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钛合金具有抗疲劳、比强度高、耐腐蚀耐高温、一定的形状记忆性能、优越的力学性质、化学性质稳定等优点,在航空航天、化学化工等领域得到了越来越广泛的应用。但是钛合金也具有弹性模量低、冷变形抗力大、屈强比高、塑性不高、回弹严重、冷加工性能差等缺点,使其在加工后容易产生回弹以及各向异性炉。因此,各国学者与专家加强了对钛合金超塑性的研究。所谓超塑性是指材料在一定的内部条件和外部条件下,呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能的现象。

1、钛合金的超塑成形工艺

1.1 钛合金超塑成形的条件

(1)温度:即恒定的变形温度。不同的钛合金其温度有所不同,但是大概的区间在700~1000℃之间。比如Ti-6AL-4V的温度是850℃。

(2)应变速率:具有超塑性的金属一般具有缓慢的应变速率,这是因为原子扩散需要充分多的时间。比如Ti-6AL-4V的应变速率为1.3×10-4~10-3 s-1。

(3)超细晶粒结构:要求具有等轴、细微的晶粒结构,比如钛合金的晶粒尺寸小于3mm。

以上3个条件,除了晶粒结构是由原材料的性质来决定、作保证的以外,温度和应变速率都可以由超塑成形设备和工艺来保证。

1.2 钛合金超塑成形的模具

因为钛合金超塑成形的温度一般在700℃~1000℃之间,因此对模具的材料的性质有着特殊的要求,比如较高的高温强度、热稳定性要好、热膨胀系数要小、材料价格低廉、加工制作方面等等,目前主要有耐热合金、耐热钢、陶瓷和碳纤维增强复合材料模具等等。比如碳纤维增强复合材料模具,其变形抗力在室温和1000℃高温的环境下几乎是相等的,而且碳纤维增强复合材料模具只有耐热钢模具重量的1%;碳纤维增强复合材料模具在冷却时,其收缩率小于成形零件,利于零件的脱模;碳纤维增强复合材料模具的制模设备价格低廉。

1.3 钛合金超塑成形的工艺

(1)高温加热:钛合金超塑成形一般采用模具炉内加热法,即模具放进炉内高温加热,直至加热到超塑成形的温度,再把钛合金原料放入模具内,靠模具的热传导使钛合金原料升温到超塑成形温度。

(2)密封:因为钛合金超塑成形是气压成形,因此模具和钛合金原料都要密封处理。

(3)真空:为了保证钛合金零件贴膜良好,对钛合金原料起到保护作用,要对模腔内抽真空。

(4)刷保护涂料:因为钛合金超塑成形温度很高,为了防止其氧化和吸氢,需要在钛合金原料表面刷上一层保护涂料,起到保护层的作用。对于保护涂料也有一定的特殊要求,比如要可以生成一层致密的保护膜,且具有良好的耐高温性、热稳定性和润滑性,对模具和钛合金零件不能有污染,价格要便宜,而且易于涂刷和清洗,比较常用的有石墨水剂、高温油漆。

(5)充气:由于钛合金超塑成形是气压成形,因此要向模具里压入一定压力的惰性气体(为了防止钛合金在高温下氧化和吸氢),并且充气速率要缓慢。

2、钛合金超塑成形的一些实例

2.1 超塑等温锻造

超塑等温锻造是使用耐热合金模具进行锻造,在模具周围包裹高频感应加热线圈,使钛合金原料和模具在相同的温度下成形,得到更接近需要零件持续的工件,省去后续精加工,降低成形成本。比如上海钢研所用等温锻造对Ti-5AL-4Mo-9Cr-2Sn-2Zr进行了超塑成形,生产出超生换能器变幅杆和带叶片的整体涡轮盘,不仅降低了加工时间,也使成形成本降低了20%~30%。

2.2 气压成形

气压成形是能体现钛合金超塑成形全部特点的工艺。它具有一次加工成形、加工简单、加工零件尺寸不受限制、成形压力小、模具成本低、不会产生残余应力(因为是低速成形)等优点。比如北京机电研究所利用气压成形制造了球底件、波纹板等等。

2.3 超塑性成形与扩散链接的结合

超塑成形与扩散链接的方法是利用材料的超塑性与扩散链接在同一温度下的特性,在成形的同时完成连接,制造出形状各异的整体零件。美国是早利用钛合金超塑性成形与扩散链接的结合的技术研究与应用的。资料显示,1986年美国麦道公司生产的F215战斗机上就有钛合金SPF/DB结构件约100个。

2.4 真空成形

真空成形是在超塑性温度范围内,将板材在真空环境下压入模具成形,一般采用陶瓷模具,可以防止零件在高温下蠕变而产生皱褶。资料显示,美国与日本已经利用了真空成形方法加工了Ti-6AL-4V合金。

3、钛合金超塑成形的应用

钛合金超塑成形主要应用在航天航空领域。在国外,钛合金超塑成形工艺已经用于BAe125行政机应急舱门的生产,使飞机减重10%,成本降低30%;用于ATP直升机检修舱门的生产,使其成本降低40%;用于F-15战斗机隔热板、发动机喷口、起落架舱门、后机身上部钛外壳的生产,使F-15战斗机减重72.6Kg;用于B-1轰炸机检修舱门、短舱框架的生产,使B-1轰炸机减重31%,成本降低50%。