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中国超塑成形技术发展迅速 有力推动军工发展

放大字体  缩小字体 发布日期:2013-12-28  来源:中国钣金网  浏览次数:310
核心提示:国古老的民间“吹糖人”艺术,可以使柔软的糖稀在气体的作用下,以几百甚至上千倍的延伸率成形出各种想要的形状。而这种“超塑性”正是材料的一种特殊属性。实验表明,具有超塑性的材料在拉应力作用下能伸长几十倍甚至上百倍,不会出现缩颈,也不会断裂。
   国古老的民间“吹糖人”艺术,可以使柔软的糖稀在气体的作用下,以几百甚至上千倍的延伸率成形出各种想要的形状。而这种“超塑性”正是材料的一种特殊属性。实验表明,具有超塑性的材料在拉应力作用下能伸长几十倍甚至上百倍,不会出现缩颈,也不会断裂。
  金属超塑性最早被发现于1920年,Rosenhain等人发现Zn-4Cu-7Al合金在低速弯曲时可以弯曲近180°而不出现裂纹,与普通晶体材料大不相同。1964 年,W. A. Backofen、I.R. Turner和D.H. Avery发表了具有划时代意义的文章《Zn–Al合金超塑性》,在文中最后一段提到“没有什么比能够将聚合物和玻璃成形技术应用到金属中进行成形而更使人惊叹的事情了”,从此揭开了金属超塑成形的序幕。1968年英国里兰德汽车公司采用超塑成形工艺方法生产了工业用Zn-22%Al共析合金的汽车上盖和车门内板,开创了超塑成形技术的实用先例。
  超塑成形工艺按成形介质可分为气压成形、液压成形、无模成形、无模拉拔;按原始坯料形式可以分为体积成形、板材成形、管材成形、杯突成形等等。其中,在航空航天领域中,应用最为广泛的超塑成形方法是板材气压成形,也称吹塑成形。吹塑成形是一种用低能、低压获得大变形量的板料成形技术。通过设计制造专用模具,在模具与板料中间形成一个封闭的压力空间,板料被加热到超塑性温度后,在气体作用下,坯料产生超塑性变形,逐渐向模具型面靠近,直至同模具完全贴合形成预定形状。具备超塑性的材料包括钛合金、铝合金、镁合金、高温合金、锌铝合金、铝锂合金等。
  目前超塑成形技术最广泛的应用是与扩散连接技术组合而成的超塑成形/扩散连接组合工艺技术,利用金属材料在一个温度区间内兼具超塑性与扩散连接性的特点,一次成形出带有空间夹层结构的整体构件。按照成形构件初始毛坯数量不同可以分为单层、两层、三层及四层结构形式(如图)。采用超塑成形/扩散连接工艺成形的空心夹层结构零件具有成形性好、设计自由度大、成形精度高、没有回弹、无残余应力、刚性大、周期短、减少零件数量等优点。由于采用这种结构减少了零件和连接件的数量,消除了大量的连接孔,也避免了连接孔在连接过程中可能出现的裂纹,大大提高了结构的耐久性和损伤容限。另外,该结构可以实现最佳的刚度重量比。用超塑成形/扩散连接结构代替常规的金属结构件,一般可减轻结构重量10%——50%,制造成本可降低25%——40%,所带来的经济效益相当可观,广泛应用于航空航天领域。钛合金在相同的温度窗口内,兼具优良的超塑性及扩散连接性,是目前应用最为广泛的超塑成形/扩散连接工艺材料,军民用飞机机身整体框、梁、壁板、口盖、舱门、机翼、后机身隔热板等部件均采用超塑成形/扩散连接多层空心结构形式,减重效益突出。除此以外,在大涵道比涡扇发动机中采用超塑成形/扩散连接技术成形宽弦空心风扇叶片,代表了超塑成形/扩散连接技术发展应用的最高水平。
  在国外,超塑成形/扩散连接技术发展已经相当成熟。美国有很多公司具有生产超塑成形、超塑成形/扩散连接构件的能力。超塑成形、超塑成形/扩散连接零部件广泛应用于多种先进型号的飞机和发动机上,例如,F-15中有超塑成形/扩散连接结构件70余件;F-18中有钛合金超塑成形/扩散连接结构件20多件;在F-22中也大量采用了超塑成形/扩散连接组合结构,如后机身钛合金超塑成形/扩散连接的隔热板等。与此同时,欧洲的超塑成形技术的应用及发展速度及规模也很迅速。英国很多公司都具有很强的钛合金超塑成形/扩散连接结构件的生产能力。罗罗公司采用超塑成形/扩散连接技术研制出了钛合金宽弦无凸肩空心风扇叶片,处于世界领先地位。俄罗斯拥有世界上最大超塑性研究机构乌法超塑性研究所,法国的超塑成形公司均已具备批量生产能力。德国MBB公司采用超塑成形工艺生产了卫星上的推进剂箱体。
  我国从70年代,开始进行超塑成形/扩散连接的基础性研究,先后开展典型结构件研制、模具选材实验、性能测试、质量控制和检测等研究工作。其中在国内开展超塑成形工艺研究和应用的单位主要包括北京航空制造工程研究所、哈工大、西工大、南航等。经过近四十年的努力,超塑成形,扩散连接的运用达到了一定的规模。在军民两用方面,使用超塑成形/扩散连接构件越来越多,构件的尺寸也越来越大,构件的结构也从单层、两层到复杂的三层、四层、五层结构等。尤其在航空航天领域得到广泛应用,获得良好的技术经济效益。
  目前,超塑成形技术的应用范围已经从钛合金发展到铝锂合金,金属基复合材料,金属间化合物,陶瓷基复合材料等多种材料。超塑成形技术未来发展趋势是更加注重大型复杂整体结构件成形、低成本高效率成形工艺、超塑成形技术与各种先进连接组合工艺技术组合工艺、超细晶、纳米晶材料、难变形耐高温材料成形等多方面的研究。
  随着超塑成形技术的不断发展,将充分发挥材料特点,利用改变材料自身形状的属性改变传统制造技术,提升我国轻量化整体结构设计制造水平,推动先进制造技术在军工和民用领域的发展应用。
 
 
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