钛合金的先进制造技术解析课件

1、第8章 飞行器生产中钛合金的先进制造技术1 8.1 钛板超塑性成形8.1.1 超塑性成形的特征塑性：是金属的主要属性之一，它指的是金属在不遭受破坏的情况下，既具有永久变形能力又具有足够强度的性能。“超塑性”就是超出一般“塑性”指标的金属的特性。 作为衡量塑性优劣的一个重要指标延伸率值，一般金属均不超过百分之几十，如黑色金属不大于40%，有色金属不大于60%（软铝约为50%，而金银一般也只80%），它们即使在高温下拉伸，也难以达到100%。从材料的提纯、冶炼、锻造和热处理中设法改善金属的塑性，但都不理想，无法大幅度提高塑性指标。2 在长期以来金属变形的研究中，有人发现某些金属在一定条件下具有大大

2、超过一般塑性的特异性能，这些具有超塑性的金属其值可超过百分之百，有的甚至达到百分之二千也不产生缩颈现象。随着研究的深入，普遍认为这种特殊的、巨大的延伸特性并不限于某几种合金；对大多数金属材料，包括钢铁等黑色金属以及一般认为难成形的钛合金等，在特定条件下都可使值提高几倍至几十倍。比如Ti-6Al-4V板材，常温下的值约10%，Ti-5Al-4V约14%，前者在加温到760时，值约为65%，850时约90%，即使加温到900也只达110%左右。然而处于超塑性条件下的Ti-6Al-4V，值可高达500%以上，甚至1000%以上。3 超塑性是一种奇特的现象。具有超塑性的合金能像饴糖一样伸长10倍、20

3、倍甚至上百倍，既不出现缩颈，也不会断裂。金属的超塑性现象，是英国物理学家森金斯在1982年发现的，他给这种现象做如下定义：凡金属在适当的温度下（大约相当于金属熔点温度的一半）变得像软糖一样柔软，而应变速度10毫米/秒时产生本身长度三倍以上的延伸率，均属于超塑性。4超塑性与传统成形方法相比，具有如下特征：(1) 大变形 超塑性材料在单向拉伸时值极高，表明超塑性材料在变形稳定状态方面要比普通材料好得多。(2) 无缩颈 超塑性材料表现出很强的抗颈缩能力，无明显的局部缩颈。(3) 小应力 超塑性材料在变形过程中，变形应力可以很小，具有粘性或半粘性流动的特征。通常用流动应力表示变形应力的大小。在一定的速

4、度下，流动应力要比一般金属的变形应力小到几分之一以至几十分之一。(4) 易成形 由于超塑性材料具有上述特点，在变形过程中基本没有应变硬化，因此压力加工流动性与填充性极好，所需设备能量低。5 超塑加工具有很大的实用价值，只要很小的压力就能获得形状非常复杂的制作。试想一下，金属变成了饴糖状，从而具有了可吹塑和可挤压的柔软性能，因此过去只能用于玻璃和塑料的真空成型、吹塑成型等工艺被沿用过来，用以对付难变形的合金。而这时所需的压力很小，只相当于正常压力加工时的几分之一到几十分之一，从而节省了能源和设备。6 使用超塑性加工制造零件的另一优点是可以一次成型，省掉了机械加工、铆焊等工序，达到节约原材料和降低

5、成本的目的。在模压超塑性合金薄板时，只需要具备一种阴模或阳模即可，节省一半模具费用。超塑性加工的缺点是加工时间较长，由普通热模锻的几秒增至几分钟。7 将超塑性成形应用于钛合金构件成形具有如下主要优点：在一道成形工序内可用低塑性钛合金制成复杂形状的构件，而且总变形量或局部变形量很大；由于合金变形阻力大大减小，成形过程的动力参数值（应力、压力）也减小，因此可以广泛采用非压床模压成形；由于能很好地贴模成形，而且没有回弹，因此，成形的构件精度很高；工艺过程相对简单而且机动灵活，可以保证生产准备周期短、耗费少，并可对生产工艺及产品结构进行改革.88.1.2 超塑性分类与机理1. 超塑性的分类 延伸率超过

