超塑性在金屬材料塑性加工中的應用

【摘要】超塑性的概念及發展狀況；實現超塑性的一般途徑；概括總結超塑性在金屬材料塑性加工工程中的應用，包括超塑性擠壓成形，模鍛成形，氣脹成形，超塑性拉深等；總結超塑性在材料加工中的優勢及不足。

【關鍵詞】超塑性；金屬材料；塑性加工

0.引言

在20世紀20年代初人們就發現了金屬和合金的超塑性現象，即在拉伸條件下材料表現出異常高的伸長率（δ100%）而不產生頸縮與斷裂的現象。由于金屬在超塑性狀態下具有高塑性、易成形、少硬化和良好的擴散結合性能，使其成為現代成形領域中一個很有發展前景的研究和應用分支。超塑性的實現，要求材料具有微細而穩定的等軸晶粒組織，即所謂晶粒的微細化、等軸化及穩定化。超塑性變形溫度通常在0.5Tm-TmK（Tm為材料的熔點）范圍內，應變速率一般為10-5-10-1/s。隨著航空、航天和精密儀表的發展，對超塑性技術的研究和應用逐日引起國際和國內相關領域的重視。下面，是幾種超塑性的應用：

1.超塑性擠壓成形工藝

超塑性擠壓成形的工藝大致為：1）設計超塑性擠壓件，使其形狀符合工藝要求；2）檢驗材料，確認其是否適用于超塑成形；3）計算毛坯尺寸，滿足加工前后體積不變原則；4）制坯，通過鋸切、車削、剪切等方法加工到規定尺寸；5）加熱毛坯；6）對毛坯進行潤滑，增加流動均勻性；7）在超塑性溫度（一般在200-900℃）下合模加壓，成形后脫模；8）對成形件進行清理與表面處理。

例如，對于絡筒機張力盤，材料為HPb59-1黃銅，若采用機加工，車到中間退刀時留有未切削部分需要鉗工修整，過程繁瑣，生產率低。若用超塑性擠壓成形，選用棒料毛坯，尺寸?38×9，為減少毛坯的保溫時間和裝模過程中的溫度下降，先將毛坯在附設的電爐內加熱至760℃ 10℃，保溫10-15min裝入模具，在超塑性狀態下成形，成形溫度為500℃，成形力約為300kN，液壓機壓下速度16mm/min，保壓1.5-2min。實踐證明，在超塑性狀態下，HPb59-1黃銅的成形力只有冷加工的1/6-1/5，生產效率提高了幾倍至十幾倍，并節約了材料，提高了組織性能。

2.超塑性模鍛成形工藝

超塑性模鍛成形的工藝大致為：先將合金在接近再結晶溫度下進行熱變形（擠壓、軋制或鍛造）以獲得超細的晶粒組織；然后再超塑性溫度下，在預熱的模具中模鍛成所需的形狀；最后對鍛件進行熱處理，以恢復合金的高強度狀態。需注意，與常規模鍛相比，超塑性模鍛成形速度較低，溫度較高，在800℃以上，最好采用可調速慢速液壓機和耐高溫模具材料。

例如，對飛機發動機的鈦合金（TC11）壓氣機盤（直徑為520mm）進行超塑性等溫鍛造加工。為了確定適宜的成形溫度、速度、潤滑劑，進行了超塑性拉伸和壓縮試驗，結果顯示，初始應變速率在8×10-4-2×10-3/s范圍內，供應態TC11在較寬溫度范圍內具有良好的超塑性，其中在900℃時伸長率為960%-1020%，m值接近0.9；在875-940℃范圍內伸長率均高于600%。超塑壓縮狀態下的流變應力較拉伸狀態有所增大，在壓下量為24.2%-29.3%范圍內，采用RH11潤滑劑，變形后式樣不呈鼓形，說明潤滑效果良好。

