鈦合金超塑成形工藝及應用

鈦合金具有抗疲勞、比（bǐ）強度高、耐腐蝕耐（nài）高（gāo）溫、一（yī）定的形狀記憶性能、優越的力學性質、化學性質穩定等（děng）優點,在航空航天、化（huà）學化工等領域得到了越來越廣泛的應用。但是鈦合金也具有彈性模量低、冷變形抗（kàng）力大、屈強比高、塑性不（bú）高、回彈（dàn）嚴重、冷加（jiā）工性（xìng）能差等缺（quē）點,使其在加工（gōng）後容易產生回彈以及各向（xiàng）異性爐。因（yīn）此,各國學者與專家加強了對（duì）鈦合金超（chāo）塑性（xìng）的研究。所謂超塑（sù）性是指材料在（zài）一定的內部（bù）條件和外部條件下（xià）,呈現出異常低的流變抗力（lì）、異（yì）常高的流變（biàn）性能的現象。

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（wēn）度:即恒定（dìng）的變形溫度。不同（tóng）的鈦（tài）合金其溫度有所不同,但是（shì）大概（gài）的區間在700~1000℃之間。比如Ti-6AL-4V的溫度是（shì）850℃。

(2)應變速率:具有超塑性的金屬一般具有緩慢的應（yīng）變速率,這是（shì）因為原子擴（kuò）散需要充分多（duō）的時間（jiān）。比如Ti-6AL-4V的應變速率為1.3×10-4~10-3 s-1。

(3)超細晶粒結構:要求具有等軸、細微（wēi）的晶粒結構（gòu）,比如鈦合金的晶（jīng）粒尺寸小於3mm。

以上3個條件,除了晶粒結構是由原材料（liào）的性質來決定、作保（bǎo）證的以（yǐ）外,溫（wēn）度（dù）和應變速率都可以（yǐ）由超塑成形設備和工藝來保證。

1.2 鈦合金超塑成形的模具

因為鈦合金超塑（sù）成形的溫度一般在700℃~1000℃之間,因此對（duì）模具的材料的性質有著特殊的要（yào）求（qiú）,比如較高的高溫強度、熱（rè）穩定性要好、熱膨脹係數要小、材料價格低廉、加（jiā）工製作方麵等等,目前主要有耐熱合金、耐熱鋼、陶瓷和碳纖維增強（qiáng）複合材料模具等等。比如（rú）碳纖維增強複合材料模具（jù）,其變形抗力在室溫和1000℃高溫的環境下幾乎是相等（děng）的,而且碳纖維增強複合材料（liào）模具隻有耐熱鋼模具（jù）重量的1%;碳纖維（wéi）增強複合材料模具在冷卻時,其收縮率小於（yú）成形零件,利於零件的脫模;碳纖維增強複合（hé）材料模具的製模設備價格低廉。

1.3 鈦（tài）合金超塑成形的工藝

(1)高溫加熱:鈦合（hé）金（jīn）超塑成形一般采用模具爐內加熱（rè）法,即模具放進爐內高溫加熱,直至加熱到超塑成（chéng）形的溫度,再把鈦合金原料（liào）放入模具內,靠模具的熱傳導使鈦合金原料升溫到超塑成形溫度。

(2)密封（fēng）:因為鈦合金超塑成形是氣（qì）壓成形,因此模具和鈦合金原（yuán）料都要密封處理。

(3)真（zhēn）空（kōng）:為（wéi）了保證鈦合（hé）金零（líng）件（jiàn）貼膜良好,對鈦合金原料起到保護作用,要（yào）對模腔內抽（chōu）真空（kōng）。

(4)刷保（bǎo）護塗料:因為鈦合金超塑成形溫（wēn）度很高,為了防止其氧化和吸氫,需要在鈦合金（jīn）原料表麵刷（shuā）上一層保護塗（tú）料,起到保護層（céng）的作用。對於保護塗料也有一定（dìng）的特殊要求,比如要可以生成一層致密的保護膜,且具有良好的耐高溫性、熱穩定性和潤滑（huá）性,對模具和鈦合金（jīn）零件不能有汙染,價格要便宜,而且易於塗刷和清洗,比較（jiào）常用的有（yǒu）石墨水劑、高溫油漆。

