1、1金属超塑性成形工艺及其发展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（例如大的延伸率）的现象。 超塑性现象最早的报道是在 1920 年，ROSENHAIN 等发现 Zn-4Cu-7Al 合金在低速弯曲时，可以弯曲近 180。1934 年， 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，这方面的研究设有进行下去。1945 年 A.A.BOCHVAR 等发现 Zn-Al 共析合金具有异常高的延伸率并提出“超塑性 ”这一
2、名词。 1964 年，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，为超塑性研究奠定了基础。金属超塑性可以分为几类，主要是以下两种：细晶超塑性（又称组织超塑性或恒温超塑性） ，其内在条件是具有稳定的等轴细晶组织，外在条件是每种超塑性材料应在特定的温度及速率下变形；相变超塑性（又称环境超塑性） ，是指在材料相变点上下进行温度循环的同时对试样加载，事次循环中试样得到累积的大变形。目前研究和应用最事的超塑性现象属于前者。从 60 年代起，各国学者在超塑性材料学、力学、机理、成形学等方面进行了大量的研究并初步形成了比较完整的理论体系。超塑
3、性既是一门科学，一又是一种工艺技术。利用它可以在小吨位设备2上实现形状复杂、其他塑性加工工艺难以或不能进行的零件的精密成形。在超塑性材料学方面，上述经典的超塑性理论对于“超塑性材料” 规定的“均匀、稳定、等轴、细晶” 的苛刻条件对超塑性的应用有很大的限制。人们从为数甚少的“天然” 超塑性材料（例如 Pb-Sn 及 Zn-Al合金等）开始，进而研制“专门” 的超塑性材料（例如 Al-Cu-Zr 合金等） ，其应用范围很小。70 年代起人们注意开发工业牌号合金的超塑性、基于上述组织条件，在超塑性变形或成形前要对材料进行细化晶粒的预处理，包括热处理和形变热处理，有些处理工艺相当繁杂，消耗了能源、人力
4、和材料。在研究中发现。许多工业合金在供货态件下，虽然不能完全满足均匀等轴细晶的组织条件，但是也具有良好的超塑性（Ti-6Al-4V 就是其中的一个典型） 。这样不用或少用细化处理工艺，可以大大提高起塑性技术的经济性。然而，供货态工业合金往往不能完全满足超塑性材料的组织条件，或是晶粒较粗大，或是不等轴、或是分布不均匀，因此其在超塑性变形中会产生一系列的问题（例如变形不均匀、各向异性等） 。这样，研究非理想超塑性材料的超塑性变形特征，掌握缺陷形成的机理并通过控制变形参数抑制缺陷的产生，用低成本的材料超塑性成形出高质量的零件，形成了一个重要的研究方向。这方面的研究是符合中国国情的。此外，从社会生产的
5、角度出发，以往材料生产厂、零件成形制造厂、机械装配厂、设备使用厂彼此脱节的现象比较严重。应该形成一个完整的体系从材料冶炼制造起就统筹考虑到零件的成形、3装配和使用，各个环节之间彼此呼应相互调节。这样对于提高整个生产的社会经济效益会产生难以估量的效果。在超塑性技术的应用中，已经有了这样一些先例，超塑性状态已成为某些工业合金的若干种供货状态之一，这对于超塑性技术的推广应用，对于成形零件的质量保证，对于生产的规模化程序化起到重要的推动作用。超塑性成形工艺主要包括了气胀成形和体积成形两类： 超塑性气胀成形是用气体的压力使板坯料（也有管坯料或其他形状坯料）成形为壳型件，如仪差壳、抛物面天线、球型容器、美
6、术浮雕等。气胀成形又包括了 Female 和 Male 两种方式。 Female 成形法的特点是简单易行，但是其零件的先帖模和最后贴模部分具有较大的壁厚差。Male 成形方式可以得到均匀壁厚的壳型件，尤其对于形状复杂的零件更具有优越性。美国 Superform 公司在超塑性气胀成形及其应用方面达到了较高水平，常年批量生产超塑性气胀成形的壳型零件，其整个生产过程都实现了计算机控制，成形的零件在航空、航天、火车、汽车、建筑等行业都得到应用。 超塑性气胀成形与扩散连接的复合工艺（SPFDB）在航空工业上的应用取得重要进展，特别是钛合金飞机结构件的 SPFDB 成形提高了飞机的结构强度，减少了飞机重量
