超塑性钛合金在航空航天领域的应用.doc

石河子大学机械电气工程学院
机械工程材料•新型材料课题论文

课题论文题目：超塑性合金在航空航天领域的应用
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《机械工程材料》课程组
2012年11月26日

超塑性钛合金在航空航天领域的应用
摘要：钛及钛合金具有比强度高、耐腐蚀、耐高温等优良性能，在航空航天、舰艇、化工等领域得到日益广泛的应用。阐述了航空航天用钛合金盘件的研究现状，重点介绍了高性能钛合金盘件的制备工艺，包括粉末冶金热等静压成形和超塑性等温锻造成形。分析了钛合金盘件在航空航天领域的应用现状，并探讨了航天航空用钛合金盘件的发展趋势。
关键词：钛合金；超塑性；超塑性成形；扩散连接
1，超塑性合金的定义：
超塑性合金是指那些具有超塑性的金属材料。超塑性是一种奇特的现象。具有超塑性的合金能像饴糖一样伸长10倍、20倍甚至上百倍，既不出现缩颈，也不会断裂。金属的超塑性现象，是英国物理学家森金斯在1982年发现的，他给这种现象做如下定义：凡金属在适当的温度下（大约相当于金属熔点温度的一半）变得像软糖一样柔软，而应变速度10毫米秒时产生本身长度三倍以上的延伸率，均属于超塑性。根据金属材料的结构和变形条件(温度、应力)，可超塑性合金大致划分为微晶超塑性合金，相变超塑性合金2大类。由于钛合金在超塑状态具有异常高的塑性，极小的流动应力，极大的活性及扩散能力，可以在很多领域中应用。
2，钛合金的结构特点：
钛合金的结构特点决定了它们不仅有良好的高温强度，较好的抗氧化性和抗腐蚀性，而且密度较小，因此是理想的航天和航空材料。当前世界上研究较多的钛合金有TiAl、Ti3Al等。然而，这些材料的室温塑性和韧性一般较差；加工性能较差。在其主要优点不受很大损失的前提下，改善其塑性、韧性及加工性。而实现这些目标的主要措施是添加合金元素以形成塑性较好的第二相，超塑性钛合金的实现一般还需要通过一定的形变热处理以得到等轴细晶显微组织。近年来的研究结果已经表明，钛合金可以获得很高的超塑性水平——Ti3Al合金的伸长率超过1000%；TiAl合金的伸长率达470%。发展起来的超塑成形技术，改善了钛合金难以成形的状况，因而充分发挥了钛合金的优势。超塑性钛合金正以它们优异的变形性能和材质均匀等特点，在航空航天以及汽车的零部件生产、工艺品制造、仪器仪表壳罩件和一些复杂形状构件的生产中起到了不可替代的作用。
3，超塑性成形工艺：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、美术浮雕等。气胀成形又包括了Female和Male两种方式，分别由图1和图2表示。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。超塑性气胀成形与扩散连接的复合工艺（SPF／DB）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SPF／DB成形提高了飞机的结构强度，减少了飞机重量，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。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的零件。

4，超塑性成形及扩散联接（SPF/DB）：
超塑性成形及扩散联接（SPF/DB）是航空领域多年来重点发展和应用的一种近无余量先进成形技术。通过在一次加热、加压过程中成型整体构件，不需要中间处理，能有效减轻结构重量和提高材料利用率，可为设计提供更大的自由度，具有广阔的应用前景。
基本原理是：利用金属及合金的超塑性和扩散焊无界面的一体化特点，在材料超塑温度和扩散焊温度相近时，采用吹胀或模锻法在一次加热、加压过程中完成超塑成形和扩散连接两道工序，从而制造高精度复杂的大型整体构件。该技术具有以下特点：
（1）成形压力低/变形大而不破坏
（2）外形尺寸精确，无残余应力和回弹效应
（3）节省装备，缩短制造周期
（4）改善结构性能，提高结构完整性，延长机体寿命
（5）降低制造成本，减轻结构重量
从以上特点分析，SPF/DB简化了零件制造过程和装配过程，减少了零件（标准件）和工装数量，消除大量连接孔，避免了连接裂纹及疲劳问题，有利于提高结构耐久性和可靠性，尤其适合于