6、100%作为衡量材料有无超塑性的标准。 流变方程应变速度敏感指数m值作判据；若m0.3时，即认为有超塑性。实验证明，m值越大，材料超塑性性能越好。因此，金属材料超塑性是在特定条件下（高温、细晶粒和低应变速率），材料出现异常的延伸率的总称。9金属材料的超塑性大体可以分为三类：(1) 组织超塑性 材料具有超塑性的必要条件是具有均匀等轴的微晶组织，较低的应变速率和高于金属熔点温度的百分之五十，并保持恒温状态。因此又称微晶超塑性，或称组织超塑性。这类钛合金最典型的是Ti-6Al-4V，对它的研究最广泛。10(2) 相变超塑性 它是在一个变动频繁的温度环境下，经相变或同素异晶转变，和组织超塑性一样，在低

7、应力作用下，同样获得无缩颈的高延伸率称为相变超塑性。由于温度的反复变化，引起组织结构的变化，故又称动态超塑性。而前一种没有相的转变故又称静态超塑性。 材料产生相变或同素异晶转变是必要条件。而钛与铁相似，在882发生相的转变，低于此温度时是钛，密排六方晶格是稳定的；高于此温度是钛，体心立方晶格也是稳定的。这类超塑性研究较少，有待深入。11(3) 短暂超塑性 近期研究发现，普通非超塑性材料在一定条件下，进行快速变形在短时间内会呈现出超塑性性质，这种现象称为短暂超塑性。这种材料必须具备双相组织，并利用在双相区的温度下母相晶粒长大困难，有利于塑性的发挥。这类超塑性也有待于进一步研究。122. 超塑性材

8、料的获得 金属超塑性的获得除了特定的外界条件外，本身组织状态是关键。 为了在塑性变形过程中，使金属的微晶组织稳定，并尽可能使晶粒长大缓慢，就要求原始组织的晶粒越小越好，或有双相的组织抑制其晶粒长大。要达到这一目的，可用以下办法：（1）通过对共析合金材料(两相组织)的多次淬火和回火热处理，获得微晶组织；（2）通过对共晶合金适当的热处理，获得较细的晶粒。但这种共晶合金必须有高的第二相体积百分比，才能有高的热稳定，即高温下，晶粒不易长大，并有高的延伸率；13（3）添加元素细化晶粒。不同的金属或合金，加入元素的种类和数量也不同。如在钛中加入微量的Zr、Al，Mo和Ta等，形成金属间化合物，使晶粒细化，

9、抑制晶粒长大。若加入Al和Ga，又能使再结晶温度提高，并可提高组织的热稳定性；（4）连续热加工变形细化晶粒。对双相合金，可以通过在再结晶温度下，进行大变形热加工使其获得等轴的超细晶粒；（5）微细粉末烧结法。用微细粉末直接加热烧结，可以获得微细组织，而且避免铸态的偏析。142. 超塑性机理 目前超塑性机理尚未一套完整的理论，主要有如下几种论点：(1) 空位迁移扩散蠕变理论 由于变形是在高温低速下进行的，不少人试图用扩散蠕变解释超塑性机理，认为超塑性变形是一种在应力场作用下原子的扩散或迁移的过程。空穴由高位能处向低位能处移动，而引起质量的迁移，得到均匀化变形。(2) 晶界滑移理论 因为在超塑性变形

10、中，晶粒形状及晶粒尺寸都没有显著的变化，因此有人认为变形是由于晶粒界面的滑移作用。在这种情况下，晶界就好象是晶体间的流动层一样参与变形，而晶粒发生移动和转动。晶粒越小，越接近于完全无序的或非晶体的流动状态。15 有人对超塑性材料（晶粒度在2.9以上的）用Al2O3抛光粉在某些方向划成细纹，在超塑性变形过程中，各晶粒内刻痕发生相对位移，并伴随着晶粒的转动，同时发现晶内划线并未弯曲，仍保持着直线状态（图），表明有晶界滑移、晶粒转动和晶界迁移等现象。16(3) 位错运动理论 超塑性流动实际上与层流是有区别的，滑移并不能在不伴有一些晶内变形的情况下连续产生于所有晶界。因此有人认为沿晶粒之间发生的晶界滑

