鈦合金具有抗疲勞、比強度高、耐腐蝕耐高溫、一定的形狀記憶性能、優越的力學性質、化學性質穩定等優點,在航空航天、化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、冷變形抗力大、屈強比高、塑性不高、回彈嚴重、冷加工性能差等缺點,使其在加工后容易產生回彈以及各向異性爐。因此,各國學者與專家加強了對鈦合金超塑性的研究。所謂超塑性是指材料在一定的內部條件和外部條件下,呈現出異常低的流變抗力、異常高的流變性能的現象。
1、鈦合金的超塑成形工藝
1.1 鈦合金超塑成形的條件
(1)溫度:即恒定的變形溫度。不同的鈦合金其溫度有所不同,但是大概的區間在700~1000℃之間。比如Ti-6AL-4V的溫度是850℃。
(2)應變速率:具有超塑性的金屬一般具有緩慢的應變速率,這是因為原子擴散需要充分多的時間。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、細微的晶粒結構,比如鈦合金的晶粒尺寸小于3mm。
以上3個條件,除了晶粒結構是由原材料的性質來決定、作保證的以外,溫度和應變速率都可以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
因為鈦合金超塑成形的溫度一般在700℃~1000℃之間,因此對模具的材料的性質有著特殊的要求,比如較高的高溫強度、熱穩定性要好、熱膨脹系數要小、材料價格低廉、加工制作方面等等,目前主要有耐熱合金、耐熱鋼、陶瓷和碳纖維增強復合材料模具等等。比如碳纖維增強復合材料模具,其變形抗力在室溫和1000℃高溫的環境下幾乎是相等的,而且碳纖維增強復合材料模具只有耐熱鋼模具重量的1%;碳纖維增強復合材料模具在冷卻時,其收縮率小于成形零件,利于零件的脫模;碳纖維增強復合材料模具的制模設備價格低廉。
1.3 鈦合金超塑成形的工藝
(1)高溫加熱:鈦合金超塑成形一般采用模具爐內加熱法,即模具放進爐內高溫加熱,直至加熱到超塑成形的溫度,再把鈦合金原料放入模具內,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:因為鈦合金超塑成形是氣壓成形,因此模具和鈦合金原料都要密封處理。
(3)真空:為了保證鈦合金零件貼膜良好,對鈦合金原料起到保護作用,要對模腔內抽真空。
(4)刷保護涂料:因為鈦合金超塑成形溫度很高,為了防止其氧化和吸氫,需要在鈦合金原料表面刷上一層保護涂料,起到保護層的作用。對于保護涂料也有一定的特殊要求,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、熱穩定性和潤滑性,對模具和鈦合金零件不能有污染,價格要便宜,而且易于涂刷和清洗,比較常用的有石墨水劑、高溫油漆。
(5)充氣:由于鈦合金超塑成形是氣壓成形,因此要向模具里壓入一定壓力的惰性氣體(為了防止鈦合金在高溫下氧化和吸氫),并且充氣速率要緩慢。
2、鈦合金超塑成形的一些實例
2.1 超塑等溫鍛造
超塑等溫鍛造是使用耐熱合金模具進行鍛造,在模具周圍包裹高頻感應加熱線圈,使鈦合金原料和模具在相同的溫度下成形,得到更接近需要零件持續的工件,省去后續精加工,降低成形成本。比如上海鋼研所用等溫鍛造對Ti-5AL-4Mo-9Cr-2Sn-2Zr進行了超塑成形,生產出超生換能器變幅桿和帶葉片的整體渦輪盤,不僅降低了加工時間,也使成形成本降低了20%~30%。
2.2 氣壓成形
氣壓成形是能體現鈦合金超塑成形全部特點的工藝。它具有一次加工成形、加工簡單、加工零件尺寸不受限制、成形壓力小、模具成本低、不會產生殘余應力(因為是低速成形)等優點。比如北京機電研究所利用氣壓成形制造了球底件、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,制造出形狀各異的整體零件。美國是早利用鈦合金超塑性成形與擴散鏈接的結合的技術研究與應用的。資料顯示,1986年美國麥道公司生產的F215戰斗機上就有鈦合金SPF/DB結構件約100個。
2.4 真空成形
真空成形是在超塑性溫度范圍內,將板材在真空環境下壓入模具成形,一般采用陶瓷模具,可以防止零件在高溫下蠕變而產生皺褶。資料顯示,美國與日本已經利用了真空成形方法加工了Ti-6AL-4V合金。
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空領域。在國外,鈦合金超塑成形工藝已經用于BAe125行政機應急艙門的生產,使飛機減重10%,成本降低30%;用于ATP直升機檢修艙門的生產,使其成本降低40%;用于F-15戰斗機隔熱板、發動機噴口、起落架艙門、后機身上部鈦外殼的生產,使F-15戰斗機減重72.6Kg;用于B-1轟炸機檢修艙門、短艙框架的生產,使B-1轟炸機減重31%,成本降低50%。
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