7、，对航空工业的发展起到重要作用。 超塑性体积成形包括不同的方式（例如模锻、挤压等） ，主要是利用了材料在超塑性条件下流变抗力低，流动性好等特点。一般情况下，超塑性体积成形中模具与成形件处于相同的温度，因此它也4属于等温成形的范畴，只是超塑性成形中对于材料，对于应变速率及温度有更严格的要求。俄罗斯超塑性研究所首创的回转等温超塑性成形的工艺和设备在成形某些轴对称零件时具有其他工艺不可比拟的优越性。这种方法利用自由运动的辊压轮对坯料施加载荷使其变形，使整体变形变为局部变形，降低了载荷，扩大了超塑性工艺的应用范围。他们采用这样的方法成形出了钛合金、镍基高温合金的大型盘件以及汽车轮毂等用其他工艺难于成形
8、的零件。 早期由于超塑性现象仅限于 Bi-Sn 和 Ai-Cu 共晶合金、Zn-Al共析合金等少数低熔点的有色金属，也曾有人认为超塑性现象只是一种特殊现象。随着更多的金属及合金实现了超塑性，以及与金相组织及结构联系起来研究以后，发现超塑性金属有着本身的一些特殊规律，这些规律带有普遍的性质。而并不局限于少数金属中。因此按照实现超塑性的条件（组织、温度、应力状态等）一般分为以下几种：1. 恒温超塑性或第一类超塑性。根据材料的组织形态特点也称之为微细晶粒超塑性。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。在一定的温度区间（Ts0.5Tm，Ts 和 Tm 分别为超塑变形和材料熔点
9、温度的绝对温度）和一定的变形速度条件下（应变速率在 10-410-1/S 之间）呈现超塑性。这里指的微细晶粒尺寸，大都在微米级，其范围在 0.55 之间。一般来说，晶粒越细越有利于塑性的发展，但对有些材料来说（例如 Ti 合金）晶粒尺寸达几十微5米时仍有很好的超塑性能。还应当指出，由于超塑性变形是在一定的温度区间进行的，因此即使初始组织具有微细晶粒尺寸，如果热稳定性差，在变形过程中晶粒迅速长大的话，仍不能获得良好的超塑性。2. 相变超塑性或第二类超塑性，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。例如
10、碳素钢和低合金钢，加以一定的负荷，同时于 A1,3 温度上下施以反复的一定范围的加热和冷却，每一次循环发生（ )的两次转变，可以得到二次条约式的均匀延伸。近年来超塑性在我国和世界上主要的发展方向主要有如下三个方面：1. 先进材料超塑性的研究，这主要是指金属基复合材料、金属间化合物、陶瓷等材料超塑性的开发，因为这些材料具有若干优异的性能，在高技术领域具有广泛的应用前景。然而这些材料一般加工性能较差，开发这些材料的超塑性对于其应用具有重要意义； 2. 高速超塑性的研究：提高超塑变形的速率，目的在于提高超塑成形的生产率； 3. 研究非理想超塑材料（例如共货态工业合金）的超塑性变形规律，探讨降低对超塑
11、变形材料的苛刻要求，而提高成形件的质量，目的在于扩大超塑性技术的应用范围，使其发挥更大的效益。 超 塑 形 成 形 的 应 用 有 以 下 几 个 方 面 ：61)异 型 材 挤 压 由 于 静 液 挤 压 时 可 以 获 得 良 好 的 润 滑 条 件 和 均 匀 涂 层 流 动 状态 ， 因 而 特 别 适 合 于 内 表 面 或 外 表 面 带 有 细 小 复 杂 筋 条 ， 且 形 状与 尺 寸 精 度 和 表 面 质 量 要 求 高 的 各 种 异 型 管 材 与 棒 材 的 成 形 。 静液 挤 压 可 以 在 较 低 温 度 下 实 现 大 变 形 程 度 的 高 速 挤 压 ，
12、 所 以 对 于一 些 高 强 度 铝 合 金 ， 由 于 高 温 脆 性 的 缘 故 ， 在 普 通 挤 压 机 上 ， 只能 采 取 很 低 的 速 度 进 行 挤 压 ； 而 静 液 挤 压 可 以 将 挤 压 温 度 降 低 至200 300 ， 这 样 既 可 以 避 免 高 温 脆 性 又 可 以 大 幅 度 提 高 挤 压 速 度 。 采 用 静 液 挤 压 法 ， 铜 及 铜 合 金小 尺 寸 管 材 可 用 高 达 数 百 的 挤 压 比 实 现 一 次 挤 压 成 形 ， 大 大 简 化了 生 产 工 艺 。 同 时 ， 由 于 挤 压 温 度 较 低 ， 可 获 得 细
