【文章內容簡介】 變形結果，最終斷裂時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，而且變形過程基本沒有或只有很小的應變硬化顯現，所以超塑性易于壓力加工，流動性和填充性極好，可進行諸如體積成形、氣脹成形等多種方式的塑性成形加工，而且產品質量可大大提高，超塑成形為金屬壓力加工技術開辟了一條新的途徑。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 [3]：（1）成形件質量好，精度高：超塑成形通常在高溫下進行，零件相當于經過高溫退火的熱處理組織，表面無加工硬化和殘余應力，成形后尺寸穩(wěn)定、無回彈。此外，成形過程中材料的充填性和流動性好，貼模精度高，可獲得形狀精確、輪廓清晰的制件。（2）模具費用低：由于超塑成形過程成形力小，速度慢，模具受沖擊小，使用壽命長。對模具材料要求也較低，可用強度要求低、價格低廉的材料制造模具，節(jié)省模具制造費用。此外，超塑成形可對復雜構件一次成形，減少模具套數，如超塑氣壓成形時可采用單面凹模成形，這些都可有效地節(jié)省模具制造費用。（3）可制造特殊結構：結構設計概念的創(chuàng)新與超塑成形、超塑成形/擴散連接工藝相結合，可研制出許多先進的高效結構，包括形狀復雜、空心整體、夾層以及多層的構件，以達到節(jié)約材料消耗、減輕重量、提高構件質量之目的，同時也增大了結構設計自由度。此外，SPF 技術還可用于模具制造。（4）成形速率低、成形時間長：由于材料發(fā)生超塑性變形的應變速率約為，與常規(guī)塑性成形相比，超塑成形的應變速率低、加工時間長，一般只適合生產小批量的制件。另一方面，在金屬的組織結構上，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制等都有很大區(qū)別 [4]。 （1）從現象上觀察，典型超塑合金如 Zn22％Al 的超塑性變形表現為宏觀均勻變形。變形后的樣品表面平滑，沒有起皺、凹陷、微裂及滑移痕跡等現象。 （2）從金相組織方面觀察，當原始材料為等軸晶粒組織時，在變形后幾乎仍是等軸晶粒，看不到晶粒被拉長，但有一定程度的長大，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，晶粒內部沒有發(fā)生應變，帶狀組織可能被消除或減輕。 （3）從變形機制上看，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)生在晶粒內部，如滑移、孿晶等，其原子的相對移動量不易超過兩個原子的間距，因而延伸率不大。對于超塑變形來說，晶界行為起了主要作用，如晶粒轉動、晶界滑動、晶粒換位等。有的超塑合金晶界滑動的應變量與總應變量之比可高達 5070％。 超塑成形技術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。它是最能體現超塑成形全部特點的一種工藝，也是超塑成形工藝中應用最廣、最有發(fā)展前途的工藝 [5]。該方法主要用于加工制造復雜形狀的空心零件，其成形原理及基本設備如圖 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，具有成形壓力小，模具壽命高，可一次精密成形等優(yōu)點。成形件質量好，不存在由于硬化引起的回彈導致的零件成形后的變形問題，故零件尺寸穩(wěn)定，對鈦合金等零件更能顯示其優(yōu)點。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用獲得越來越廣泛的應用，尤其在航空航天領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實現，同時應力和應變場分布不均勻造成了最終零件壁厚的明顯差異，即使是應變速率敏感系數 m 值接近于 的高硬化材料也難免會出現厚度分布明顯不均的問題。為了改善超塑成形工藝的成形性能，人們開發(fā)和應用了很多有效的脹形方法，包括正反脹形、覆蓋成形、陽模成形、動凸模反向成形、不均勻加熱成形以及過渡型面成形法等等 [7]。在二級超塑性成形方法中，通過合理地設計預成形模具，可以在很大程度上起到變形分散、緩解下模圓角處變薄過于集中、零件壁厚不均勻等問題。該方法由于工藝簡單，切實可行，得到了很廣泛的應用。超塑成形工藝還可與其他加工方法組合。