鈦合金超塑成形工藝（yì）及應用

鈦（tài）合金具有抗疲勞、比強度高、耐腐蝕耐高溫、一定的形狀記憶性能、優越的（de）力（lì）學性（xìng）質、化學性質穩定等優點,在航空航天（tiān）、化學化（huà）工等領域得到了越來越廣泛（fàn）的應用。但是（shì）鈦合金也具有彈性模量低（dī）、冷變形（xíng）抗力大、屈（qū）強比高、塑性不高、回彈嚴重、冷加工性能差等缺點,使其在加工後容易產生回彈以及各向異性（xìng）爐。因此,各國學者與（yǔ）專家加強了對（duì）鈦合金超塑性的研究。所（suǒ）謂（wèi）超塑性是指材料在（zài）一定的內部條件和外部條（tiáo）件下,呈現出異常低的流變抗力、異常高的流變（biàn）性能的現（xiàn）象。

1、鈦合金的超（chāo）塑成形工藝

1.1 鈦合金（jīn）超塑成形的條件

(1)溫度:即恒定的變形溫度。不同的（de）鈦合金其溫（wēn）度有所不（bú）同,但是大概的區間在700~1000℃之間。比如Ti-6AL-4V的溫度是850℃。

(2)應變速率:具有超塑性的金屬一般具有緩慢的應變速率,這（zhè）是因為原（yuán）子擴散需要充分多（duō）的時間（jiān）。比如Ti-6AL-4V的應變速率（lǜ）為1.3×10-4~10-3 s-1。

(3)超（chāo）細晶粒（lì）結構:要求具有（yǒu）等軸、細微（wēi）的晶粒結構,比如鈦合金的晶粒尺寸（cùn）小於3mm。

以上3個條件,除了晶粒結構是由原材料的性質來決定、作保證的以外,溫度和應變速率都可以由超塑成（chéng）形設備和工藝來保證。

1.2 鈦合金超塑成形的模（mó）具（jù）

因為（wéi）鈦（tài）合金（jīn）超塑成形的（de）溫度一（yī）般（bān）在700℃~1000℃之間,因此（cǐ）對模具的（de）材（cái）料的性質有著特殊的要求,比（bǐ）如較高的高溫強度、熱穩定性要好、熱膨脹係數要小、材料價格低（dī）廉、加工製作方麵等等,目前主（zhǔ）要有耐熱合金、耐熱鋼、陶瓷和碳纖維增強複合材料模具等等（děng）。比如碳纖維增強複合材料模具,其變（biàn）形抗力在室溫和1000℃高溫的環境下幾乎（hū）是相（xiàng）等（děng）的,而且碳纖維增強複合材料模具隻有耐熱鋼模具重（chóng）量的1%;碳（tàn）纖維增強複合材料模具在（zài）冷卻時（shí）,其收縮率小（xiǎo）於成形零件,利於零件的脫模;碳（tàn）纖維增強複合材料模具的製模設備（bèi）價格（gé）低廉。

1.3 鈦合金超塑成形的工藝

(1)高溫加熱:鈦合金（jīn）超塑成形（xíng）一般采用模具（jù）爐內加熱法,即模具放進爐內高溫加熱,直至加熱到超塑成形的溫度,再把鈦合金原料放入模具內,靠模具的（de）熱傳導使鈦（tài）合金原料升溫到超塑成形溫度。

(2)密封:因為鈦合金超（chāo）塑成形是氣壓成形,因此模具和（hé）鈦合金原料都要（yào）密封處理。

(3)真空:為了保證鈦合金零件貼膜良好,對鈦合金原料（liào）起到保護作用,要對模腔內（nèi）抽真空。

(4)刷保（bǎo）護塗料:因為鈦合金超塑成形溫度很高,為了（le）防止其氧化和（hé）吸氫,需要在鈦合金原料表麵刷上一層保護塗料,起到保護（hù）層的作用。對（duì）於保護塗（tú）料也有一定的特殊要求（qiú）,比如要可以生（shēng）成一層致（zhì）密的保護膜,且具有良（liáng）好的（de）耐高溫性、熱穩定（dìng）性和潤（rùn）滑性,對（duì）模具和鈦合金零件不能有汙染,價格要便宜,而且易（yì）於塗（tú）刷和清洗（xǐ）,比較常用的有石（shí）墨水劑、高溫油漆。

