超塑性和等温成形工艺

超塑性和等温成形工艺

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超塑性是指材料在一定的内部(组织)条件(如晶粒形状及尺寸,相变等)和外部(环境)条件下(如温度、应变速率等),呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能(例如大的延伸率)的现象。 超塑性现象最早的报道是在1920年,ROSENHAIN等发现Zn-4Cu-7Al合金在低速弯曲时,可以弯曲近180?。1934年, C.P.PEARSON发现Pb-Sn共晶合金在室温低速拉伸时可以得到2000%的延伸率。但是由于第二次世界大战,这方面的研究设有进行下去。1945年A.A.BOCHVAR等发现Zn-Al共析合金具有异常高的延伸率并提出“超塑性”这一名词。 1964年,W.A.BACKOFEN对Zn-Al合金进行了系统的研究,并提出了应变速率敏感性指数m值这个新概念,为超塑性研究奠定了基础。60年代后期及70年代,世界上形成了超塑性研究的高潮。金属超塑性可以分为几类,主要是以下两种:①细晶超塑性(又称组织超塑性或恒温超塑性),其内在条件是具有稳定的等轴细晶组织,外在条件是每种超塑性材料应在特定的温度及速率下变形;②相变超塑性(又称环境超塑性),是指在材料相变点上下进行温度循环的同时对试样加载,事次循环中试样得到累积的大变形。目前研究和应用最事的超塑性现象属于前者。 从60年代起,各国学者在超塑性材料学、力学、机理、成形学等方面进行了大量的研究并初步形成了比较完整的理论体系。超塑性既是一门科学,一又是一种工艺技术。利用它可以在小吨位设备上实现形状复杂、其他塑性加工工艺难以或不能进行的零件的精密成形。 在超塑性材料学方面,上述经典的超塑性理论对于“超塑性材料”规定的“均匀、稳定、等轴、细晶”的苛刻条件对超塑性的应用有很大的限制。人们从为数甚少的“天然”超塑性材料(例如Pb-Sn及Zn-Al合金等)开始,进而研制“专门”的超塑性材料(例如Al-Cu-Zr合金等),其应用范围很小。70年代起人们注意开发工业牌号合金的超塑性、基于上述组织条件,在超塑性变形或成形前要对材料进行细化晶粒的预处理,包括热处理和形变热处理,有些处理工艺相当繁杂,消耗了能源、人力和材料。在研究中发现。许多工业合金在供货态件下,虽然不能完全满足均匀等轴细晶的组织条件,但是也具有良好的超塑性(Ti-6Al-4V就是其中的一个典型)。这样不用或少用细化处理工艺,可以大大提高起塑性技术的经济性。然而,供货态工业合金往往不能完全满足超塑性材料的组织条件,或是晶粒较粗大,或是不等轴、或是分布不均匀,因此其在超塑性变形中会产生一系列的问题(例如变形不均匀、各向异性等)。这样,研究非理想超塑性材料的超塑性变形特征,掌握缺陷形成的机理并通过控制变形参数抑制缺陷的产生,用低成本的材料超塑性成形出高质量的零件,形成了一个重要的研究方向。这方面的研究是符合中国国情的。此外,从社会生产的角度出发,以往材料生产厂、零件成形制造厂、机械装配厂、设备使用厂彼此脱节的现象比较严重。应该形成一个完整的体系-从材料冶炼制造起就统筹考虑到零件的成形、装配和使用,各个环节之间彼此呼应相互调节。这样对于提高整个生产的社会经济效益会产生难以估量的效果。在超塑性技术的应用中,已经有了这样一些先例,超塑性状态已成为某些工业合金的若干种供货状态之一,这对于超塑性技术的推广应用,对于成形零件的质量保证,对于生产的规模化程序化起到重要的推动作用。

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超塑性成形工艺主要包括两种类型:气体膨胀成形和体积成形。超塑性气胀成形是利用气体压力将板坯(也可以是管坯或其他形状的坯料)成形为壳体零件,如仪表差壳体、抛物面天线、球形容器、艺术浮雕等。充气成型包括母型和公型,分别如图1和图2所示。凹模成形方法简单易行,但其零件的第一个模具和最后一个模具壁厚相差较大。凸形成形法可以获得壁厚均匀的壳体零件,特别是形状复杂的零件。美国Superform公司在超塑充气成形及其应用方面达到了很高的水平。常年批量生产超塑充气成形的壳体零件,整个生产过程已由计算机控制。成形件已应用于航空空、航天、火车、汽车、建筑等行业。超塑性膨胀成形和扩散连接(SPF/DB)在航空空工业中的应用取得了重要进展,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,减轻了飞机的重量,对航空空工业的发展发挥了重要作用。超塑性体积成形包括不同的方式(如模锻、挤压等。),主要是利用材料在超塑条件下流变阻力低、流动性好的特点。一般在超塑性体积成形中,模具和成形件处于同一温度,所以也属于等温成形的范畴,但在超塑性成形中,对材料、应变速率和温度有更严格的要求。俄罗斯超塑性研究所首创的旋转等温超塑成形技术和设备,在成形一些轴对称零件方面具有其他技术不可比拟的优势。该方法利用自由移动的滚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,扩大了超塑性加工的应用范围。这样,他们就形成了其他工艺难以成形的钛合金、镍基高温合金、汽车轮毂等大型板材。近年来,超塑性的主要研究前沿是“先进材料的超塑性开发”。所谓先进材料是指金属基复合材料、金属化合物、陶瓷等。由于它们优异的性能(如强度、高温性能等。),都得到了很大的发展。但这些材料都有其共同的缺点——加工成型困难,因此发展这些材料的超塑性具有重要意义。近年来,其中一些材料的超塑性已经达到了很高的指标,但是这些材料的超塑性离应用还有一定的距离。尽管超塑成形具有上述一些优点,但超塑成形的生产率普遍较低。还需要更高的温度,这也是这一工艺没有大范围推广的重要原因。提高超塑性变形速率是近年来超塑性学者探讨的一个重要方向。目标是实现超塑技术在汽车工业等重要工业领域的应用。使用前实现高速超塑性的方法只有一个,就是细化晶粒。研究表明,当晶粒细化到纳米量级时,超塑性变形速率可提高3 ~ 4个数量级。但由于提高速度的主要目的是超塑技术的发展和应用,这方面的研究要特别注意综合效益,不能因为在晶粒细化上的过度投入而使超塑技术失去应用价值。

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