[科普中國]-超塑性成塑

超塑性是指金屬材料在某些特定的條件下，呈現(xiàn)出異常好的延伸性，這種現(xiàn)象稱為超塑性。在特定的條件下，即在低的應變速率（ε=10-2～10-4s-1），一定的變形溫度（約為熱力學熔化溫度的一半）和穩(wěn)定而細小的晶粒度（0.5～5μm）的條件下，某些金屬或合金呈現(xiàn)低強度和大伸長率的一種特性。其伸長率可超過100%以上，如鋼的伸長率超過500%，純鈦超過300%，鋁鋅合金超過1000%。

超塑性成形就是利用金屬材料的超塑性，對板料進行加工以獲得各種所需形狀零件的一種成形工藝。目前常用的超塑性成形的材料主要有鋁合金、鎂合金、低碳鋼、不銹鋼及高溫合金等1。

簡介金屬材料在某些特定的條件下，呈現(xiàn)出異常好的延伸性，這種現(xiàn)象稱為超塑性。超塑性材料的伸長率可超過100%而不產(chǎn)生縮頸和斷裂。而一般鋼鐵材料在室溫條件下的伸長率只有30%～40%，非鐵金屬材料如鋁、銅及其合金，也只能達到50%～60%。超塑性成形就是利用金屬材料的超塑性，對板料進行加工以獲得各種所需形狀零件的一種成形工藝。由于超塑性成形可充分利用金屬材料塑性好，變形抗力小的特點，因此可以成形各種復雜形狀零件，成形后零件基本上沒有殘余應力。對材料進行超塑性成形，首先應找到該材料的超塑性成形條件，并在工藝上嚴格控制這些條件。金屬超塑性條件有幾種類型，目前應用最廣的是微細晶粒超塑性（又稱恒溫超塑性）。

特點超塑性成形的宏觀特征是大變形、無縮頸、小應力。因此超塑性成形具有以下特點：

①金屬塑性大為提高。比如過去認為只能采用鑄造成形而不能鍛造成形的鎳基合金，也可進行超塑性模鍛成形，因而增加了可鍛金屬的種類。

②金屬的變形抗力很小。一般超塑性模鍛的總壓力只相當于普通模鍛的幾分之一到幾十分之一，因此，可在噸位小的設備上模鍛出較大的制件。

③加工精度高。超塑性成形加工可獲得尺寸精密、形狀復雜、晶粒組織均勻細小的薄壁制件，其力學性能均勻一致，機械加工余量小，甚至不需要切削加工即可使用。因此，超塑性成形是實現(xiàn)少或無切削加工和精密成形的新途徑2。

類型超塑性成形的基本方法有：真空成形法、吹塑成形法和模壓成形法。

真空成形法是在模具的成形型腔內(nèi)抽真空，使處于超塑性狀態(tài)下的毛坯成形。其具體方法可分為凸模真空成形法和凹模真空成形法。凸模真空成形是將模具（凸模）成形內(nèi)腔抽真空，加熱到超塑性成形溫度的毛坯即被吸附在具有零件內(nèi)形的凸模上。該法用來成形要求內(nèi)側(cè)尺寸準確、形狀簡單的零件。凹模真空成形用來成形要求外形尺寸精確，形狀簡單的零件。真空成形由于壓力小于0.1 MPa．所以不宜成形厚料和形狀復雜的零件。

吹塑成形法又稱氣壓成形法。在模具型腔中吹入壓縮空氣，使超塑性材料緊貼在模具型腔內(nèi)壁。此法與傳統(tǒng)的脹形工藝相比，有低能、低壓即可成形出大變形量的復雜零件的優(yōu)點。該方法可分為凸模吹塑成形和凹模吹塑成形兩種。

模壓成形法又稱對模成形法、偶合模成形法。用此法成形出的零件精度較高，但模具結(jié)構(gòu)特殊，加工困難，在生產(chǎn)實際中應用較少。

超塑性成形時，工件的壁厚不均是首要問題。由于超塑性加工伸長率可達1000%，以致在破壞前出現(xiàn)過渡變薄，即成為其加工的成形極限。故在成形中應當盡量不使毛坯局部過渡變薄?？刂票诤褡儽〔痪闹饕緩接校嚎刂谱冃嗡俣确植?、控制溫度分布與控制摩擦力等2。

工藝要求材料超塑現(xiàn)象的出現(xiàn)是有條件的，既要有材料本身的內(nèi)在因素，也要有變形時的環(huán)境條件。首先材料本身最好是兩相組織的共析或共晶合金，經(jīng)過一定的處理后其結(jié)晶應是等軸、球形、細晶粒組織，晶粒尺寸一般不大于10μm，即d≤10μm，愈細愈好。這些材料原是指為實現(xiàn)超塑性而專門研制的合金，如鋅合金中的Zn-22 Al、Zn-5 Al，鋁合金中的Al-6 Cu-Zr合金。隨著對超塑性特點認識的深化及實現(xiàn)超塑性工藝的進步，有些現(xiàn)有牌號的工業(yè)合金通過一定的工藝處理也可實現(xiàn)超塑性。如鈦合金中的Ti-6 Al-4V、銅合金中的黃銅、不銹鋼中的IN744，軸承鋼GCr-15、過共析鋼T12、低合金結(jié)構(gòu)鋼30CrMnSiA等，這些常規(guī)金屬材料經(jīng)過一定的工藝處理，在指定的工藝條件下也具有超塑性。

應用由于金屬在超塑狀態(tài)具有異常高的塑性、極小的流動應力、極大的活性及擴散能力，可以在很多領域中應用，包括壓力加工、熱處理、焊接、鑄造甚至切削加工等方面。近幾十年來，金屬超塑性成形已在工業(yè)生產(chǎn)領域中獲得了較為廣泛的應用，如超塑性板材氣脹成形、等溫鍛造、超塑擠壓及差溫拉伸等。利用材料的超塑性可以加工普通方法難以加工的零件，在航空航天、建筑、交通、電子等方面獲得越來越廣泛的應用，尤其在航空航天領域已成為不可或缺的加工手段。迄今為止，超塑成形技術（SPF）的應用范圍已經(jīng)發(fā)展到鋅鋁合金、鋁合金、鈦合金、銅合金、鎂合金、鎳基合金以及黑色金屬材料，現(xiàn)在又擴展到陶瓷材料、復合材料、金屬間化合物等，在航空航天以及汽車的零部件生產(chǎn)、工藝品制造、儀器儀表殼罩件和一些復雜形狀構(gòu)件的生產(chǎn)中起到了不可替代的作用3。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

張尉 - 副教授 - 西南大學