11、移，在受到晶界上的突出物阻碍时，继续进行下去就会产生局部区域的应力集中，当应力超过一定值时就会产生位错运动而使应力松弛，使晶粒继续滑移。位错越过晶粒而塞积于晶界又阻止其再产生，晶界滑移即行停止。塞积前端的位错能在晶内滑移或沿晶界作攀移运动，至消失为止。然后再产生新的位错，使晶界滑移继续进行。这种位错的产生、滑移、攀移与消失，构成了超塑性变形。17 上述理论与假说，只能在一定条件下及在一定程度上解释实验结果的一个方面，都不能作出全面的满意的解释。比较一致的看法是超塑性变形过程不是单一的机理起作用，而是以晶界滑移为主的三种机理综合作用的结果。188.1.3 钛板超塑性成形方法以Ti-6Al-4V板

12、材为例阐述其超塑性成形方法。1. 一般成形规范成形温度 850950应变速度 10-410-1/s成形压力 10kg/cm2晶粒度 具有细晶的双相稳定组织192. 成形方法钛合金的超塑性成形方法大致可分为下列三种：(1)真空成形；(2)气压成形；(3)模压成形（偶合模成形）。 前两种方法是塑料或玻璃制品成形常用的方法。钛合金的超塑性成形因属于粘性或半粘性流动变形，所以可以利用低压成形。气压成形还可同真空成形结合起来应用。20（1）气压成形吹塑成形 航空航天工业中使用很广的钛球体，直径从2001000mm，厚度25mm。利用吹塑成形，直接用两块钛圆板毛坯，焊接后吹塑成球形或用管子毛坯吹塑成球体再

13、封口（图）。这两种方法与常规冲压加工比较，可使成本降低到20，并简化了工艺过程。21 直升机上的撑竿，要求重量轻、强度高、刚性好，由于外形特殊，一般工艺方法无法加工。采用管子吹塑成形，只要一副简单的成形夹具即可。22 气压成形是一种特殊的胀形工艺。 传统的胀形工艺是用机械、液压胀形或用爆炸胀形的方法实现的，使用的压力与能量都比较高，并且由于材料塑性的限制，变形量一般都不太大。吹塑成形则是一种用低能、低压可以获得大变形量的成形，是一种与传统工艺概念不同的成形技术。由于金属在变形过程中是自由的，因此，几乎全部动力都消耗在变形功上，摩擦损失很小（对于自由吹塑成形来说，则没有摩擦损失），这与其它冲压成

14、形有着本质的区别。 吹塑成形可分为自由吹塑成形和模具吹塑成形两类。模具吹塑成形的特点为半模成形，与真空成形类似之处，也分为凸模成形和凹模成形两种；其不同之处是成形压力大于一个大气压，还可通过气源系统对压力进行调节，因而可以制造形状复杂、曲率变化大的零件。23 凸模成形法（图）是使钛板毛料的外侧，形成一封闭的压力空间，钛板加热到超塑性温度后，在压缩气体的气压作用下，毛料产生超塑性变形，逐渐向模具型面靠近，直至同模具完全贴合，形成与模具型面相同的零件。成形零件的内表面尺寸精度高，形状准确，深度与宽度之比较大，模具加工也较易，但脱模较困难，原材料也较费。用该法成形的零件底部较四周为厚。24 凹模成形

15、法（图）与凸模成形法不同的是，在成形过程中使钛板毛料内侧形成一封闭的压力空间。成形零件外表面尺寸精度高，形状准确，零件脱模较易，原材料较省，但深度与宽度比较小，模具加工也较困难。用该法成形的零件底部较四周为薄。25(2) 真空成形法真空成形法又可分为两种：凸模法与凹模法（图）。26 凸模法是把经过加热后的毛料，吸附在具有零件内形的凸模上的成形方法，用来成形要求内侧尺寸精度高的零件。凹模法则是把加热过的毛料，吸附在具有零件外形的凹模上的成形方法，用于要求外形尺寸精度高的零件成形。一般说来，前者用于较深容器的成形，后者用于较浅容器的成形。 真空成形也是一种气压成形，只是成形压力只能是一个大气压，故