超塑成形/擴散連接組合工藝能在零件超塑成形的同時完成零件某些部位的擴散連接，從而成形出形狀十分復雜的高性能整體構件。該技術的實現改變了傳統(tǒng)飛行器結構件所使用的鉚接、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，是當今研究的熱點。圖 13 是超塑成形/擴散連接的典型結構。a) 單層結構 b) 雙層結構 c) 三層結構 d) 四層結構圖 13 超塑成形/擴散連接的典型結構 常用的超塑成形工藝（1）簡單凹模成形（The Simple Female Forming）又叫氣脹成形，如圖，板料周圍被壓緊，向凹模型腔內吹脹板材。第一階段為自由吹脹，這導致板材厚度在頂點處最薄，在周邊最后，且隨著脹形深度的增加，壁厚差越來越大。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，簡單凹模成形僅用于相對較淺、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）覆蓋成形時能給出比簡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的一個或幾個凸模上。這種方法之所以能改善材料厚度的均勻性是由于凸模周圍的環(huán)形部分相對于坯料的平面尺寸來說是較淺的，并且如果是多個凸模，這種方法就同時成形多個零件。圖 15 覆蓋成形示意圖 [5]（3）陽模成形（Male Forming）對于較深和形狀復雜的零件，為了更好地利用材料，通常用陽模成形，陽模相對板材移動。圖 16 陽模成形示意圖 [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外氣體壓力差來成形零件。超塑變形取得大延伸要受兩個因素的制約，第一個因素就是材料的 m 值，他控制材料的頸縮，另一個因素就是材料中孔洞的發(fā)展。一個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有抑制孔洞長大的機制，他也難以取得很大的延伸率。有研究表明空洞的長大速度與靜水壓力成正比，即 。背壓成形工藝可以通過提高靜水壓力來抑制孔洞的長大從而提md???高成形性能，并改進零件的質量。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超塑性成形來獲得制件。該法在成形復雜形狀零件時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展 國內外 SPF 工藝的研究概況金屬超塑性是當今世界材料學五大前沿研究課題之一，發(fā)展速度較快，成就大。早在 1920 年德國的 等人在研究 Zn4%Cu7%Al 三元共析合金板材時，發(fā)現快速彎曲冷軋板才會很快折斷，在慢速彎曲時，即使彎成180176。也未出現裂紋 [8]。1934 年，英國 就對 Sn37%Pb 和 Bi44%Sn共晶合金進行緩慢拉伸時，得到了延伸率為 1950%的試樣，而這種材料在落地實驗中呈脆性斷裂 [9]。1962 年美國人 發(fā)表了一篇評論性文章，全面介紹了各國超塑性的研究成果，并從冶金學的角度分析了實現超塑性的可能性，產生條件及基本原理。人們評價這篇文章是超塑性研究的總結。從而引起了人們對超塑性愈來愈多的重視 [10]。1964 年美國麻省理工學院 等人對超塑性力學特性進行了分析研究，做出了很大的貢獻，他引入了與應變應力有關的應變速率敏感性指數m 值，提出了應力 σ 與應變速率 的關系式。他把 m 值與超塑性對應起來，并??提出了測定 m 值的方法 [11]。1970 年美國 等使用外經為 ，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花紋的花瓶，說明超塑性還可適用于制作形狀復雜的精密零件 [12]。到 1975 年短短幾年的時間內發(fā)表的超塑性文獻達 500 余篇，標志著超塑性領域已經成為國際性的研究課題。在國外，自 1970 年洛克威爾公司（ROCKWELL）發(fā)明鈦合金超塑成形/擴散連接工藝以來，此項新技術就以其獨特的優(yōu)越性在航空宇航工業(yè)得到了廣泛的重視，美、英、法、俄羅斯等國相繼投入大量的人力、資金開展相關研究。經過幾十年的發(fā)展，SPF 和 SPF/DB 工藝已廣泛應用于實際生產中，裝機使用的SPF 和 SPF/DB 構件日益增多。