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摘要：介紹了超塑性模鍛的實(shí)質(zhì)及工藝過(guò)程；列舉了超塑性模鍛的應(yīng)用現(xiàn)狀及模具材料；闡述了超塑性模鍛工藝的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：超塑性模鍛；應(yīng)用；特點(diǎn)；優(yōu)點(diǎn)

一、引言

隨著航空宇航工業(yè)的迅速發(fā)展及外向型經(jīng)濟(jì)日益擴(kuò)大，模鍛件質(zhì)量及成本的競(jìng)爭(zhēng)愈來(lái)愈激烈。超塑性模鍛是近幾年中發(fā)展起來(lái)的一種少無(wú)切削和精密成形技術(shù)的鍛造新工藝。它利用金屬材料的超塑特性使毛坯成形，得到形狀復(fù)雜及尺寸較精確的鍛件。

近年來(lái)，高溫合金和鈦合金的使用不斷增加，這些合金的特點(diǎn)是：流變抗力高，可塑性低，具有不均勻變形所引起機(jī)械性能各向異性的敏感性，難于機(jī)械加工及成本高昂。如采用普通熱變形鍛造工藝時(shí)，機(jī)械加工的金屬損耗達(dá)80%左右，往往不能滿足航空零件所需的機(jī)械性能；但是采用超塑性模鍛方法，就能改變過(guò)去肥頭大耳的落后鍛造工藝。

金屬材料的超塑性是指金屬在特定條件(晶粒細(xì)化，極低的變形速度及等溫變形)下，能夠具有比一般條件下更大的塑性。如一般塑性較好的低碳鋼拉伸時(shí)延伸率只有30%～40%，塑性好的有色金屬也只有60%～70%，但超塑性狀態(tài)，一般認(rèn)為塑性差的金屬延伸率在100%～200%范圍內(nèi)，塑性好的金屬延伸率在500%～2000%范圍內(nèi)。

二、超塑性模鍛的工藝過(guò)程［1，8］

超塑性模鍛工藝過(guò)程如下：首先將合金在接近正常再結(jié)晶溫度下進(jìn)行熱變形(擠壓、軋制或鍛造等)以獲得超細(xì)的晶粒組織；然后在超塑溫度下，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)。

根據(jù)超塑性存在條件，超塑性模鍛要求坯料在成形過(guò)程中保持恒溫，即將模具和變形合金加熱到同樣溫度的一種鍛造工藝。

圖1兩種模鍛工藝的比較
(a)普通模鍛 (b)超塑性模鍛
1.毛坯 2.鍛件

圖1表示用普通模鍛和超塑性模鍛獲得同一渦輪盤(pán)鍛件(鈦合金)的工藝比較。表1列出了兩種模鍛方法的主要工藝參數(shù)的比較。

表1兩種模鍛工藝的比較(鈦合金渦輪盤(pán)鍛件)
工藝參數(shù) 普通模鍛 超塑性模鍛 毛坯加熱溫度(℃) 940 940 模具加熱溫度(℃) 480 940 變形速度(mm/s) 12.7～42.3 0.025 平均單位壓力(MPa) 500～583 117 模鍛時(shí)工序次數(shù) 4 1

根據(jù)超塑性條件，超塑性模鍛要求成形速度比較低(若模鍛精密的零件，則速度應(yīng)選得更低些)�？梢圆捎每烧{(diào)速慢速液壓機(jī)，使工件變形時(shí)速度逐漸減慢，以便得到良好的充滿性。超塑性模鍛的實(shí)踐表明，模鍛一件成品大約需要2～8min，類似于蠕變模鍛。

三、超塑性模鍛的應(yīng)用現(xiàn)狀［1，2，3，8］

各種零件的超塑性模鍛介紹如下：

(1)美國(guó)用超塑性模鍛制造Ti-6Al-6V-2Sn鈦合金的飛機(jī)大梁。此合金在普通模鍛時(shí)由于鍛造溫度范圍較窄，隨著變形溫度的下降，變形抗力急增，很難模鍛。但采用超塑性模鍛就很容易成形，其模鍛工藝參數(shù)如下：平面毛坯的鈦合金加熱到980℃，在精鑄的MAR-M200合金模具中進(jìn)行等溫模鍛，變形速度0.04mm/s，成形時(shí)間為3～5min，模鍛總壓力2670kN。

(2)美國(guó)用超塑性模鍛Ti-6Al-6V-2Sn鈦合金起落架前輪，使該合金既能顯著降低變形抗力，又能鍛成精確的形狀。其模鍛工藝參數(shù)如下：帶孔的圓毛坯鈦合金加熱到980℃，在精鑄的MAR-M200合金模具中進(jìn)行等溫模鍛，變形速度為0.04mm/s，成形時(shí)間為5～8min。模鍛時(shí)平均單位壓力為114MPa。為防止在模鍛過(guò)程中鍛件的氧化，應(yīng)采用氬氣保護(hù)。

(3)美國(guó)鋁業(yè)公司用超塑性模鍛Ti-6Al-4V鈦合金框架加強(qiáng)板和支承底座機(jī)件。該合金是在950℃下進(jìn)行超塑性模鍛�？蚣芗訌�(qiáng)板的投影面積為10320mm2，超塑性模鍛后鍛件重量為0.32kg，加強(qiáng)肋的最小壁厚3.17mm，而普通模鍛件重3.63kg。支承底座機(jī)件的投影面積為13545mm2，超塑性模鍛后鍛件的重量為0.82kg，最小厚度2.67mm，而普通模鍛件重6.36kg。

