鈦合金具有抗疲勞、比強(qiáng)度高、耐腐蝕耐高溫、一定的形狀記憶性能、優(yōu)越的力學(xué)性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),在航空航天、化學(xué)化工等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但是鈦合金也具有彈性模量低、冷變形抗力大、屈強(qiáng)比高、塑性不高、回彈嚴(yán)重、冷加工性能差等缺點(diǎn),使其在加工后容易產(chǎn)生回彈以及各向異性爐。因此,各國學(xué)者與專家加強(qiáng)了對鈦合金超塑性的研究。所謂超塑性是指材料在一定的內(nèi)部條件和外部條件下,呈現(xiàn)出異常低的流變抗力、異常高的流變性能的現(xiàn)象。

1、鈦合金的超塑成形工藝

1.1 鈦合金超塑成形的條件

(1)溫度:即恒定的變形溫度。不同的鈦合金其溫度有所不同,但是大概的區(qū)間在700~1000℃之間。比如Ti-6AL-4V的溫度是850℃。

(2)應(yīng)變速率:具有超塑性的金屬一般具有緩慢的應(yīng)變速率,這是因?yàn)樵訑U(kuò)散需要充分多的時(shí)間。比如Ti-6AL-4V的應(yīng)變速率為1.3×10-4~10-3 s-1。

(3)超細(xì)晶粒結(jié)構(gòu):要求具有等軸、細(xì)微的晶粒結(jié)構(gòu),比如鈦合金的晶粒尺寸小于3mm。

以上3個(gè)條件,除了晶粒結(jié)構(gòu)是由原材料的性質(zhì)來決定、作保證的以外,溫度和應(yīng)變速率都可以由超塑成形設(shè)備和工藝來保證。

1.2 鈦合金超塑成形的模具

因?yàn)殁伜辖鸪艹尚蔚臏囟纫话阍?00℃~1000℃之間,因此對模具的材料的性質(zhì)有著特殊的要求,比如較高的高溫強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性要好、熱膨脹系數(shù)要小、材料價(jià)格低廉、加工制作方面等等,目前主要有耐熱合金、耐熱鋼、陶瓷和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料模具等等。比如碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料模具,其變形抗力在室溫和1000℃高溫的環(huán)境下幾乎是相等的,而且碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料模具只有耐熱鋼模具重量的1%;碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料模具在冷卻時(shí),其收縮率小于成形零件,利于零件的脫模;碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料模具的制模設(shè)備價(jià)格低廉。

1.3 鈦合金超塑成形的工藝

(1)高溫加熱:鈦合金超塑成形一般采用模具爐內(nèi)加熱法,即模具放進(jìn)爐內(nèi)高溫加熱,直至加熱到超塑成形的溫度,再把鈦合金原料放入模具內(nèi),靠模具的熱傳導(dǎo)使鈦合金原料升溫到超塑成形溫度。

(2)密封:因?yàn)殁伜辖鸪艹尚问菤鈮撼尚?因此模具和鈦合金原料都要密封處理。

(3)真空:為了保證鈦合金零件貼膜良好,對鈦合金原料起到保護(hù)作用,要對模腔內(nèi)抽真空。

(4)刷保護(hù)涂料:因?yàn)殁伜辖鸪艹尚螠囟群芨?為了防止其氧化和吸氫,需要在鈦合金原料表面刷上一層保護(hù)涂料,起到保護(hù)層的作用。對于保護(hù)涂料也有一定的特殊要求,比如要可以生成一層致密的保護(hù)膜,且具有良好的耐高溫性、熱穩(wěn)定性和潤滑性,對模具和鈦合金零件不能有污染,價(jià)格要便宜,而且易于涂刷和清洗,比較常用的有石墨水劑、高溫油漆。

(5)充氣:由于鈦合金超塑成形是氣壓成形,因此要向模具里壓入一定壓力的惰性氣體(為了防止鈦合金在高溫下氧化和吸氫),并且充氣速率要緩慢。

2、鈦合金超塑成形的一些實(shí)例

2.1 超塑等溫鍛造

超塑等溫鍛造是使用耐熱合金模具進(jìn)行鍛造,在模具周圍包裹高頻感應(yīng)加熱線圈,使鈦合金原料和模具在相同的溫度下成形,得到更接近需要零件持續(xù)的工件,省去后續(xù)精加工,降低成形成本。比如上海鋼研所用等溫鍛造對Ti-5AL-4Mo-9Cr-2Sn-2Zr進(jìn)行了超塑成形,生產(chǎn)出超生換能器變幅桿和帶葉片的整體渦輪盤,不僅降低了加工時(shí)間,也使成形成本降低了20%~30%。

2.2 氣壓成形

氣壓成形是能體現(xiàn)鈦合金超塑成形全部特點(diǎn)的工藝。它具有一次加工成形、加工簡單、加工零件尺寸不受限制、成形壓力小、模具成本低、不會產(chǎn)生殘余應(yīng)力(因?yàn)槭堑退俪尚?等優(yōu)點(diǎn)。比如北京機(jī)電研究所利用氣壓成形制造了球底件、波紋板等等。

2.3 超塑性成形與擴(kuò)散鏈接的結(jié)合

超塑成形與擴(kuò)散鏈接的方法是利用材料的超塑性與擴(kuò)散鏈接在同一溫度下的特性,在成形的同時(shí)完成連接,制造出形狀各異的整體零件。美國是早利用鈦合金超塑性成形與擴(kuò)散鏈接的結(jié)合的技術(shù)研究與應(yīng)用的。資料顯示,1986年美國麥道公司生產(chǎn)的F215戰(zhàn)斗機(jī)上就有鈦合金SPF/DB結(jié)構(gòu)件約100個(gè)。

2.4 真空成形

真空成形是在超塑性溫度范圍內(nèi),將板材在真空環(huán)境下壓入模具成形,一般采用陶瓷模具,可以防止零件在高溫下蠕變而產(chǎn)生皺褶。資料顯示,美國與日本已經(jīng)利用了真空成形方法加工了Ti-6AL-4V合金。

3、鈦合金超塑成形的應(yīng)用

鈦合金超塑成形主要應(yīng)用在航天航空領(lǐng)域。在國外,鈦合金超塑成形工藝已經(jīng)用于BAe125行政機(jī)應(yīng)急艙門的生產(chǎn),使飛機(jī)減重10%,成本降低30%;用于ATP直升機(jī)檢修艙門的生產(chǎn),使其成本降低40%;用于F-15戰(zhàn)斗機(jī)隔熱板、發(fā)動(dòng)機(jī)噴口、起落架艙門、后機(jī)身上部鈦外殼的生產(chǎn),使F-15戰(zhàn)斗機(jī)減重72.6Kg;用于B-1轟炸機(jī)檢修艙門、短艙框架的生產(chǎn),使B-1轟炸機(jī)減重31%,成本降低50%。