洛克威爾公司生產的 B1B 轟炸機，其兩個風擋熱氣噴口為鈦合金 SPF/DB件，它取代了原來 B1 轟炸機上的三個組合件(由 32 個機械加工零件組成)焊接的鋼質噴口，結構重量減輕 50%，成本降低 40%。麥道公司生產的 F15 戰(zhàn)斗機，其發(fā)動機噴口整流片為 的雙曲率板，原來是鋁基釬焊的鈦合金蜂窩壁板，后來改用兩塊鈦合金板經過 SPF/DB 工藝，制成內部帶有波紋加強的壁板，重量減輕 10%，成本降低 40%。休斯公司為美國陸軍生產的 YAH64 武裝直升機，其 的鈦合金防火板原來是使用 43 個零件、700 個緊固件和一些安裝接頭的機械連接件，改為 SPF/DB 件后重量減輕 10%，成本降低28%。格魯曼公司生產的 F14 艦載戰(zhàn)斗機，其 的前置翼原來是由 61 個鋁合金鈑金件和 1700 個緊固件鉚接而成，改用 SPF/DB 鈦合金夾層結構后重量減輕 10%，成本降低 25%[13]。英國、德國、意大利共同制造的“狂風”戰(zhàn)斗機，其后機身下整流片、機身框架、發(fā)動機止推座、發(fā)動機隔熱罩及熱交換器導管等都是鈦合金 SPF/DB 結構件，使重量減輕 10～20%，零件減少 70%，成本降低 30～70% [14]。達索公司生產的“幻影 2022”戰(zhàn)斗機，其機翼前緣延伸邊條是由四塊 Ti6Al4V 板材經 SPF/DB 制成的夾層結構件，與傳統(tǒng)鋁合金結構相比，重量減輕了 %，零件由 10 個減至 4 個，緊固件由 155 個減至 6 個。歐洲空中客車公司生產的 A310 客機，其前緣縫翼收放機構外罩為 SPF/DB 成形的帶內筋條的鈦合金筒體結構，比 A300 客機冷成形后焊接鈦外罩的重量減輕了 30%[15]。在國內，超塑成形/擴散連接技術的研究開始于 70 年代末，目前開展超塑成形技術研究和應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、西北工業(yè)大學、南京航空航天大學、112 廠、703 所、529 廠等單位，經過三十多年的發(fā)展，我國 SPF/DB 技術取得了一定的進展。近年來，我國新機研制及改進過程中，飛機設計部門已提出對某些大尺寸構件的研制采用超塑成形/擴散連接技術，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過近 40 年的發(fā)展取得了長足的進展，開發(fā)的發(fā)動機整流葉片和飛機氣動面、口蓋等飛機鈦合金零部件生產制造已形成體系，達到了小批生產規(guī)模。在此基礎上，積極開展了鈦合金寬弦空心風扇葉片、防火墻、大型壁板等超塑整體結構件的研制，將鈦合金超塑成形整體結構的應用水平推上了一個新的高度。成飛集團用 TC4 鈦合金 和 板材超塑性成形/擴散連接生產某型飛機后機身大口蓋零件，比傳統(tǒng)工藝減重近 1/4，并大大減少了零件數量、裝配工作量。南航陳明和等對 TC4 板材超塑成形后的力學性能進行研究發(fā)現，材料的塑性隨變形量大小成正比下降，成形后材料屈服強度、抗拉強度、彈性模量在變形量小于 50%時有所增加，變形量較大時（＞100%）下降，在實際成形過程中，宜采用小變形量和超塑性范圍內的溫度下限和較高的變形速率對提高成形后零件的力學性能有利 [17]。盡管我國在科研水平上基本與國外同步，但是在工藝水平上與國外差距較大，如國外 SPF/DB 夾層結構的工藝水平已經趨于成熟，且具備了批量生產的能力，而國內正處于試驗階段。目前，我國 SPF/DB 工藝水平落后主要表現在：工藝技術水平不高，工藝裝備較為落后，輔助手段不相配套，成形后處理和檢測手段不夠完善等。因此，開展 SPF/DB 工藝的研究對于我國航空航天事業(yè)的發(fā)展具有極其深遠的影響。其中單層板加強結構和雙層板結構的超塑性成形/擴散連接工藝實用性強，應用廣泛，可以作為研究重點。 數值模擬方法在超塑成形研究中的應用從上世紀七十年代興起的基于有限元法的板料成形數值模擬技術自出現起，就受到了高度的重視。這種數值模擬方法根據試驗和理論方法所確定的材料本構關系、摩擦定律、有關力學原理和簡化假設，建立起利用計算機求解成形問題的數學模型。在國外，韓國的 Yong 等人分別采用三角形單元和線單元，假設材料各向同性并采用修正的庫侖摩擦定律，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程 [18]。美