(5)充氣:由（yóu）於鈦合金超塑（sù）成形是氣壓成形,因此要向模（mó）具裏壓入（rù）一定壓力的惰性（xìng）氣體(為了防止鈦合金在高溫下氧化和吸氫),並且充氣速率要緩慢。

公司是一家集精密機械零部（bù）件加工，北京（jīng）不鏽鋼零件加工,北京鈦合金加工各類工裝夾具、治具、非標（biāo）設備設計製造以及（jí）衝（chōng）壓模具、注塑模具、橡膠模具加工的專業廠家，是中國（guó）模具協會會員企業。

2、鈦合金超塑成形（xíng）的一些實例

2.1 超（chāo）塑等溫鍛造

超（chāo）塑等溫鍛（duàn）造是使用耐熱合金模具（jù）進行鍛（duàn）造,在模具周圍包裹高頻感應（yīng）加熱線圈,使鈦合金原料（liào）和模具在（zài）相（xiàng）同的（de）溫度下（xià）成形（xíng）,得（dé）到更（gèng）接近需要零（líng）件持續的（de）工（gōng）件,省去後續精加工,降低成形成本。比（bǐ）如（rú）上海鋼研所用等溫鍛造（zào）對Ti-5AL-4Mo-9Cr-2Sn-2Zr進行了（le）超塑成形,生產（chǎn）出超生換能器變幅杆和帶葉片的整體渦輪（lún）盤,不僅（jǐn）降低了加工時間,也使成形成本降低（dī）了20%~30%。

2.2 氣壓成形

氣壓成形是***能體現鈦合（hé）金超塑成形全部特（tè）點的工藝。它具有一次加（jiā）工成（chéng）形、加工簡單（dān）、加（jiā）工零件尺寸不受限製、成（chéng）形壓力小、模具成（chéng）本低、不會產生殘餘（yú）應力(因為是低速成形)等優點。比如北京機電研究所利用氣壓成（chéng）形製造了球底件、波紋板等等。

2.3 超塑性成形與擴散鏈接的結合

超塑成形與擴散鏈接的方法（fǎ）是利用材料的超塑性與擴散鏈接在同一溫度下的特性,在成形的同時完成連接,製造出形狀各異的整體零件。美國是***早利用鈦（tài）合金超塑性成形與擴散鏈接的（de）結（jié）合的技術研究與應用的。資料（liào）顯示,1986年美國麥道公司生產的F215戰（zhàn）鬥機上就有鈦合金SPF/DB結構件約100個。

2.4 真（zhēn）空（kōng）成形

真空（kōng）成形是在（zài）超（chāo）塑性（xìng）溫度範（fàn）圍內,將板（bǎn）材在真空環境下壓入模具成形,一般采用陶瓷（cí）模具（jù）,可以防止零件在高溫下蠕變而產（chǎn）生皺（zhòu）褶。資料顯示,美國與日本已經利用了真空成形方（fāng）法加工了Ti-6AL-4V合金（jīn）。

3、鈦合金超塑成形的應用

鈦合金超塑成形主要應用在航天航（háng）空領域。在國外,鈦合金超塑成形工藝已經用於BAe125行政機應急艙門的生產,使飛機減重10%,成本降低30%;用於ATP直升機檢修艙門的生產,使其成本降低40%;用於（yú）F-15戰鬥機隔（gé）熱板、發動機噴口、起落架（jià）艙門、後機身上部鈦外殼的（de）生產,使F-15戰鬥機減重72.6Kg;用於B-1轟炸機（jī）檢修艙門、短艙框架的生產,使B-1轟炸機（jī）減重31%,成本降低50%。

我國開展鈦合金超塑成形工藝的研究也有快20年的曆史了,在國內,鈦合金超塑（sù）成形已經應用於電瓶罩的（de）生產,替代了不鏽鋼件,使電（diàn）瓶（píng）罩減重47%,成本降低50%;應用於發動機維護口蓋的生產,代替（tì）了鋁合金鉚接件,使發動機維護口蓋減重20.5%,成本降低55%。

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