超塑性成形的发展状况

超塑性成形的发展状况

摘要:金属材料的超塑性是指金属在特定条件下,具有更大的塑性。本文主要介绍了超塑性成形的主要发展历程,超塑性成形的主要应用,非金属材料的超塑性研究和国内外的发展现状。

关键词:超塑性金属材料成形

一、绪论

近年来,高温合金和钦合金的使用不断增加,尤其是在宇航飞行器及其发动机生产中。这些合金的特点是:流变杭力高,可塑性低,具有不均匀变形所引起机械性能各向异性的敏感性,难于机械加工及成木高昂。如采用普通热变形锻造时,机械加工的金属损耗达80%左右,如采用超塑性成形方法,就能改变锻件肥头大耳的落后状况。

金属材料的超塑性是指金属在特定条件(晶粒细化.极低的变形速度及等温变形)下,具有更大的塑性。如低碳钢拉伸时延伸率只有30~40%,塑性好的有色金属也只有60~70%,但超塑性状态。一般认为塑性差的金属延伸率在100~200%范围内,塑性好的金属延伸率在500~2000%范围内。

要使超塑性出现,必须满足某些必要条件。首先必须使金属具有0.25-2.5μm的极细晶粒,即必须小于一般晶粒大小的十分之一。其次,当温度达金属熔点一半以上时,具有一般晶粒金属的晶粒便开始长大,而这时细晶粒金属的晶粒保持稳定。因此,超塑性除要求有极细的晶粒度外,还必须具有高的延伸率和低的屈服应力,并以低的变形速率在高于熔点一半的温度下进行加工。

二、超塑性成形的发展

早在1920年,德国W.Rosenhain等人将冷轧后的Zn-Al-Cu三元共晶合金的铝板慢速弯曲的时候,发现这种脆性材料被弯成180°而未出现裂纹,它和普通晶体材料大不相同。他们推断这种负荷速度有密切依赖关系的异常现象,可能是由于加工产生了非晶质。1934年,英国C.E.pearson初次对共晶合金的异常弯曲进行了详细研究。这种合金的挤压材料很脆,容易破裂,可是 C.E.pearson 将其缓慢拉伸,得到了伸长率为2000%的试样。很奇怪的是这种慢速大延伸的金

属,在落地实验中呈脆性断裂,这是一个更大的发现,在当时虽然引起了一部分人的强烈反响,但在第二次世界大战的却被搁置了。

第二次世界大战后,前苏联科学家对金属的异常延伸现象进行了系统研究,用Zn-Al共析合金在高温拉伸试验中得到异常的伸长率,并应用于“超塑性”这个词汇。1962年,美国E.E.Underwood发表了一篇评论解说性文章,从冶金学的角度分析了实现超塑性成形的可能性、条件及基本原理。人们评价这篇文章是超塑性研究的总结。从此超塑性研究引起了人们越来越多的重视。

三、超塑性成形的应用

由于金属及合金在超塑性状态具有异常好的塑性和极低的流动应力,对成形加工极为有利。对于形状极为复杂或变形量很大的零件,都可以一次成形。从已报导的成形已有多种形式,如板料成形,管材成形,无模拉丝,吹塑成形和各种挤压,模锻等。利用这种异常的塑性,有些原来很多零件拚合成的部件,现在可以用超塑性成形一次加工出来,减轻了零件的重量,节约大量加工工时。具体应用介绍如下:

1、板料深冲

锌铝合金等超塑性板料,在法兰部分加热,并在外围加油压,一次能拉出非常深的容器。如果在冲头下部和拉伸好的筒部采用冷却装置,深冲比H/dp=11是普通拉深的15倍,而且拉深速度在5000毫米/分时深冲系数不变。超塑性成形件最大特点是没有各向异性,拉伸的杯形件没有制耳。

2.板料吹塑成形(气压成形)

这是在超塑性材料的延伸率高和变形抗力小的前提下,受到塑料板吹塑成形的启发而发展起来的新工艺。用于Zn-22%A1, A1-6 %Cu-0.5%Zr和钛合金的超塑性板料成形。利用凹模或凸模上的形状,把板料和模具加热到预定的温度,用压缩空气的压力,使压紧的板料涨开贴紧在凹模或凸模上,以获得所需形状的薄板工件。目前能加工的板料厚度为0.4~4毫米。根据工件要求在它的表面上或在内腔内有清晰的形状和花纹,选用凹模内或凸模上成形。

3.挤压和模锻

近年来高温合金和钛合金的应用不断增加,尤其是国防工业生产中。这些合金的特点是:流变抗力高,可塑性极低,具有不均匀变形所引起机械性能各向异

性的敏感性,难于机械加工及成本昂高。如采用普通热变形锻造时,机械加工的金属损耗达80%左右,而机械加工的性能是很差的,所以往往不能满足零件所需的机械性能。但是采用超塑性模锻方法,就能改变过去肥头大耳的落后的锻造工艺。

四、应用举例

美国军工材料-机械研究中心用超塑性模锻法成功地制成了直升飞机用的Ti-6AL-4V钛合金风扇叶轮。该叶轮直径为34Omm。叶片厚度为4mm,模具材料采用MAR一M200镍基铸造高温合金,毛坯加热温度为950℃,模具温度为870℃,平均单位压力为11.9kg/mm2,超塑性模锻件重10kg,而普通模锻件重24kg。加工后成品叶轮净重4.8kg。

五、超塑性成形的发展现状

超塑性成形的主要研究前沿是“先进材料的超塑性开发”。所谓先进材料是指金属基复合材料、金属化合物、陶瓷等,由于他们具有某些优异的性能(例如强度、高温性能等),所以可以得到很大的发展。然而这些材料却有其共同的不足之处-难于加工成型,因此开发这些材料的超塑性具有重要意义。近年来其中一些材料的超塑性已经达到很高的指标,然而这些材料的超塑性应用上有一定的距离。

超塑性成型的历史尚短,仍属于新兴工艺,对各种材料的各种成型工艺过程,还在不断地实验、比较、淘汰、选择、发展和完善、从目前的发展趋势上来看,有下述几点值得注意。

1.成型大型金属结构及相关成型设备。采用超塑胀形工艺来成型大型金属结构具有显著的技术经济效益。这一类金属结构在美国的B-1型飞机和F14A、F15、F18飞机以及英国的直升飞机上获得应用,其中最大的构件是B-1机的发动机舱门,平面尺寸达到2790*1520cm。与这种成型工艺相适应设备研究也在发展,这种设备与通用液压机有很大的区别,对于整个成型过程采用自动控制。目前,美国已推出系列机型,英国、日本也有使用的报道。

2.陶瓷材料与复合材料的超塑性。国际上,陶瓷材料的超塑性研究有很大进展。日本物质和材料研究机构最近开发成功一种具有超塑性的新型陶瓷。这种陶瓷在高温下能够像金属一样被拉长,可以用来制造形状复杂的机械零件。这种新

陶瓷是把钴、铝和尖金石三种材料在一起用一般方法烧制出来的。实验结果表明,1cm的材料片在1650℃的高温下,其应变速度1s可拉长1cm,是一般陶瓷的大约100倍。它可以像金属一样,进行轧制和锻造,制造发动机和涡轮机零件等产品。

我国的陶瓷材料超塑性研究也列入了863高技术研究规划之列。此外,以金属超塑性材料为基体的复合材料的研究也在进行中,从制备(包括材料设计)、性能测试、成型实验等诸多方面发展。比如,在金属基超塑性材料中加入SiC 纤维形成的超塑性材料,可以达到超塑性气压胀形的要求。

六、超塑性的发展方向

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。

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