超塑性在金屬材料塑性加工中的應(yīng)用
2012-12-31 00:00:00張立業(yè)
【摘要】超塑性的概念及發(fā)展?fàn)顩r；實(shí)現(xiàn)超塑性的一般途徑；概括總結(jié)超塑性在金屬材料塑性加工工程中的應(yīng)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(jié)超塑性在材料加工中的優(yōu)勢(shì)及不足。
【關(guān)鍵詞】超塑性；金屬材料；塑性加工
0.引言
在20世紀(jì)20年代初人們就發(fā)現(xiàn)了金屬和合金的超塑性現(xiàn)象，即在拉伸條件下材料表現(xiàn)出異常高的伸長率（δ100%）而不產(chǎn)生頸縮與斷裂的現(xiàn)象。由于金屬在超塑性狀態(tài)下具有高塑性、易成形、少硬化和良好的擴(kuò)散結(jié)合性能，使其成為現(xiàn)代成形領(lǐng)域中一個(gè)很有發(fā)展前景的研究和應(yīng)用分支。超塑性的實(shí)現(xiàn)，要求材料具有微細(xì)而穩(wěn)定的等軸晶粒組織，即所謂晶粒的微細(xì)化、等軸化及穩(wěn)定化。超塑性變形溫度通常在0.5Tm-TmK（Tm為材料的熔點(diǎn)）范圍內(nèi)，應(yīng)變速率一般為10-5-10-1/s。隨著航空、航天和精密儀表的發(fā)展，對(duì)超塑性技術(shù)的研究和應(yīng)用逐日引起國際和國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的重視。下面，是幾種超塑性的應(yīng)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(shè)計(jì)超塑性擠壓件，使其形狀符合工藝要求；2）檢驗(yàn)材料，確認(rèn)其是否適用于超塑成形；3）計(jì)算毛坯尺寸，滿足加工前后體積不變?cè)瓌t；4）制坯，通過鋸切、車削、剪切等方法加工到規(guī)定尺寸；5）加熱毛坯；6）對(duì)毛坯進(jìn)行潤滑，增加流動(dòng)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(duì)成形件進(jìn)行清理與表面處理。
例如，對(duì)于絡(luò)筒機(jī)張力盤，材料為HPb59-1黃銅，若采用機(jī)加工，車到中間退刀時(shí)留有未切削部分需要鉗工修整，過程繁瑣，生產(chǎn)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(shí)間和裝模過程中的溫度下降，先將毛坯在附設(shè)的電爐內(nèi)加熱至760℃ 10℃，保溫10-15min裝入模具，在超塑性狀態(tài)下成形，成形溫度為500℃，成形力約為300kN，液壓機(jī)壓下速度16mm/min，保壓1.5-2min。實(shí)踐證明，在超塑性狀態(tài)下，HPb59-1黃銅的成形力只有冷加工的1/6-1/5，生產(chǎn)效率提高了幾倍至十幾倍，并節(jié)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(jié)晶溫度下進(jìn)行熱變形（擠壓、軋制或鍛造）以獲得超細(xì)的晶粒組織；然后再超塑性溫度下，在預(yù)熱的模具中模鍛成所需的形狀；最后對(duì)鍛件進(jìn)行熱處理，以恢復(fù)合金的高強(qiáng)度狀態(tài)。需注意，與常規(guī)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(diào)速慢速液壓機(jī)和耐高溫模具材料。
例如，對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦合金（TC11）壓氣機(jī)盤（直徑為520mm）進(jìn)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(jìn)行了超塑性拉伸和壓縮試驗(yàn)，結(jié)果顯示，初始應(yīng)變速率在8×10-4-2×10-3/s范圍內(nèi)，供應(yīng)態(tài)TC11在較寬溫度范圍內(nèi)具有良好的超塑性，其中在900℃時(shí)伸長率為960%-1020%，m值接近0.9；在875-940℃范圍內(nèi)伸長率均高于600%。超塑壓縮狀態(tài)下的流變應(yīng)力較拉伸狀態(tài)有所增大，在壓下量為24.2%-29.3%范圍內(nèi)，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(cè)形成一個(gè)封閉的空間，在氣體壓力下使板材產(chǎn)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(yù)熱，壓緊密封，充氣成形，卸壓放氣，開模取件，切邊，強(qiáng)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(shí)，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(dāng)初始吹塑壓力過高（>0.8MPa）及模具圓角半徑R太小時(shí)，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(duì)成形后零件橫截面壁厚檢測(cè)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(qū)別是超塑性拉深時(shí)坯料處于超塑性狀態(tài)，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(shí)現(xiàn)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(duì)與凸模接觸部分（筒壁部分）的材料進(jìn)行冷卻，使其接近于常溫狀態(tài)，強(qiáng)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(lián)學(xué)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(yīng)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(yīng)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(shù)為9.7%。
當(dāng)然，超塑性在金屬材料塑性加工中的應(yīng)用還有無模拉拔、以超塑性成形為主的復(fù)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(jié)語
超塑性應(yīng)用技術(shù)作為嶄露頭腳的材料加工新技術(shù)，有著傳統(tǒng)加工技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)：其成形力小，可以降低成形設(shè)備噸位，節(jié)約能源；充型能力強(qiáng)，可成形出復(fù)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(shí)，成形后金屬組織性能也顯著改善，晶粒細(xì)小，殘余應(yīng)力小，不會(huì)產(chǎn)生裂紋和加工硬化。然而，上述優(yōu)點(diǎn)是在比較理想的超塑性狀態(tài)下才能充分展現(xiàn)的，實(shí)際上超塑性成形技術(shù)也存在著不足或局限性：其實(shí)，生產(chǎn)中易于實(shí)現(xiàn)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(xì)的等軸晶粒組織，因此成形前一般需進(jìn)行組織超細(xì)化預(yù)處理，工藝繁瑣；另外，超塑成形的速度也比常規(guī)塑性加工慢，生產(chǎn)效率較低。
綜上所述，超塑性在金屬塑性加工中的應(yīng)用已取得了很大成就，但同時(shí)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(yīng)用技術(shù)還存在著非常廣闊的研發(fā)和應(yīng)用前景。
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