[科普中國]-超塑性成形

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(dá)到50%～60%。超塑性成形就是利用金屬材料的超塑性，對(duì)板料進(jìn)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(diǎn)，因此可以成形各種復(fù)雜形狀零件，成形后零件基本上沒有殘余應(yīng)力。

對(duì)材料進(jìn)行超塑性成形，首先應(yīng)找到該材料的超塑性成形條件，并在工藝上嚴(yán)格控制這些條件。金屬超塑性條件有幾種類型，目前應(yīng)用最廣的是微細(xì)晶粒超塑性（又稱恒溫超塑性）。

微細(xì)晶粒超塑性成形的條件如下：

1）溫度：超塑性材料的成形溫度一般在（0.5～0.7）Tm（Tm為以熱力學(xué)溫度表示的熔化溫度）。

2）穩(wěn)定而細(xì)小的晶粒：超塑性材料一般要求晶粒直徑為0.5～5μm。

3）成形壓力：一般為十分之幾兆帕至幾兆帕。

此外，應(yīng)變硬化指數(shù)、晶粒形狀、材料內(nèi)應(yīng)力對(duì)成形也有一定的影響。1

超塑性成形的宏觀特征是大變形、無縮頸、小應(yīng)力。因此超塑性成形具有以下特點(diǎn)：

①金屬塑性大為提高。比如過去認(rèn)為只能采用鑄造成形而不能鍛造成形的鎳基合金，也可進(jìn)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(dāng)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(shè)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(fù)雜、晶粒組織均勻細(xì)小的薄壁制件，其力學(xué)性能均勻一致，機(jī)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(shí)現(xiàn)少或無切削加工和精密成形的新途徑。2

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(zhǔn)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(fù)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(fù)雜零件的優(yōu)點(diǎn)。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(duì)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(shí)際中應(yīng)用較少。

超塑性成形時(shí)，工件的壁厚不均是首要問題。由于超塑性加工伸長率可達(dá)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(yīng)當(dāng)盡量不使毛坯局部過渡變薄。控制壁厚變薄不均的主要途徑有：控制變形速度分布、控制溫度分布與控制摩擦力等。2

超塑性成形包括模鍛、擠壓、軋制、無模拉拔、壓鍛、深沖、模具凸脹成形、液壓凸脹成形、壓印加工以及吹塑和真空成形。

超塑性成形的優(yōu)點(diǎn)為：

1）工具成本低。

2）具有超塑性和很低的變形抗力。

3）可以精確復(fù)制細(xì)微結(jié)構(gòu)。

4）生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間短。

5）材料的橫向疲勞強(qiáng)度、韌性及耐蝕性好。3

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(shí)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(yīng)是等軸、球形、細(xì)晶粒組織，晶粒尺寸一般不大于10μm，即d≤10μm，愈細(xì)愈好。這些材料原是指為實(shí)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(duì)超塑性特點(diǎn)認(rèn)識(shí)的深化及實(shí)現(xiàn)超塑性工藝的進(jìn)步，有些現(xiàn)有牌號(hào)的工業(yè)合金通過一定的工藝處理也可實(shí)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。

超塑變形的工藝環(huán)境主要有兩條：其一為變形溫度，超塑變形一般要求材料的溫度保持在Te≥0.5Tm（Te為實(shí)現(xiàn)超塑變形的臨界溫度，K；Tm為該材料的熔化溫度，K）。這是一個(gè)大體的溫度界限，各個(gè)材料的最佳超塑變形溫度要通過一系列實(shí)驗(yàn)求得。其二為變形速率，超塑變形的最大特點(diǎn)是它必須在一定的應(yīng)變速率（ε）范圍內(nèi)進(jìn)行，各種材料都有各自的應(yīng)變速率與δ、m、σ的關(guān)系曲線，即：

