超塑成形技術在航空中的應用

楊磊

【摘 要】超塑性成型技術利用超塑性材料在特定穩定和應變速率下可達到較大變形量的特性，能夠在一次成型過程中成型難成型材料和含復雜結構細節的零部件，成型后的零件性能較好，能夠較大的減少生產費用和達到良好的減重效果。本文介紹了超塑性成型技術在航空中的應用，為后續開展相關研究做了基本的鋪墊。

【關鍵詞】超塑性；航空；應用

1 超塑成形技術

超塑性是指材料在一定的溫度范圍內或一定的組織條件下，以很低的應變速率進行變形時不發生宏觀頸縮，表現出抗力小和應變大的特性。其材料的本構關系可用Norton-Hoff公式定義：

式中：

？滓：等效應力，一般采用von Mises等效應力；

K：材料性能參數；

m：應變速率敏感系數；

n：材料硬化系數。

一般的，上式可以在不考慮超塑性材料的硬化性能（即n=0）的情況下簡化為：

簡化后需確定的材料性能參數為K和m。以上兩個參數一般通過以下公式計算得到：

一般的，超塑性有以下特性：

——在斷裂前的大變形；

——在低應力水平下的低變形速率。

超塑性是由晶界滑動、晶內位錯運動及擴散運動等多種極值組合共同實現的[4]，已經在金屬材料（尤其是鋁合金和鈦合金）、金屬間化合物和陶瓷材料等材料中實現。超塑成型技術（SuperPlastic Forming，SPF）利用材料的超塑性來成形零件，可用來制造具有較好力學性能的復雜大變形零件。作為一種近凈成形技術，在航空、航天、交通和醫療等領域獲得了廣泛的應用。

在實際應用中，氣壓成形是最能體現超塑成形全部特點的一種新工藝，適用于用板材加工制造復雜形狀的空心零件。通常采用超塑性氣壓脹形來制造難變形材料復雜零部件。與常規方法相比，可減輕構件重量，顯著降低制造成本，目前在航空航天等領域有著廣泛的應用。然而，超塑性氣壓脹形加工的時間長，零件在高溫下的變形過程十分復雜，容易出現孔洞、壁厚分布不均勻、晶粒長大等缺陷[5]。

2 超塑成型技術的優勢與劣勢

2.1 超塑性成型技術的優勢

超塑性成形技術對復雜零件的制造有其非常明顯的優勢。它可在一次成形過程中獲得具有如加強細筋等結構細節的零件，具有較高的成型性能和良好的設計適應性（圖 1），最終成型的零件具有較高的外形精度，回彈量小，幾乎無殘余應力，且可在大幅降低零件加工次數的同時減少裝配結構的零件數。

B737登機門采用Al7475鋁合金制造，如圖 2所示。在采用超塑性成型技術來制造該登機門后，與傳統裝配技術相比，超塑性成型技術由于一體化成型從而大幅度減少了功能件安裝，減少了75%的裝配費用[13]。

超塑性下的低水平應力可以用來成型在常規加工方式難以加工的硬材料。該技術還可與擴散焊接工藝（Diffusion Bonding，DB）相結合，該方法稱為超塑性成型-擴散焊工藝（SPF-DB），可用來實現較多零部件集合而成的復雜零件，如圖3所示。

2.2 超塑成型技術的劣勢

為能采用超塑成型技術，需要成型材料本身具有較高的應變速率敏感系數。為滿足以上要求，材料一般需要晶粒大小小于10？滋m，同時具有較為穩定的等晶軸結構。這些微觀條件在大部分材料中都不滿足，需要通過一定的熱加工處理或其他工藝方式處理來得到，這些處理常常會增加材料的成本和降低材料的經濟性[8]。

超塑性成型技術能夠獲得較大變形量的最終成型零件，其成型過程限制在較小的參數范圍內，主要是應變速率和溫度的要求。為了獲得所需超塑性性能，在成型過程中應變速率被控制在m>0.3的范圍下，一般為小于10-3s-1，從而使得成型時間較傳統加工方法大為增加。

除了將應變速率控制在所需范圍內外，還需要配合合適的成型溫度（圖4）。一般超塑性成型所要求的成型溫度在50%～75%的絕對融化溫度，在該溫度下一般需要復雜的溫度控制和設備冷卻系統，同時還需要有保護性氣體來解決氧化問題。

超塑性材料沒有加工硬化效應，如果用一般常規方法拉深，其效果還不如一般的金屬沖壓。因此，要提高超塑性材料的拉深性能，必須采用特殊的拉深方法[7]。

以上的劣勢一般通過減少加工和裝配的費用及極大的降低裝配件的數量來補償。

3 超塑成形技術在航空中的應用

在航空工業中，一般對年批量50～1000件左右的零件采用超塑性成型技術較為經濟[2]。

民機中的超塑性成型零件典型的有機翼口蓋、尾椎艙和維修口蓋等。

美國的遠程戰斗機B-1B的機翼上下壁板蒙皮采用超塑性成型技術中的蠕變老化成型方式（Creep age forming， CAF），該機翼蒙皮長15.2m，在靠近翼根內端寬2.7m，厚度從內向外由63.5mm逐漸過渡到2.5mm[6]。

A380飛機的機翼蒙皮用AA7055鋁合金制造，長度為33m，最寬的地方為2.8mm，且為雙曲率氣動表面，如圖5所示[6]。

Boyer總結了航空工業中的鈦合金使用情況[10]。鈦合金由于其較好的比強度和優秀的抗腐蝕性能，是航空業中常用的超塑性材料。Ti6Al4V是其中最常用的材料，它的晶粒大小約在8？滋m，常用超塑性成型溫度為900～920℃。在上世紀90年代后期，日本NKK公司開發了稱為SP700的鈦合金，其成型溫度降低至760℃。所示的B757飛機艙門下限位角原來采用Ti6Al4V，在2000年時選用了SP700[11]。

Hefti系統展示了超塑性技術SPF和SPF-DB技術在美國部分飛機上的應用[14]。該方面技術早期的應用主要在軍用飛機上。圖9所示為F-15E飛機上應用SPF和SPF-DB技術所生產的部分零部件，這也是SPF-DB技術首次應用于飛機主要結構件上。通過采用超塑性相關成型技術，F-15E飛機實現了15%的成本縮減和44%的減重效果。endprint

在民機方面，B737飛機APU艙門（參見圖2）采用SPF技術，將部件數量由31個降為6個（降低81%），緊固件數量從237個減至137，減少42%。反推腹板采用SPF技術，將鎳合金改為超塑性鈦合金材料，達到了減重40%、節省費用17%的效果，同時該方案將零部件數量從32個減少至3個（縮減91%），緊固件數量從816個降低至596個（降低了27%）[14]。

隨著研究的深入和技術的發展，SPF技術在航空方面的應用越來越多。采用SPF-DB技術成型的融合式翼梢小翼，費用節省23%，減重效果達到38%[14]。

【參考文獻】

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[13]S. Hori， M. Tokzane and N. Furushiro， Superplasticity in Advanced Materials （ICSAM-91）， Osaka： JSRS， 1991.

[14]Larry D. Hefti. Using Superplastic Forming as a Means of Achieving Cost Benefits as Well as Enhancing Aircraft Performance. In "High performance metallic materials for cost sensitive applications"， edited by F. H. Froes， E. Chen， R.R. Boyer et al.， 2002.

[責任編輯：張濤]endprint