【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 變形結(jié)果，最終斷裂時(shí)裂口部位的截面尺寸與均勻變形部位相差很小。（4）易成形。由于超塑性具有以上特點(diǎn)，而且變形過(guò)程基本沒(méi)有或只有很小的應(yīng)變硬化顯現(xiàn)，所以超塑性易于壓力加工，流動(dòng)性和填充性極好，可進(jìn)行諸如體積成形、氣脹成形等多種方式的塑性成形加工，而且產(chǎn)品質(zhì)量可大大提高，超塑成形為金屬壓力加工技術(shù)開(kāi)辟了一條新的途徑。除了金屬材料(通常是合金)外，超塑成形工藝還可用于加工非金屬(如 YTZP 陶瓷)和復(fù)合材料等。與傳統(tǒng)的塑性成形方法相比，超塑成形還具有如下特點(diǎn) [3]：（1）成形件質(zhì)量好，精度高：超塑成形通常在高溫下進(jìn)行，零件相當(dāng)于經(jīng)過(guò)高溫退火的熱處理組織，表面無(wú)加工硬化和殘余應(yīng)力，成形后尺寸穩(wěn)定、無(wú)回彈。此外，成形過(guò)程中材料的充填性和流動(dòng)性好，貼模精度高，可獲得形狀精確、輪廓清晰的制件。（2）模具費(fèi)用低：由于超塑成形過(guò)程成形力小，速度慢，模具受沖擊小，使用壽命長(zhǎng)。對(duì)模具材料要求也較低，可用強(qiáng)度要求低、價(jià)格低廉的材料制造模具，節(jié)省模具制造費(fèi)用。此外，超塑成形可對(duì)復(fù)雜構(gòu)件一次成形，減少模具套數(shù)，如超塑氣壓成形時(shí)可采用單面凹模成形，這些都可有效地節(jié)省模具制造費(fèi)用。（3）可制造特殊結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念的創(chuàng)新與超塑成形、超塑成形/擴(kuò)散連接工藝相結(jié)合，可研制出許多先進(jìn)的高效結(jié)構(gòu)，包括形狀復(fù)雜、空心整體、夾層以及多層的構(gòu)件，以達(dá)到節(jié)約材料消耗、減輕重量、提高構(gòu)件質(zhì)量之目的，同時(shí)也增大了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由度。此外，SPF 技術(shù)還可用于模具制造。（4）成形速率低、成形時(shí)間長(zhǎng)：由于材料發(fā)生超塑性變形的應(yīng)變速率約為，與常規(guī)塑性成形相比，超塑成形的應(yīng)變速率低、加工時(shí)間長(zhǎng)，一般只適合生產(chǎn)小批量的制件。另一方面，在金屬的組織結(jié)構(gòu)上，超塑性變形與一般塑性變形的外觀特征、金相組織以及變形機(jī)制等都有很大區(qū)別 [4]。 （1）從現(xiàn)象上觀察，典型超塑合金如 Zn22％Al 的超塑性變形表現(xiàn)為宏觀均勻變形。變形后的樣品表面平滑，沒(méi)有起皺、凹陷、微裂及滑移痕跡等現(xiàn)象。 （2）從金相組織方面觀察，當(dāng)原始材料為等軸晶粒組織時(shí)，在變形后幾乎仍是等軸晶粒，看不到晶粒被拉長(zhǎng)，但有一定程度的長(zhǎng)大，帶棱角的晶界變成彎曲或圓弧化。在 Zn22％Al 合金中有些層狀組織的富 A1 相由于變形而球化。一般地說(shuō)，晶粒內(nèi)部沒(méi)有發(fā)生應(yīng)變，帶狀組織可能被消除或減輕。 （3）從變形機(jī)制上看，超塑性變形不同于一般金屬的塑性變形。后者的變形主要發(fā)生在晶粒內(nèi)部，如滑移、孿晶等，其原子的相對(duì)移動(dòng)量不易超過(guò)兩個(gè)原子的間距，因而延伸率不大。對(duì)于超塑變形來(lái)說(shuō)，晶界行為起了主要作用，如晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)、晶界滑動(dòng)、晶粒換位等。有的超塑合金晶界滑動(dòng)的應(yīng)變量與總應(yīng)變量之比可高達(dá) 5070％。 