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1、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 姓 名： 学 号： 院系专业班级： 联 系 电 话： 指 导 教 师： 填 表 日 期： 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
2、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
3、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
4、，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
5、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（SPFDB）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SPFDB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
6、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
7、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，尤其适合于加工复杂形状的零件，如飞机机翼、机身框架、发动机叶片等。对于钛合金，SPF/DB解决了钛合金冷成形和机加工难的缺点，促进了钛合金整体构件的使用（如图3），相对常规金属结构，夹层结构具用足够的疲劳强度、良好的塑性和断裂韧性。英国、美国是世界上开展SPF/ DB
8、 技术研究及应用较早的国家，目前已建立了专业化生产厂，如英国TKR 公司、罗罗公司、Superform 公司和美国RTI公司等都具有很强的钛合金SPF/ DB 结构件的生产能力。另外，法国、德国、俄罗斯以及日本对钛合金SPF/ DB 技术也进行了大量研究和应用，具备了较强的钛合金SPF/ DB 结构件的生产能力。国外SPF/ DB 钛合金结构件在飞机上的应用广泛（见图4），如民机A300、A310/ 320的前缘缝翼收放机构外罩，减重10%，A330 、A340机翼检修口盖、驾驶舱顶盖、缝缘传动机构等采用SPF/DB结构，减重46 %，技术经济效益显著。此外，A380飞机吊舱舱门结构采用了SP
9、F/DB工艺。国内开展钛合金SPF/DB研究已多年，已逐渐用于主承力结构，取得了一定的减重效果和经济效益，图5为某飞机TC4钛合金SPF/DB腹鳍结构，已通过了全尺寸静力试验考核，结果证明满足设计要求，成本降低16，减重11，但国内还未开展该技术在民机上的应用。SPF/DB在国外已比较广泛的应用于军民用飞机，显示出巨大的技术经济效益，但在国内还处于应用初期，没有充分发挥这一技术的优势。针对民用飞机使用要求、主要结构特点等，要实现该技术的工程化成熟应用，需要尽快开展以下研究工作：（1）SPFDB结构设计技术，目前，SPF/ DB 技术多用于层板结构，这种板结构在强度方面存在不足。因此，应大力发展
10、体积成形与扩散连接结合的新型SPF/ DB 构件。（2）SPF/ DB制造控制技术，包括成形过程组织演变和变形机制，工艺过程控制与加工过程自动化，结构完整性及应力与变形控制，实现组织与性能匹配。（3）SPF/ DB质量评估与检测技术，建立设计用性能数据库，研制低成本检测技术，提高检测精度，制定质量控制程序和检验标准。（4）SPF/ DB结构静力与疲劳考核验证，以适航标准为依据进行符合性验证，确保民用飞机安全可靠使用。5，高性能钛合金盘件的研究现状：对于航空航天用发动机压气机盘、涡轮盘等转动部件，不仅要求具有良好的高温热强性，还要求在高温条件下有优良的抗疲劳性能和长期使用的可靠性。因此，制备高性
11、能钛合金，要综合考虑合金成分、热加工工艺、组织与性能及可加工性等因素。只有制备洁净度高、成分和组织均匀的铸锭，并在先进涡轮盘锻压技术和热处理工艺的配合下，才能保证钛合金盘件流线形态的完整性、盘件组织的均匀性和性能的高可靠性。目前制备高性能盘件的主要方法有超塑性等温锻造成形工艺和粉末冶金热等静压成形两种，这两种方法各有特点。粉末冶金钛合金盘件在热处理时，盘件内部存在温度梯度，会产生较大的残余热应力。这些残余应力对盘件保持完整性和机加工性能的影响很大，当局部残余应力足够大时，盘件就可能开裂。而小的残余应力，也会影响盘件的加工性能，如加工变形等。因此，粉末冶金钛合金盘件的热处理工艺极为关键。对于大规
12、格高性能钛合金盘件，由于钛合金导热率低，盘件规格较大，不同部位存在较大的温度梯度，容易造成组织和性能的不均匀性，则主要采用等温超塑成形的方法。超塑性等温锻造是利用钛合金在高温及低应变速率下材料具有异常好的塑性及变形抗力低的特点发展起来的一种锻造方式。通常采用近卢或准卢热模锻造两种锻造方式。这种新工艺能获得尺寸精确度高、组织均匀、性能稳定、形状复杂的高精度锻件，而且可用小吨位的液压机锻造大型锻件，来提高材料的利用率和减少切削加工量。等温锻造有以下特征：在整个锻造过程中，锻模与锻件始终保持在同一加工温度；锻造速度很慢，应变速率很小；为防止氧化，锻模与锻件有时需置于真空或惰性气体环境中。等温锻造可通
13、过控制加工温度、应变率、变形程度等来控制微观组织，以实现组织优化的目标。结合优化的调质热处理制度，使钛合金的组织和性能满足不同零部件的应用需求“。等温锻造的薄壁钛锻件具有良好的拉伸强度和综合性能，是用于宇航加工中最经济且简易的成形方法。参考文献1 刘树桓. 英国超塑成形扩散连接技术的现状及特点. 航空制造工程, 19942 王向民等. 钛合金SPF/DB技术在航空工业中的应用. 钛工业进展, 1998, No13 白秉哲等. 美国超塑成形技术及应用. 航天技术与民品, 1999, No14 超塑成形/扩散焊接组合工艺数值模拟初探. 南京航空航天大学学报, 1999, Vol31, No35 李曙光等. 国外先进制造技术与装备应用现状分析. 航天制造技术, 2004,Vol6,No36 李志强等. 超塑成形/扩散连接技术的应用与发展现状. 航空制造技术, 2004, No117 于卫新等. 材料超塑性和超塑成形/ 扩散连接技术及应用. 材料导报, 2009, Vol23,No64
