超塑性模锻工艺的应用及发展 - 文章

超塑性模锻工艺的应用及发展

作者：上海交通大学洪慎章曾振鹏

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摘要：介绍了超塑性模锻的实质及工艺过程；列举了超塑性模锻的应用现状及模具材料；阐述了超塑性模锻工艺的特点和优点。
关键词：超塑性模锻；应用；特点；优点

一、引言

随着航空宇航工业的迅速发展及外向型经济日益扩大，模锻件质量及成本的竞争愈来愈激烈。超塑性模锻是近几年中发展起来的一种少无切削和精密成形技术的锻造新工艺。它利用金属材料的超塑特性使毛坯成形，得到形状复杂及尺寸较精确的锻件。

近年来，高温合金和钛合金的使用不断增加，这些合金的特点是：流变抗力高，可塑性低，具有不均匀变形所引起机械性能各向异性的敏感性，难于机械加工及成本高昂。如采用普通热变形锻造工艺时，机械加工的金属损耗达80%左右，往往不能满足航空零件所需的机械性能；但是采用超塑性模锻方法，就能改变过去肥头大耳的落后锻造工艺。

金属材料的超塑性是指金属在特定条件(晶粒细化，极低的变形速度及等温变形)下，能够具有比一般条件下更大的塑性。如一般塑性较好的低碳钢拉伸时延伸率只有30%～40%，塑性好的有色金属也只有60%～70%，但超塑性状态，一般认为塑性差的金属延伸率在100%～200%范围内，塑性好的金属延伸率在500%～2000%范围内。

二、超塑性模锻的工艺过程［1，8］

超塑性模锻工艺过程如下：首先将合金在接近正常再结晶温度下进行热变形(挤压、轧制或锻造等)以获得超细的晶粒组织；然后在超塑温度下，在预热的模具中模锻成所需的形状；最后对锻件进行热处理，以恢复合金的高强度状态。

根据超塑性存在条件，超塑性模锻要求坯料在成形过程中保持恒温，即将模具和变形合金加热到同样温度的一种锻造工艺。

图1两种模锻工艺的比较
(a)普通模锻 (b)超塑性模锻
1.毛坯 2.锻件

图1表示用普通模锻和超塑性模锻获得同一涡轮盘锻件(钛合金)的工艺比较。表1列出了两种模锻方法的主要工艺参数的比较。

表1两种模锻工艺的比较(钛合金涡轮盘锻件)

工艺参数	普通模锻	超塑性模锻
毛坯加热温度(℃)	940	940
模具加热温度(℃)	480	940
变形速度(mm/s)	12.7～42.3	0.025
平均单位压力(MPa)	500～583	117
模锻时工序次数	4	1

根据超塑性条件，超塑性模锻要求成形速度比较低(若模锻精密的零件，则速度应选得更低些)。可以采用可调速慢速液压机，使工件变形时速度逐渐减慢，以便得到良好的充满性。超塑性模锻的实践表明，模锻一件成品大约需要2～8min，类似于蠕变模锻。

三、超塑性模锻的应用现状［1，2，3，8］

各种零件的超塑性模锻介绍如下：

(1)美国用超塑性模锻制造Ti-6Al-6V-2Sn钛合金的飞机大梁。此合金在普通模锻时由于锻造温度范围较窄，随着变形温度的下降，变形抗力急增，很难模锻。但采用超塑性模锻就很容易成形，其模锻工艺参数如下：平面毛坯的钛合金加热到980℃，在精铸的MAR-M200合金模具中进行等温模锻，变形速度0.04mm/s，成形时间为3～5min，模锻总压力2670kN。

(2)美国用超塑性模锻Ti-6Al-6V-2Sn钛合金起落架前轮，使该合金既能显著降低变形抗力，又能锻成精确的形状。其模锻工艺参数如下：带孔的圆毛坯钛合金加热到980℃，在精铸的MAR-M200合金模具中进行等温模锻，变形速度为0.04mm/s，成形时间为5～8min。模锻时平均单位压力为114MPa。为防止在模锻过程中锻件的氧化，应采用氩气保护。

(3)美国铝业公司用超塑性模锻Ti-6Al-4V钛合金框架加强板和支承底座机件。该合金是在950℃下进行超塑性模锻。框架加强板的投影面积为10320mm2，超塑性模锻后锻件重量为0.32kg，加强肋的最小壁厚3.17mm，而普通模锻件重3.63kg。支承底座机件的投影面积为13545mm2，超塑性模锻后锻件的重量为0.82kg，最小厚度2.67mm，而普通模锻件重6.36kg。

(4)美国国家宇航局用超塑性模锻TAZ-8A高温合金的涡轮叶片。TAZ-8A是美国近年来发展的一种新型铸造合金，无可锻性，轻微锻造就要破裂，而采用超塑性却模锻出涡轮叶片。模锻工艺参数如下：把直径Φ25.4mm的细晶粒圆坯料加热到1093℃，在加热的模具中进行等温模锻，一次变形量就可达75%。模具材料是TZM钼基铸造高温合金。

(5)俄罗斯航空动力研究所用超塑性模锻法对BT9钛合金压气机叶片进行多件模锻。将钛合金毛坯Φ38mm×205mm加热到960℃，在10000kN油压机上进行等温变形，变形速度为1.5mm/s，平均单位压力为300～320MPa。模具材料为ЖC6-KП镍基铸造合金。用ЭBT-24型号玻璃润滑剂。锻后的多件模锻坯在切边压力机上进行切边分离工序。