16、对钛板来说，只能成形厚度薄、形状简单、曲率变化较缓的零件，不适于成形厚度较厚、形状较复杂和变形较剧的零件。 与常规钛板真空加热成形的一大区别是， Ti-6Al-4V真空超塑性成形温度在900左右，比普通真空热成形（700左右）约高200，变形程度亦可比热成形的高得多。27(3) 模压成形法 采用偶合模。与普通压型不同的是温度高，模压速度慢得多。 由于能耐钛板超塑性温度的金属偶合模具制造困难，配合精度难以保证（特别对复杂形状的模具），故钛板超塑性成形不常用此法。283. 成形过程中的计算机应用(1) 应变速率的计算机控制 超塑性成形的应变速率直接影响成形效果，对于特定的材料与成形过程，应该通过试

17、验确定最佳的应变速率，为生产应用提供依据。应变速率循环试验是依据应变速率循环诱发超塑性的原理而采用的一种新的超塑性试验方法。在变形过程中材料的变形速度按一定的规律循环变化，通过高速变形诱发动态再结晶和低速变形促使晶界流动，以及大部分变形在超塑性的应变速率范围内完成以提高材料的超塑性能。 29 在流变方程 中， 为应变速率，m为应变速率敏感性指数。m是材料超塑性能的重要特征参数，它反映了材料在拉伸变形过程中的抗缩颈能力，通常其值越大则超塑性越好。而值又与一定的应变速率相对应，与最大值相对应的有一个最佳的应变速率。这个应变速率往往是人们所追求的一个最佳工艺参数。但最大值及其对应的最佳应变速率在变形

18、过程中不是一成不变的，它们会随着显微组织的变化而发生飘移，这就为超塑成形过程中试图始终保持材料良好超塑性状态带来很大的困难。30 用计算机进行超塑性优化控制的设计思路如下： 采用优化设计的方法，将追求最大m值作为优化控制的目标函数。在超塑性变形过程中，使应变速率循环变化，动态测试值。根据其值变化趋势和按照最大值的原则，自动调整应变速率的循环变化方向和大小，使得应变速率始终在具有最佳超塑性状态的应变速率附近循环变化，就有可能获得最佳的超塑性。有文献实验结果表明未经细化处理的Ti-15-3钛合金在应变速率循环的变形方式下具有比常规超塑性实验更显著的超塑性，平均延伸率从421%上升至449%。而通过

19、计算机优化控制可以进一步挖掘材料的变形潜力，获得更为优良的超塑性，平均延伸率上升到523%，最大延伸率为600%。31(2) 成形过程的数值模拟 采用数值模拟方法是提高钣金零件成形质量的重要措施。通过模拟结果可以预测成形过程中可能遇到的缺陷、成形极限和成形件壁厚的分布情况，并可以获得最优的加载曲线。通过数值模拟还可以优化模具结构，设计合理的预制坯形状。 对超塑性成形过程进行数值模拟一般要利用超塑本构方程、平衡方程，用有限元法进行模拟。通过对模拟结果进行分析，对生产实践指出指导性意见。328.2 钛合金结构的扩散连接 33 扩散连接是在加压与加热状态下利用被连接表面微塑变形、原子通过界面相互扩散

20、，从而实现不可拆卸式固态连接的方法。同其它连接方法相比，扩散连接具有一系列优点：扩散连接接头的力学性能与冶金性能同基体金属相当；扩散连接接头在强度、塑性、密度、抗腐蚀与耐热性能方面均能满足关键承力结构的要求；零件无翘曲，连接部位没有残余应力；无需纤料、焊剂、焊条或焊丝等贵重的辅助材料；对接头不必采用后续热处理（因连接与热处理同时进行）；零件的金属利用率高，机加量小；产品的可靠性以及使用寿命均有提高；可以制造形状复杂的崭新产品，如槽形结构、波形及网格形夹层壁板，以及由各个短型材对接而成的变截面长型材毛坯。扩散连接的主要缺点是连接质量的检测比较困难！348.2.1 扩散的物理基础1. 扩散过程 固

21、体是由分子和原子组成，而原子在一定条件下会迁移位置，原子的位置迁移或跃迁就产生了原子的扩散。 晶粒内的原子在不停地振动，而它们在晶格中却处于相对平衡状态。在室温下，这种振动的振幅约为原子间距的3%。当温度升高，原子振动的振幅增加，同时使原子的能量增加，从而导致原子在晶粒内迁移。如果迁移的距离超过原子间的平均距离，就称为原子的扩散。它随着温度升高而加快，因此，原子扩散本身是一种物质的输送过程。这个过程也称扩散过程，是金属物理研究的重要内容之一。352. 扩散机理(1) 间隙机理 这种模型是由于扩散原子在点阵的间隙位置之间的跃迁而导致原子的扩散。某些原子脱离正常位置而进入间隙位置，然后在间隙位置中