超塑成形技術(shù)概況超塑性脹形就是在超塑性條件下，將毛坯周邊壓緊，然后通過(guò)流體壓力使毛坯變薄而成形的一種成形工藝。它是最能體現(xiàn)超塑成形全部特點(diǎn)的一種工藝，也是超塑成形工藝中應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的工藝 [5]。該方法主要用于加工制造復(fù)雜形狀的空心零件，其成形原理及基本設(shè)備如圖 11。（a） 起始變形 （b） 底部變形 （c） 角部變形圖 11 超塑成形原理 [5]超塑成形作為一種新的材料成形技術(shù)，具有成形壓力小，模具壽命高，可一次精密成形等優(yōu)點(diǎn)。成形件質(zhì)量好，不存在由于硬化引起的回彈導(dǎo)致的零件成形后的變形問(wèn)題，故零件尺寸穩(wěn)定，對(duì)鈦合金等零件更能顯示其優(yōu)點(diǎn)。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、醫(yī)療器械制造等方面的應(yīng)用獲得越來(lái)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。圖 12 是一些超塑成形的典型零件 [6]。a) HITEN 淚狀形 N2H4貯箱 b) 骨骼矯形件 c) D 形鼻錐圖 12 超塑成形的一些典型零件 [6]在金屬材料超塑成形過(guò)程中，由于周邊材料被模具壓緊而不參與變形，零件面積增加完全由材料的變薄來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)分布不均勻造成了最終零件壁厚的明顯差異，即使是應(yīng)變速率敏感系數(shù) m 值接近于 的高硬化材料也難免會(huì)出現(xiàn)厚度分布明顯不均的問(wèn)題。為了改善超塑成形工藝的成形性能，人們開(kāi)發(fā)和應(yīng)用了很多有效的脹形方法，包括正反脹形、覆蓋成形、陽(yáng)模成形、動(dòng)凸模反向成形、不均勻加熱成形以及過(guò)渡型面成形法等等 [7]。在二級(jí)超塑性成形方法中，通過(guò)合理地設(shè)計(jì)預(yù)成形模具，可以在很大程度上起到變形分散、緩解下模圓角處變薄過(guò)于集中、零件壁厚不均勻等問(wèn)題。該方法由于工藝簡(jiǎn)單，切實(shí)可行，得到了很廣泛的應(yīng)用。超塑成形工藝還可與其他加工方法組合。超塑成形/擴(kuò)散連接組合工藝能在零件超塑成形的同時(shí)完成零件某些部位的擴(kuò)散連接，從而成形出形狀十分復(fù)雜的高性能整體構(gòu)件。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)改變了傳統(tǒng)飛行器結(jié)構(gòu)件所使用的鉚接、螺接、膠接等形式，降低了零件整體重量，使復(fù)雜薄壁零件整體化，縮短了制造周期，提高了零件整體性能，是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。圖 13 是超塑成形/擴(kuò)散連接的典型結(jié)構(gòu)。a) 單層結(jié)構(gòu) b) 雙層結(jié)構(gòu) c) 三層結(jié)構(gòu) d) 四層結(jié)構(gòu)圖 13 超塑成形/擴(kuò)散連接的典型結(jié)構(gòu) 常用的超塑成形工藝（1）簡(jiǎn)單凹模成形（The Simple Female Forming）又叫氣脹成形，如圖，板料周?chē)粔壕o，向凹模型腔內(nèi)吹脹板材。第一階段為自由吹脹，這導(dǎo)致板材厚度在頂點(diǎn)處最薄，在周邊最后，且隨著脹形深度的增加，壁厚差越來(lái)越大。板材一旦與模具接觸，就被模具所粘滯而不再繼續(xù)變薄。后繼變形主要集中在板材尚未與模壁接觸的部分。這樣板材變薄最嚴(yán)重的地方一般就在模具底部的圓角處，且圓角半徑越小，變薄越嚴(yán)重。故成形零件的局部最小厚度取決于零件的平面尺寸、深度及圓角半徑。