(5)充氣:由於鈦合金（jīn）超塑成形是氣壓成形,因此要向模具裏（lǐ）壓入一定壓力的（de）惰性氣體(為了防止鈦合金在高溫下氧化和吸氫),並且充氣速率要緩慢。

公司是一家集精（jīng）密機械零部件加工，北京不鏽鋼零（líng）件加工（gōng）,北京鈦合金加工各類工裝夾具、治具、非標設備設計製造以及衝壓模具、注塑模具、橡（xiàng）膠模具（jù）加工的專業廠家，是中國模具協會會員企業。

2、鈦合金超塑成形的一些實例

2.1 超塑等溫鍛造

超塑等溫鍛造是使用耐（nài）熱合金模具進行（háng）鍛造,在模具周圍包裹高（gāo）頻感（gǎn）應加熱線圈,使鈦（tài）合金原料和模具在相同的（de）溫（wēn）度下成（chéng）形,得到更（gèng）接近（jìn）需要零件持續的工件,省去後續精加工,降低（dī）成形成本。比如（rú）上海鋼研所用等溫鍛造對Ti-5AL-4Mo-9Cr-2Sn-2Zr進（jìn）行了超塑成（chéng）形,生產出超生換（huàn）能器變幅（fú）杆和帶（dài）葉片的整（zhěng）體渦輪盤,不僅（jǐn）降低了加工時間,也（yě）使成形成本降低了20%~30%。

2.2 氣壓成形

氣壓成（chéng）形是***能體現鈦合金超塑成形全部特點的工藝。它具有一次加工成形、加工簡單、加工零（líng）件尺寸不受限製、成形壓力小、模具（jù）成本低（dī）、不會產生殘餘應（yīng）力(因為是低速成（chéng）形)等優點。比如北京機電研（yán）究所利用氣壓（yā）成形製造了球底件、波（bō）紋板（bǎn）等等。

2.3 超塑性成形與（yǔ）擴散鏈接的結合

超塑成形與擴散鏈接的方法是（shì）利用材料的（de）超塑性與擴散鏈接在同一溫度下的特性,在成形的同時完成連接,製造出形狀各異的（de）整體零件（jiàn）。美國是***早利（lì）用鈦合金超塑（sù）性成形與擴散鏈接的結合的技術研究與應用的。資料顯示（shì）,1986年美國麥道公司生產的F215戰鬥機上就有鈦合金SPF/DB結構件約100個。

2.4 真空成形

真空（kōng）成形（xíng）是在超（chāo）塑性溫度範圍內（nèi）,將板材（cái）在（zài）真空環（huán）境下壓入模具成形,一般采用陶瓷（cí）模具,可以防止零件在高溫下蠕變而產（chǎn）生皺褶（zhě）。資（zī）料顯示,美國與日本已（yǐ）經利用了真空成形方法加工了（le）Ti-6AL-4V合金。

3、鈦合金超塑成形（xíng）的應用

鈦合金超塑成形主（zhǔ）要應用在航天航空領域（yù）。在國外,鈦合金超塑成形工藝已經用於BAe125行政機應急艙門（mén）的生產,使飛機減重10%,成本降低30%;用於ATP直升機檢修艙門的（de）生產,使其成（chéng）本降低40%;用於F-15戰（zhàn）鬥機隔熱板、發動（dòng）機噴口、起落架艙門、後機身（shēn）上部鈦外（wài）殼的生產,使F-15戰鬥機減重72.6Kg;用於（yú）B-1轟炸機檢修艙門、短艙（cāng）框（kuàng）架（jià）的生產（chǎn）,使B-1轟炸機減重31%,成（chéng）本降低50%。

我國開展鈦合金超塑成形工藝（yì）的研究也有快20年的曆史了,在國內,鈦合金超塑成形（xíng）已經應用於電瓶罩的生產,替代了（le）不鏽鋼件,使電瓶罩減重47%,成本降低50%;應用於發（fā）動機維護口蓋的（de）生產,代替了鋁合金鉚接件,使發動（dòng）機維護口蓋（gài）減重20.5%,成本降（jiàng）低55%。

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