22、跃迁，如间隙式固溶体中就是如此。另有一种是间隙原子把它的晶格结点上邻近的原子从正常位置推到附近的间隙位置上，它自己却去占有原子的原来位置。这种扩散不增加晶体中间隙原子的总数，因此，在这种情况下形成的激活能要比形成间隙原子的激活能来得低。36(2) 空位机理 根据热力学的观点，任何一个温度下，晶体中都有一定的空位存在。晶体中空位数量与温度及激活能有关。如果一个原子在空位的旁边，该原子就会跳进空位中，而这个原子原来的位置变为空位，又有其它原子来占据这个空位，见图。因此，只要晶体中有空位，就有原子的迁移，就会产生自扩散。378.2.2扩散连接过程 扩散连接是固态焊接方法，必需通过两个表面紧密的贴合。

23、理想的贴合要到足以建立金属键的距离，实际上是办不到的。实际情况是金属表面接触空气，会氧化和吸附，并有一定的粗糙度。如果把焊接的金属加热，原子热振动增加，塑性提高，在一定的压力下，金属实际表面的微凸起的波峰接触点会碾平，使有效接触面增大（图）。如果在真空中加热，不仅有效地防止金属的氧化和沾污，而且还有解吸和升华作用，使金属表面得到净化。38在真空中进行扩散焊接有两个阶段： 一是两个金属表面直接接触，在真空中加热、加压，使表面微凸点产生塑性流动，并破坏表面和去除表面层。 二是金属在高温下产生回复和再结晶，以消除残余的微观不连续性和缺陷，使金属紧密贴合，互相扩散形成一体。这两个阶段中，工艺上必需解决

24、：净化和焊接金属表面，并防止继续氧化；加温、加压并保持一段时间，实现扩散焊接。391. 金属表面2. 金属表面的净化和保护 金属表面层的结构是复杂的，扩散焊接时不仅要除去表面的水、气、吸附分子层，而且要防止焊接过程中发生新的污染。因此，在扩散焊接前必需净化表面，并防止氧化。空气中的氮和氧是产生氧化的主要因素。因此最好的方法是抽真空，其次是氩气保护。 金属表面的净化方法很多，如机械抛光法、物理方法加热或辉光放电、化学方法酸洗等。在实际生产中常用的酸洗法。403. 焊接面上的压力 扩散焊接时，加压的作用是促使焊接面产生微观塑性变形，以获得最大的接触面。实际加工形成的表面上有高低不平的波纹，两焊接面

25、刚接触时，表面波峰互相接触，接触面积很小。加压后，产生塑性变形使接触面积扩大，随塑性变形的增大，接触面积也不断增加。 压力的大小应该达到足以使接触表面的粗糙度的波峰实现微观塑性变形，在波峰之间剩下的微观空隙将在互相扩散过程中被“填满”。但总有部分微观空隙由于杂质和微孔很难全部“填满”。所加压力不应使被焊件产生宏观塑性变形，使焊件尺寸变化。414. 焊接材料加热和保温 金属材料受热，使原子动能增加，改变了单个原子的状态及其相互作用，并使得结晶的性质和状态发生改变。同时，使固体中的扩散速度随温度而成倍的增加，因此，扩散焊接中温度是最主要的因素。 金属接触表面微观区在互相接近的条件下，温度加速原子重

26、新排列，在回复和再结晶过程中，温度能够消除焊接区域内各种形式的晶格缺陷。428.2.3钛合金扩散连接工艺 钛合金扩散工艺的主要参数有连接温度、连接压力、连接时间等。扩散连接的典型工艺规程包括：在模具中组装各个结构元件；在真空或保护介质中将组装好的结构件加热到扩散连接温度；按规定时间施加扩散连接所需的压力；冷却，打开模具，取出零件；检验零件的质量。 扩散连接在飞行器结构中的应用包括具有蜂窝芯、网格芯及波纹芯薄壁夹层平面和曲面壁板，各种截面的带筋壁板，机翼前缘类槽形结构，薄壁波纹管结构以及扩散对接的变截面长型材毛坯等。 扩散连接压力值取决于被连接零件形状尺寸。被连接面积增加，筋条相对高度减小，则压