因此，簡(jiǎn)單凹模成形僅用于相對(duì)較淺、圓角較大的零件成形。圖 14 氣脹成形示意圖 [5]（2）覆蓋成形（Drape Forming）覆蓋成形時(shí)能給出比簡(jiǎn)單凹模成形更均勻的壁厚分布。在這種成形方法中，板材被吹到安置在凹模腔內(nèi)的一個(gè)或幾個(gè)凸模上。這種方法之所以能改善材料厚度的均勻性是由于凸模周?chē)沫h(huán)形部分相對(duì)于坯料的平面尺寸來(lái)說(shuō)是較淺的，并且如果是多個(gè)凸模，這種方法就同時(shí)成形多個(gè)零件。圖 15 覆蓋成形示意圖 [5]（3）陽(yáng)模成形（Male Forming）對(duì)于較深和形狀復(fù)雜的零件，為了更好地利用材料，通常用陽(yáng)模成形，陽(yáng)模相對(duì)板材移動(dòng)。圖 16 陽(yáng)模成形示意圖 [5]（4）背壓成形（Backpressure Forming，BPF）背壓成形就是在成形板材的兩面都加一定的氣體壓力而利用內(nèi)外氣體壓力差來(lái)成形零件。超塑變形取得大延伸要受兩個(gè)因素的制約，第一個(gè)因素就是材料的 m 值，他控制材料的頸縮，另一個(gè)因素就是材料中孔洞的發(fā)展。一個(gè)超塑性材料即使具有很高的 m 值，如若存在較多的孔洞并且沒(méi)有抑制孔洞長(zhǎng)大的機(jī)制，他也難以取得很大的延伸率。有研究表明空洞的長(zhǎng)大速度與靜水壓力成正比，即 。背壓成形工藝可以通過(guò)提高靜水壓力來(lái)抑制孔洞的長(zhǎng)大從而提md???高成形性能，并改進(jìn)零件的質(zhì)量。圖 17 背壓成形示意圖 [5]（5）隔板成形（Diaphragm Forming）隔板成形是把待成形的板坯置于超塑合金隔板與模具中間，此板坯可以是非超塑性合金，這樣非超塑性合金就可以通過(guò)超塑性成形來(lái)獲得制件。該法在成形復(fù)雜形狀零件時(shí)可以顯著減少制件的壁厚差。其示意如圖：圖 18 隔板成形示意圖 [5] 超塑成形工藝研究進(jìn)展 國(guó)內(nèi)外 SPF 工藝的研究概況金屬超塑性是當(dāng)今世界材料學(xué)五大前沿研究課題之一，發(fā)展速度較快，成就大。早在 1920 年德國(guó)的 等人在研究 Zn4%Cu7%Al 三元共析合金板材時(shí)，發(fā)現(xiàn)快速?gòu)澢滠埌宀艜?huì)很快折斷，在慢速?gòu)澢鷷r(shí)，即使彎成180176。也未出現(xiàn)裂紋 [8]。1934 年，英國(guó) 就對(duì) Sn37%Pb 和 Bi44%Sn共晶合金進(jìn)行緩慢拉伸時(shí)，得到了延伸率為 1950%的試樣，而這種材料在落地實(shí)驗(yàn)中呈脆性斷裂 [9]。1962 年美國(guó)人 發(fā)表了一篇評(píng)論性文章，全面介紹了各國(guó)超塑性的研究成果，并從冶金學(xué)的角度分析了實(shí)現(xiàn)超塑性的可能性，產(chǎn)生條件及基本原理。人們?cè)u(píng)價(jià)這篇文章是超塑性研究的總結(jié)。從而引起了人們對(duì)超塑性愈來(lái)愈多的重視 [10]。1964 年美國(guó)麻省理工學(xué)院 等人對(duì)超塑性力學(xué)特性進(jìn)行了分析研究，做出了很大的貢獻(xiàn)，他引入了與應(yīng)變應(yīng)力有關(guān)的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m 值，提出了應(yīng)力 σ 與應(yīng)變速率 的關(guān)系式。他把 m 值與超塑性對(duì)應(yīng)起來(lái)，并??提出了測(cè)定 m 值的方法 [11]。1970 年美國(guó) 等使用外經(jīng)為 ，壁厚為 的Zn22%Al 共析合金管在 265℃及 2MPa 的氣壓下，吹制成具有凸肚及精細(xì)花紋的花瓶，說(shuō)明超塑性還可適用于制作形狀復(fù)雜的精密零件 [12]。