(6)俄罗斯用超塑性模锻ЖC6-KП合金导向叶片。该材料是一种铸造合金，经过热静液压后，获得均匀的细晶粒组织。拉伸试验表明，该合金在1075℃～1125℃之间具有超塑性，最大延伸率可达500%。用1000kN油压机进行导向叶片的超塑性模锻，模具和坯料的加热温度均为1100℃，变形速度为1～2mm/s。模锻总压力为250kN，平均单位压力为150MPa。叶片表面质量良好，没有裂纹或其它缺陷。

(7)美国Wyman-Gordon公司用超塑性模锻飞机水平安定面连杆、舱隔及轴承支座。舱隔尺寸为560mm×610mm，普通模锻时，舱隔锻件重量为150kg，而超塑性模锻件重30kg。用普通模锻轴承支座的重量为54kg，超塑性模锻件重21kg。

四、超塑性模锻用的模具材料［7，8］

高温合金和钛合金的超塑性温度范围大多在800℃以上，因此超塑性模锻对模具材料必需具有如下要求：

(1)较高的高温强度；
(2)高的耐磨性和一定的高温硬度；
(3)优良的耐热疲劳性和抗氧化性能；
(4)适当的冲击韧性；
(5)较好的淬透性和导热性。

目前生产上大多采用镍基铸造高温合金：如IN-100、MAR-M200、ЖC6-KП等，也有采用钼基合金TZM，但当工作温度超过500℃时，由于钼的氧化皮较严重，因此需采用氩气保护。

五、超塑性模锻工艺的特点及优点［4，5，6，8］

从上述所举的许多模锻件可知，超塑性模锻工艺具有如下的4大特点：

(1)显著提高金属材料的塑性。例如过去认为不能变形的IN-100，ЖC6-KП及Astroloy等铸造镍基合金，也可以使之具有超塑性，并且能模锻尺寸精确的涡轮盘、叶片，甚至带叶片的整体涡轮。

(2)极大地降低金属的流变抗力。在超塑性状态下，金属的流变抗力很低。一般超塑性模锻的总压力只是相当于普通模锻的几分之一到几十分之一。因此在吨位较小的锻造设备上可模锻较大的工件。

(3)金属的超塑性能使形状复杂、薄壁、高肋的锻件在一次模锻中锻成。而普通模锻高强度合金时，则需要多次锻打，甚至很难锻成。这样既能减少加热次数及节约燃料，又可消除在多次加热中所形成的表面氧化缺陷。例如普通模锻时锻件缺陷的表面厚度为0.25mm或更大，而超塑性模锻为0.05mm。

(4)在超塑性模锻过程中，金属继续保持均匀细小的晶粒组织。因此在产品整体上有均匀的机械性能。由于超塑性成形后金属晶粒仍为等轴晶，所以机械性能各向同性。但在普通模锻时呈各向异性，而使工件的横向疲劳性能和断裂韧性有所降低。

由于超塑性模锻工艺的特性，从而使锻件得出如下6个优点：

(1)精度高在超塑性状态变形时，因合金的流动性高，故充填性良好，模锻后尺寸精密，机械加工量很小，甚至可不再加工，这对很难机械加工的高温合金和钛合金锻件特别有利。两种模锻工艺参数的比较见表2所示。

表2两种模锻工艺参数的比较

工艺参数	普通模锻	超塑性模锻
模锻斜度(°)	5	0～1
外圆角半径(mm)	22	10
内圆角半径(mm)	10	3.3
锻不足量(mm)	0.76～3.3	0～1
错移(mm)	1.27	0.51
歪曲(mm)	1.52	0.38
长度及宽度公差(mm)	±1.0	±0.38
肋的厚度(mm)	12.7	2.5～3.2

(2)机械性能高由于锻件所获得的是均匀细晶粒组织，并呈各向同性，使合金的屈服强度、低频疲劳及抗应力腐蚀性能都有显著提高。
(3)材料利用率高由于这种工艺具有超塑的特性，使这种工艺参数有很大的变化。据资料统计，超塑性模锻与普通模锻相比，金属消耗降低一半以上。
(4)模具寿命高由于所锻材料的流变抗力显著降低，能延长模具的使用寿命，减少模具损耗，降低成本。
(5)废品率低未充满的锻件可重新进行超塑性模锻，而不影响合金的性能，从而大大减少废品率。
(6)无残余应力由于在极慢的速度下进行塑性变形，使锻件中不存在残余应力和冷加工储备能，故无回弹问题，在热处理时尺寸稳定，这点对钛合金极为有利。

六、结束语

在航空高温合金及钛合金零件的生产中，采用超塑性模锻工艺，在技术和经济上明显优于常规模锻工艺。它提高了产品质量和合格率、减少了机械加工工时、节约材料及基本设备投资，达到降低锻件成本的目的。超塑性模锻工艺特别适合于形状复杂、带孔或台阶形状零件的成形。该工艺是一种很有发展前途的新工艺。

参考文献
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металлов．Москва：Машиностроение，1978.
［3］Смирнов О М.Обработка металлов давлением
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Машиностроение，1979.
［4］Семенов Е И.Ковка и штамповка справочник．
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［5］Семендий В И，и др.Прогрессивные технология，оборудование и автоматизация кузнечноштамповочного производства камаза．Москва:
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［6］Атрошенко А П,и др.Металло-сберегающие
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Ленинград:Машиностроение，1990.
［7］洪慎章.超塑性成形用的模具材料.机械工程材料.1982(2).
［8］洪慎章.国外航空锻件的超塑性模锻.上海：上海交通大学出版社，1992.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/19/2007)


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