤其是高超声速(Ma>5)飞行器的研制进展，常规结构材料已不能满足高温条件，一些耐高温的结构材料如陶瓷、金属间化合物成为研究的热点。但这些材料的共同特点是塑性加工性能差，开发其超塑性显然可以提供一条方便、有效、经济的成形加工途径。许多种金属间化合物、金属基复合材料和陶瓷已被证明可以具有超塑性，并且得到了不亚于金属的拉伸变形。现代先进材料的超塑性及超塑成形技术的开发、研究是世界瞩目的研究课题，在这方面我国起步较晚，现仍局限于理论研究和试验室小件试制，尚未得到工程应用。 2．基于成本优势 对于常规金属材料，比如铝合金、镁合金等，其超塑性机理研究基本完成，发挥超塑成形技术的成本优势和技术效益，应用于零件生产成为研究关键。比如新一代尾翼稳定型脱壳穿甲弹，采用LC4-CS超硬铝合金作为尾翼材料。但尾翼零件的加工采用传统的机械加工工艺，加工工艺复杂、难度大、工序多、时间长，成形的零件成品率高，一致性好，更体现出超塑成形工艺的先进性。在工艺的智能控制研究方面，在硬件(自动化超塑成形设备)及软件(优化准确的工艺流程和参数)上都有很大欠缺，可研究的空间很大。且将90%的铝合金转化为铝屑，使生产成本进一步提高。精铸或压铸工艺在力学性能上达不到要求。通过超塑成形工艺可成功解决以上问题，采用供应态LC4铝合金，可超塑成形完好的尾翼零件， 综合性能高于供应态LC4-CS材料，完全可以替代机械加工尾翼，满足使用要求。且材料利用率从原工艺的?10%提高到66%，单件加工工时从5.7h减少到1.9h。对于许多板筋、框架等加工量大、工艺复杂、不适合传统机械的零件，超塑成形无疑能发挥巨大的技术效益和成本优势，具有广阔的拓展空间。 1.6超塑技术的纵深研究 世界上超塑性的研究已开展了四十年，70年代形成了“超塑热”，现在也有不少的专家教

授在从事超塑性研究。然而，迄今为止超塑性技术尚未发挥其应有的作用。其主要原因在于研究的范围在不断拓展，但纵深性不够，很多研究工作还停留在理论和试验室，由于在理论上尚未吃透、工程上缺乏经验，超塑技术在工程上的应用受到阻碍。超塑技术想在关键承力结构件上得以应用，必须进行艰苦细致的工作，在关键环节上进行纵深研究。?1．先进稳定的工艺研究 超塑性成形是一种新工艺，它的特点是，可以利用小吨位设备进行具有大变形量的复杂零件的成形。然而这种工艺也有缺点，主要是成形速度慢。工程应用中应注意发挥超塑成形技术的优越之处，专门成形其它塑性工艺难以甚至不能成形的重要零件，这样就显示出了超塑工艺的先进性。另外超塑性成形与传统成形方法相比，生产环境较为复杂，生产过程中不可控因素较多，加上生产经验积累不足，导致生产工艺的不稳定性。因此，须针对典型超塑部件，重点突破关键工艺，并对已有的工艺应进行完善和稳定化，这是产业化的基础。?2．辅助环节的研究 抓住每一工艺环节，包括辅助环节。超塑性成形工艺本身包括材料的加热―入模预热―加压成形―出模―校形―热处理等环节，这仅仅是成形工艺的主线，模具的设计、制造、加热、维护、润滑剂的选择与使用，成形设备的设计、使用、维护及改进等，也都直接关系到超塑性成形工艺的成败。实际上，我国在超塑领域与发达国家的差距更多的体现在模具、成形设备等辅助环节上，其原因在于基础工业的相对落后，导致在模具设计的先进性、成形设备的智能化等方面满足不了超塑成形所需条件，成为超塑技术发展的瓶颈。?3．工艺的智能控制研究 现在一些大的超塑成形研究公司如美国的SUPERFORM公司已经对超塑成形全程计算机机控制，只要事先输入数据，成形设备就可以自动按时准确的进行加温―加压―充气―放气等动作，工人只用放入坯料，取出好的零件。这种超塑性成形的零件成品率高，一致性好，更体现出超塑成形工艺的先进性。在工艺的智能控制研究方面，在硬件(自动化超塑成形设备)及软件(优化准确的工艺流程和参数)上都有很大欠缺，可研究的空间很大。?4．产品质量、成本控制研究 超塑成形产品要想真正得以应用尤其是在航天器关键结构件上得以应用,必须进行产品质量、成本控制研究。现在的很多技术发展都是基于这个原则进行的，比如目前很热的钛合金渗氢技术，以获得低温(700℃左右)超塑性，可以大幅度降低成本，更重要的是可防止晶粒长大，提高最终材料性能，保障产品质量。另外，超塑成

形中的材料性能变化、变薄率的研究等都应给予高度的关注。?国外工业发达国家的超塑成形技术已发展到成熟的工程应用阶段，很多航天、航空公司都有自己的超塑研究、生产部门，形成规模效益，并互相竞争，加速技术发展。而我国目前仅有少数单位能生产合格超塑产品，并且技术还相当落后。所 以在超塑领域不断拓宽的同时，更需对关键技术、关键产品进行纵深研究，“变热点为亮点，以宽度换深度”，培养几个具有自己技术特色的研究、生产单位。对于技术相对落后且有巨大背景需求的研究单位，应采取“以背景换技术，用需求促发展”的战略，与拥有先进技术的公司、学校合作，以提升自身的研发能力，迅速发展壮大自己，在超塑成形领域占有一席之地。 1.7超塑成形/扩散连接复合工艺流程 超塑成形/扩散连接复合工艺技术是?20?世纪?70?年代发展起来的一种低成本、高效率的构件制造技术，是成形先进材料的一种非常重要的技术手段。采用该工艺可以降低零件整体重量，使复杂薄壁零件整体化，缩短制造周期，提高零件的整体性能。材料在超塑性状态下，变形抗力较小，流动应力一般在10~20MPa范围内，因而成形同样尺寸的零件所需设备吨位较小。七十年代，美国洛克威尔公司首先将超塑成形与扩散连接技术相结合，发明了超塑成形/扩散连接组合技术。利用该工艺可以成形结构复杂的钛合金空腔结构件，在制造成本上也富有竞争力。超塑成形/扩散连接组合技术（SPF/DB）工艺包括气压作用下的超塑成形（SPF）和在需要部位进行扩散连接（DB）两道工序。其中，SPF?是将金属板材夹持在凹模和模盖之间，升温至超塑变形温度，施加气压，使板材在适当的应力和应变速率下延展变形的工艺过程。DB?是在被连接的表面不足以引起塑性变形的压力和低于被连接工件熔点的温度条件下，使接触面在形成或不形成液相状态下产生固态扩散而达到连接的方法。不希望?DB?的部位预先涂阻焊剂，成形后芯板形状由阻焊剂的图案决定。SPF/DF工艺流程如图1.1。 图1.1?SPF/DB?工艺流程 1.8?超塑成形/扩散连接技术应用现状