到 1975 年短短幾年的時(shí)間內(nèi)發(fā)表的超塑性文獻(xiàn)達(dá) 500 余篇，標(biāo)志著超塑性領(lǐng)域已經(jīng)成為國(guó)際性的研究課題。在國(guó)外，自 1970 年洛克威爾公司（ROCKWELL）發(fā)明鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接工藝以來(lái)，此項(xiàng)新技術(shù)就以其獨(dú)特的優(yōu)越性在航空宇航工業(yè)得到了廣泛的重視，美、英、法、俄羅斯等國(guó)相繼投入大量的人力、資金開(kāi)展相關(guān)研究。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，SPF 和 SPF/DB 工藝已廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，裝機(jī)使用的SPF 和 SPF/DB 構(gòu)件日益增多。洛克威爾公司生產(chǎn)的 B1B 轟炸機(jī)，其兩個(gè)風(fēng)擋熱氣噴口為鈦合金 SPF/DB件，它取代了原來(lái) B1 轟炸機(jī)上的三個(gè)組合件(由 32 個(gè)機(jī)械加工零件組成)焊接的鋼質(zhì)噴口，結(jié)構(gòu)重量減輕 50%，成本降低 40%。麥道公司生產(chǎn)的 F15 戰(zhàn)斗機(jī)，其發(fā)動(dòng)機(jī)噴口整流片為 的雙曲率板，原來(lái)是鋁基釬焊的鈦合金蜂窩壁板，后來(lái)改用兩塊鈦合金板經(jīng)過(guò) SPF/DB 工藝，制成內(nèi)部帶有波紋加強(qiáng)的壁板，重量減輕 10%，成本降低 40%。休斯公司為美國(guó)陸軍生產(chǎn)的 YAH64 武裝直升機(jī)，其 的鈦合金防火板原來(lái)是使用 43 個(gè)零件、700 個(gè)緊固件和一些安裝接頭的機(jī)械連接件，改為 SPF/DB 件后重量減輕 10%，成本降低28%。格魯曼公司生產(chǎn)的 F14 艦載戰(zhàn)斗機(jī)，其 的前置翼原來(lái)是由 61 個(gè)鋁合金鈑金件和 1700 個(gè)緊固件鉚接而成，改用 SPF/DB 鈦合金夾層結(jié)構(gòu)后重量減輕 10%，成本降低 25%[13]。英國(guó)、德國(guó)、意大利共同制造的“狂風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)，其后機(jī)身下整流片、機(jī)身框架、發(fā)動(dòng)機(jī)止推座、發(fā)動(dòng)機(jī)隔熱罩及熱交換器導(dǎo)管等都是鈦合金 SPF/DB 結(jié)構(gòu)件，使重量減輕 10～20%，零件減少 70%，成本降低 30～70% [14]。達(dá)索公司生產(chǎn)的“幻影 2022”戰(zhàn)斗機(jī)，其機(jī)翼前緣延伸邊條是由四塊 Ti6Al4V 板材經(jīng) SPF/DB 制成的夾層結(jié)構(gòu)件，與傳統(tǒng)鋁合金結(jié)構(gòu)相比，重量減輕了 %，零件由 10 個(gè)減至 4 個(gè)，緊固件由 155 個(gè)減至 6 個(gè)。歐洲空中客車(chē)公司生產(chǎn)的 A310 客機(jī)，其前緣縫翼收放機(jī)構(gòu)外罩為 SPF/DB 成形的帶內(nèi)筋條的鈦合金筒體結(jié)構(gòu)，比 A300 客機(jī)冷成形后焊接鈦外罩的重量減輕了 30%[15]。在國(guó)內(nèi)，超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)的研究開(kāi)始于 70 年代末，目前開(kāi)展超塑成形技術(shù)研究和應(yīng)用的單位主要有北京航空制造工程研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、112 廠、703 所、529 廠等單位，經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展，我國(guó) SPF/DB 技術(shù)取得了一定的進(jìn)展。