3.超塑性氣脹成形工藝

超塑性氣脹成形類似于塑料的吹塑成形，其基本原理是：將被加熱至超塑溫度的金屬板材夾緊在模具上，并在其一側形成一個封閉的空間，在氣體壓力下使板材產生超塑性變形，并逐步貼合在模具型腔表面，形成與模具型面相同的零件。超塑氣脹成形過程一般包括以下步驟：備料，模具和板坯的預熱，壓緊密封，充氣成形，卸壓放氣，開模取件，切邊，強化，表面處理等。

例如，MB8鎂合金儀表零件的超塑氣脹成形。MB8鎂合金板材晶粒度為6.7μm，最佳超塑性條件為T=400℃、ε0=1.11×10-3/s、δmax=312%。模具如圖所示，材料采用Q235鋼。成型時，先將模具與板材加熱到超塑性變形溫度（400℃），保壓5-10min，然后用0.5MPa的壓力吹塑成形10min左右，再將壓縮空氣壓力提高到0.9MPa，保壓10min，使零件圓角處充滿。值得注意的是，當初始吹塑壓力過高（>0.8MPa）及模具圓角半徑R太小時，R處容易吹裂，為此，該工藝中初始成形壓力降至0.5MPa，圓角半徑增大至2-2.5mm。對成形后零件橫截面壁厚檢測表明，R處厚度為0.985mm，最后充滿部位R1的厚度為0.946mm，其他部分厚度為1.086mm，壁厚不均性為12.9%，材料的變薄率36.9%。完全滿足使用要求。

4.超塑性拉深

超塑性拉深的成形方式與冷拉深基本相同，區別是超塑性拉深時坯料處于超塑性狀態，坯料塑性提高，抗力下降，法蘭圈起皺的情況得到很大改善。實現超塑性拉深的方法以差溫拉深為主。差溫拉深的原理是使毛坯的凸緣部分處在超塑性溫度下變形，而對與凸模接觸部分（筒壁部分）的材料進行冷卻，使其接近于常溫狀態，強度較高，從而大大改善超塑性材料的拉深性能。由于拉深過程中凸緣與筒壁間有巨大的溫度差，所以稱之為“差溫拉深”。

例如，前蘇聯學者研究了12Cr18Ni10Ti的超塑性拉深，該材料超塑性溫度為780-850℃，凸緣的平均應變速率10-2-10-1/s。我國馬龍翔教授等研究了Zn-22Al合金的超塑性拉深，材料厚度為1.15mm，凸模直徑30mm，拉深坯料的最大直徑為220mm，凸緣變形溫度為250℃，凸模的行程速度100mm/min，凸緣平均應變速率為10-2/s，得到的拉深制品高度約為制品直徑的10倍，其拉深比大于6.6，所得制品厚度較為均勻，不均勻系數為9.7%。

當然，超塑性在金屬材料塑性加工中的應用還有無模拉拔、以超塑性成形為主的復合加工工藝、脆性材料的超塑性加工等，在這里不再一一介紹。

5.結語

超塑性應用技術作為嶄露頭腳的材料加工新技術，有著傳統加工技術不可比擬的優勢：其成形力小，可以降低成形設備噸位，節約能源；充型能力強，可成形出復雜形狀的工件；可將多道次的塑性成形改為一次成形，提高了材料利用率；同時，成形后金屬組織性能也顯著改善，晶粒細小，殘余應力小，不會產生裂紋和加工硬化。然而，上述優點是在比較理想的超塑性狀態下才能充分展現的，實際上超塑性成形技術也存在著不足或局限性：其實，生產中易于實現超塑性的材料目前還不是很多，其次，組織超塑性要求材料具有微細的等軸晶粒組織，因此成形前一般需進行組織超細化預處理，工藝繁瑣；另外，超塑成形的速度也比常規塑性加工慢，生產效率較低。

綜上所述，超塑性在金屬塑性加工中的應用已取得了很大成就，但同時也存在一些亟待解決和攻克的問題。所以說，目前超塑性的應用技術還存在著非常廣闊的研發和應用前景。

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