13、小 再 结 晶 组 织的 制 品 。 2)难 加 工 材 料 挤 压 钛 合 金 型 材 ， 特 别 是 薄 壁 型 材 ， 采 用 普 通 挤 压 方 法 成 形 十 分困 难 。 采 用 静 液 挤 压 法 挤 压 钛 合 金 时 ， 挤 压 温 度 可 大 大 降 低 ， 且挤 压 制 品 具 有 尺 寸 精 度 高 ， 表 面 质 量 好 ， 性 能 均 匀 等 特 点 ， 同 时 ，还 可 以 提 高 挤 压 制 品 的 力 学 性 能 。 3)高 温 合 金 挤 压 利 用 静 液 挤 压 强 烈 的 三 向 压 应 力 作 用 ， 可 以 改 善 金 属 的 变 形能 力 ， 进
14、 行 镍 基 合 金 、 金 属 间 化 合 物 等 高 温 合 金 零 部 件 的 直 接 成形 。 4)难 熔 金 属 材 料 挤 压 7大 多 数 难 熔 金 属 因 其 变 形 抗 力 大 、 塑 性 差 ， 采 用 常 规 挤 压 法挤 压 难 熔 金 属 难 度 大 。 在 900 1500 高 温 下 ， 难 熔 金 属 不 能 在空 气 介 质 中 成 形 ， 因 为 金 属 易 与 气 体 发 生 作 用 ， 使 性 能 显 著 劣 化 。采 用 静 液 挤 压 法 ， 以 玻 璃 -石 墨 混 合 物 为 高 压 介 质 ， 使 部 分 难 熔 金属 挤 压 成 为 可 能
15、 。 5)粉 体 材 料 挤 压 热 静 液 挤 压 同 时 具 有 热 等 静 压 和 挤 压 成 形 两 种 功 能 ， 尤 其 适合 于 粉 体 材 料 的 直 接 挤 压 成 形 。 例 如 ， 在 钢 质 包 套 中 以 70%的 相对 密 度 填 充 高 速 钢 粉 末 ， 然 后 进 行 热 静 液 挤 压 ， 可 以 获 得 与 铸 造坯 料 经 锻 造 后 材 料 力 学 性 能 的 制 品 。 采 用 热 等 静 压 工 艺 处 理 ， 然 后 在400 500 温 度 下 进 行 静 液 挤 压 ， 可 以 获 得 致 密 无 缺 陷 的 SiC 纤维 强 化 铝 基 复
16、 合 材 料 。 6)包 复 材 料 挤 压 利 用 金 属 流 动 均 匀 和 具 有 高 静 水 压 力 作 用 等 特 点 ， 静 液 挤 压非 常 适 合 于 各 种 包 复 材 料 (或 称 层 状 复 合 材 料 )的 成 形 。 例 如 ,冷 静 液 挤 压 的 铜 包 铝 复 合 材 料 ， 在 高 温 下 金 属 间 化 合物 的 包 复 材 料 的 成 形 。 由 于 高 温 和 高 压 作 用 ， 容 易 获 得 具 有 完 全冶 金 接 合 的 界 面 接 合 质 量 。 近年来，超塑性主要的研究前沿是“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、金属属化
17、合物、陶瓷等，由于它们具有某些优异的性能（例如强度、高温性能等） ，得到很大发展。8然而这些材料却有其共同的不足之处难于加工成形，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，然而这些材料超塑性的应用尚有一定的距离。 超塑性成形虽然具有上面所述的一些优点，但是超塑性成形一般生产率较低。又需要较高的温度，这是该工艺没有得到较大推广的重要原因。提高超塑性变形速率是近几年国际上超塑性学者探讨的重要方向，其目标是实现超塑性技术在汽车工业等重要工业领域中得到应用用前实现高速率超塑性的途径只有一个，这就是细化晶粒。研究报道表明：当晶粒细化至纳米数量级时，超塑性变形速率可以提高 34 个数量级。但由于提高速率的主要目的在于超塑性技术的开发应用，所以这方面的研究要特别注意综合效益，不能因为细化晶粒投资过高而使超塑性技术失去应用价值。成型 091王凯飞2009101171