近年來(lái)，我國(guó)新機(jī)研制及改進(jìn)過(guò)程中，飛機(jī)設(shè)計(jì)部門(mén)已提出對(duì)某些大尺寸構(gòu)件的研制采用超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)，如前緣襟翼、鴨翼、整體壁板和腹鰭等 [16]。北京航空制造工程研究所經(jīng)過(guò)近 40 年的發(fā)展取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)整流葉片和飛機(jī)氣動(dòng)面、口蓋等飛機(jī)鈦合金零部件生產(chǎn)制造已形成體系，達(dá)到了小批生產(chǎn)規(guī)模。在此基礎(chǔ)上，積極開(kāi)展了鈦合金寬弦空心風(fēng)扇葉片、防火墻、大型壁板等超塑整體結(jié)構(gòu)件的研制，將鈦合金超塑成形整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用水平推上了一個(gè)新的高度。成飛集團(tuán)用 TC4 鈦合金 和 板材超塑性成形/擴(kuò)散連接生產(chǎn)某型飛機(jī)后機(jī)身大口蓋零件，比傳統(tǒng)工藝減重近 1/4，并大大減少了零件數(shù)量、裝配工作量。南航陳明和等對(duì) TC4 板材超塑成形后的力學(xué)性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，材料的塑性隨變形量大小成正比下降，成形后材料屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量在變形量小于 50%時(shí)有所增加，變形量較大時(shí)（＞100%）下降，在實(shí)際成形過(guò)程中，宜采用小變形量和超塑性范圍內(nèi)的溫度下限和較高的變形速率對(duì)提高成形后零件的力學(xué)性能有利 [17]。盡管我國(guó)在科研水平上基本與國(guó)外同步，但是在工藝水平上與國(guó)外差距較大，如國(guó)外 SPF/DB 夾層結(jié)構(gòu)的工藝水平已經(jīng)趨于成熟，且具備了批量生產(chǎn)的能力，而國(guó)內(nèi)正處于試驗(yàn)階段。目前，我國(guó) SPF/DB 工藝水平落后主要表現(xiàn)在：工藝技術(shù)水平不高，工藝裝備較為落后，輔助手段不相配套，成形后處理和檢測(cè)手段不夠完善等。因此，開(kāi)展 SPF/DB 工藝的研究對(duì)于我國(guó)航空航天事業(yè)的發(fā)展具有極其深遠(yuǎn)的影響。其中單層板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)和雙層板結(jié)構(gòu)的超塑性成形/擴(kuò)散連接工藝實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛，可以作為研究重點(diǎn)。 數(shù)值模擬方法在超塑成形研究中的應(yīng)用從上世紀(jì)七十年代興起的基于有限元法的板料成形數(shù)值模擬技術(shù)自出現(xiàn)起，就受到了高度的重視。這種數(shù)值模擬方法根據(jù)試驗(yàn)和理論方法所確定的材料本構(gòu)關(guān)系、摩擦定律、有關(guān)力學(xué)原理和簡(jiǎn)化假設(shè)，建立起利用計(jì)算機(jī)求解成形問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型。在國(guó)外，韓國(guó)的 Yong 等人分別采用三角形單元和線單元，假設(shè)材料各向同性并采用修正的庫(kù)侖摩擦定律，用剛粘塑性有限元法分析研究了超塑性直壁筒、錐形件和方盒件充模脹形的過(guò)程 [18]。美