δ—ε：最大延伸率與應(yīng)變速率關(guān)系曲線；

m—ε：應(yīng)變速率敏感性指數(shù)與應(yīng)變速率關(guān)系曲線；

σ—ε：變形抗力與應(yīng)變速率關(guān)系曲線。

根據(jù)這些曲線選擇最適宜的應(yīng)變速率，一般地說，ε值大體在0.01/s～0.0001/s之間，此值要比常規(guī)的變形速率低很多，這是超塑變形最大的不足之處，它限制了生產(chǎn)率的提高，從而也限制了超塑合金的應(yīng)用范圍。

超塑性成形工藝主要包括了氣脹成形和體積成形兩類。4

超塑性氣脹成形是用氣體的壓力使板坯料（也有管坯料或其他形狀坯料）成形為殼型件，如儀器殼體、拋物面天線、球形容器、美術(shù)浮雕等。氣脹成形又包括了Female（凹模）和Male（凸模）兩種方式，如圖所示。Female成形法的特點(diǎn)是簡單易行，但是其零件的先貼模和最后貼模部分均具有較大的壁厚差。Male成形方式可以得到均勻壁厚的殼型件，尤其對(duì)于形狀復(fù)雜的零件更具有優(yōu)越性。美國Superform公司在超塑性氣脹成形及其應(yīng)用方面達(dá)到了較高水平，常年批量生產(chǎn)超塑性氣脹成形的殼型零件，其整個(gè)生產(chǎn)過程都實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制，成形的零件在航空、航天、火車、汽車、建筑等行業(yè)都得到應(yīng)用。

超塑性體積成形包括不同的方式（例如模鍛、擠壓等），主要是利用了材料在超塑性條件下流變抗力低、流動(dòng)性好等特點(diǎn)。一般情況下，超塑性體積成形中模具與成形件處于相同的溫度，因此它也屬于等溫成形的范疇，只是超塑性成形中對(duì)于材料、應(yīng)變速率及溫度有更嚴(yán)格的要求。俄羅斯超塑性研究所首創(chuàng)的回轉(zhuǎn)等溫超塑性體積成形的工藝和設(shè)備在成形某些軸對(duì)稱零件時(shí)具有其他工藝不可比擬的優(yōu)越性。這種方法利用自由運(yùn)動(dòng)的輥壓輪對(duì)坯料施加載荷使其變形，使整體變形變?yōu)榫植孔冃?，降低了載荷，擴(kuò)大了超塑性工藝的應(yīng)用范圍。他們采用這樣的方法成形出了鈦合金、鎳基高溫合金的大型盤件以及汽車輪轂等用其他工藝難于成形的零件。3

由于金屬在超塑狀態(tài)具有異常高的塑性、極小的流動(dòng)應(yīng)力、極大的活性及擴(kuò)散能力，可以在很多領(lǐng)域中應(yīng)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(lǐng)域中獲得了較為廣泛的應(yīng)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(yīng)用，尤其在航空航天領(lǐng)域已成為不可或缺的加工手段。迄今為止，超塑成形技術(shù)（SPF）的應(yīng)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?jǐn)U展到陶瓷材料、復(fù)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(fù)雜形狀構(gòu)件的生產(chǎn)中起到了不可替代的作用。

美國Superform公司和英國Superform Metals LTD公司在鋁合金、鈦合金超塑成形方面，不論是產(chǎn)品的數(shù)量還是品種都是最多的，在超塑成形技術(shù)方面居世界前列。日本最大的兩家公司Mitsubishi重工業(yè)公司和Kawasaki重工業(yè)公司最先展開了超塑成形的研究，并第一批研制了SPF專用設(shè)備。我國的研究者從20世紀(jì)70年代初開始著手超塑性的研究工作，距今已有30多年的歷史，國內(nèi)許多學(xué)校和科研院所對(duì)超塑成形進(jìn)行了研究。鈦合金超塑產(chǎn)品已在我國航空、航天、儀表、電子、輕工、機(jī)械和鐵道等各個(gè)工業(yè)部門得到有效的應(yīng)用。4