27、力增加。所以在扩散连接不同的类型的结构时应采用不同方法以及相应设备。常采用下述方法进行扩散连接：真空负压法；真空加压法；压床加压法。438.3 超塑成形与扩散连接组合技术 Super Plastic Forming & Diffusing Bonding44 超塑成形/扩散连接技术（SPF/DB）是航空航天制造领域近年来迅速发展起来的一种近无余量成形技术。国外SPF/DB技术广泛应用于航空航天飞行器零部件的生产，美、英、法等国已研制出夹层结构的飞机缝翼、机翼后缘、前置翼和导弹弹翼等构件，最新设计的欧洲下一代战斗机EFA2000前机身的大部分结构为SPF/DB构件，两翼也由SPF/DB的钛合金制

28、成，其内部结构为夹层结构。美、英、法、日等国家都建立了SPF/DB生产基地，英国哈菲尔德、美国道格拉斯等公司均已建成生产线并实现了工艺过程的自动化控制。集超塑性与扩散连接与一体的组合工艺开辟了飞行器钛合金结构制造工艺的新前景。钛合金结构采用超塑性与扩散连接组合工艺比传统方法可节约成本5070%，结构重量减重3050%，材料利用率也有所提高。Super Plastic Forming & Diffusing Bonding45 钛合金超塑性和扩散连接要求的环境的条件是相同的，因而可将其过程集成在一起：即相同的工作温度范围、缓慢的进行速度、所需的压力相近以及必须在中性介质中进行等。这就可以在一道工

29、序过程中既将板材成形为复杂形状的结构件，又将其相互连接或与其它结构件连接成一体。采用超塑性与扩散连接方法可以设计出更加合理的结构方案，这些方案以前因制造困难而无法实现。46钛板超塑性与扩散连接组合工艺基本上可分为如下三种形式：局部加强 整体加强 夹层结构471. 局部加强形式钛合金板材超塑性成形时，与预先放在模具内的钛合金件相接触，实现扩散连接。先超塑性成形，紧接着扩散连接。两者都在加热过程中进行。用这种方法能将附加板、垫板或其它增强元件同已成形的零件扩散连接在一起。2. 整体加强形式用两块Ti-6Al-4V板料，在成形前将需要成形部分涂上隔离剂（止焊剂），需扩散连接的部分则不涂。隔离剂可以是

30、石墨或氧化钇等，采用喷涂法或丝网漏印法涂覆，以控制最后成形的零件形状。当模腔内温度达到925时，通氩气加压，将未涂覆隔离剂的部分扩散连接成一体，然后再通入压缩氩气，使涂有隔离剂的未连接部位超塑性成形，制成帽形或波形截面的加强构件。3. 夹层结构形式用三块Ti-6Al-4V钛合金板，在两个接触面上一定部位涂隔离剂，组装在一起放入模具内，先扩散连接，随后气压成形至最终形状。48超塑性成形与扩散连接工艺方法具有如下优点：工件外形由模腔决定，芯子形状则由隔离剂所涂敷的部位决定，不需另作芯模，因而不存在配合问题；可制造边缘封闭的各种结构件，无需修改模腔即可改变结构件内部设计；可减少零件数量，无需机械连接

31、（钻铆、螺接等）以及一般焊接工序，因而省去相应的工艺装备；可创造新的设计概念，制造出常规工艺方法所不能实现的新结构。对钛结构无需热处理。498.4 钛合金的氢工艺 50 氢工艺是指对钛合金加氢达到规定浓度，利用氢对工艺性能的有益影响进行工艺处理，再用真空退火来降低氢含量以达到规定值，使钛合金结构在使用过程中不发生氢脆。钛合金加氢合金化会产生以下效应(可用于完善钛合金成品与半成品的生产工艺）：压力加工时钛合金流动应力成倍地提高；片状粗晶组织很容易转变成球形细晶组织，易于粘剂（烧结）；机加工条件得到改善。 在无法用标准工艺方法制取要求性能的钛半成品或成品时，氢工艺是最好的一种工艺。 51钛合金氢工艺包括：(1)氢增塑降低金属流