(4)美國(guó)國(guó)家宇航局用超塑性模鍛TAZ-8A高溫合金的渦輪葉片。TAZ-8A是美國(guó)近年來(lái)發(fā)展的一種新型鑄造合金，無(wú)可鍛性，輕微鍛造就要破裂，而采用超塑性卻模鍛出渦輪葉片。模鍛工藝參數(shù)如下：把直徑Φ25.4mm的細(xì)晶粒圓坯料加熱到1093℃，在加熱的模具中進(jìn)行等溫模鍛，一次變形量就可達(dá)75%。模具材料是TZM鉬基鑄造高溫合金。

(5)俄羅斯航空動(dòng)力研究所用超塑性模鍛法對(duì)BT9鈦合金壓氣機(jī)葉片進(jìn)行多件模鍛。將鈦合金毛坯Φ38mm×205mm加熱到960℃，在10000kN油壓機(jī)上進(jìn)行等溫變形，變形速度為1.5mm/s，平均單位壓力為300～320MPa。模具材料為ЖC6-KП鎳基鑄造合金。用ЭBT-24型號(hào)玻璃潤(rùn)滑劑。鍛后的多件模鍛坯在切邊壓力機(jī)上進(jìn)行切邊分離工序。

(6)俄羅斯用超塑性模鍛ЖC6-KП合金導(dǎo)向葉片。該材料是一種鑄造合金，經(jīng)過(guò)熱靜液壓后，獲得均勻的細(xì)晶粒組織。拉伸試驗(yàn)表明，該合金在1075℃～1125℃之間具有超塑性，最大延伸率可達(dá)500%。用1000kN油壓機(jī)進(jìn)行導(dǎo)向葉片的超塑性模鍛，模具和坯料的加熱溫度均為1100℃，變形速度為1～2mm/s。模鍛總壓力為250kN，平均單位壓力為150MPa。葉片表面質(zhì)量良好，沒(méi)有裂紋或其它缺陷。

(7)美國(guó)Wyman-Gordon公司用超塑性模鍛飛機(jī)水平安定面連桿、艙隔及軸承支座。艙隔尺寸為560mm×610mm，普通模鍛時(shí)，艙隔鍛件重量為150kg，而超塑性模鍛件重30kg。用普通模鍛軸承支座的重量為54kg，超塑性模鍛件重21kg。

四、超塑性模鍛用的模具材料［7，8］

高溫合金和鈦合金的超塑性溫度范圍大多在800℃以上，因此超塑性模鍛對(duì)模具材料必需具有如下要求：

(1)較高的高溫強(qiáng)度；
(2)高的耐磨性和一定的高溫硬度；
(3)優(yōu)良的耐熱疲勞性和抗氧化性能；
(4)適當(dāng)?shù)臎_擊韌性；
(5)較好的淬透性和導(dǎo)熱性。

目前生產(chǎn)上大多采用鎳基鑄造高溫合金：如IN-100、MAR-M200、ЖC6-KП等，也有采用鉬基合金TZM，但當(dāng)工作溫度超過(guò)500℃時(shí)，由于鉬的氧化皮較嚴(yán)重，因此需采用氬氣保護(hù)。

五、超塑性模鍛工藝的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)［4，5，6，8］

從上述所舉的許多模鍛件可知，超塑性模鍛工藝具有如下的4大特點(diǎn)：

(1)顯著提高金屬材料的塑性。例如過(guò)去認(rèn)為不能變形的IN-100，ЖC6-KП及Astroloy等鑄造鎳基合金，也可以使之具有超塑性，并且能模鍛尺寸精確的渦輪盤(pán)、葉片，甚至帶葉片的整體渦輪。

(2)極大地降低金屬的流變抗力。在超塑性狀態(tài)下，金屬的流變抗力很低。一般超塑性模鍛的總壓力只是相當(dāng)于普通模鍛的幾分之一到幾十分之一。因此在噸位較小的鍛造設(shè)備上可模鍛較大的工件。

(3)金屬的超塑性能使形狀復(fù)雜、薄壁、高肋的鍛件在一次模鍛中鍛成。而普通模鍛高強(qiáng)度合金時(shí)，則需要多次鍛打，甚至很難鍛成。這樣既能減少加熱次數(shù)及節(jié)約燃料，又可消除在多次加熱中所形成的表面氧化缺陷。例如普通模鍛時(shí)鍛件缺陷的表面厚度為0.25mm或更大，而超塑性模鍛為0.05mm。

(4)在超塑性模鍛過(guò)程中，金屬繼續(xù)保持均勻細(xì)小的晶粒組織。因此在產(chǎn)品整體上有均勻的機(jī)械性能。由于超塑性成形后金屬晶粒仍為等軸晶，所以機(jī)械性能各向同性。但在普通模鍛時(shí)呈各向異性，而使工件的橫向疲勞性能和斷裂韌性有所降低。

由于超塑性模鍛工藝的特性，從而使鍛件得出如下6個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)精度高在超塑性狀態(tài)變形時(shí)，因合金的流動(dòng)性高，故充填性良好，模鍛后尺寸精密，機(jī)械加工量很小，甚至可不再加工，這對(duì)很難機(jī)械加工的高溫合金和鈦合金鍛件特別有利。兩種模鍛工藝參數(shù)的比較見(jiàn)表2所示。

表2兩種模鍛工藝參數(shù)的比較
工藝參數(shù) 普通模鍛 超塑性模鍛
模鍛斜度(°) 5 0～1 外圓角半徑(mm) 22 10 內(nèi)圓角半徑(mm) 10
3.3 鍛不足量(mm) 0.76～3.3 0～1
錯(cuò)移(mm) 1.27 0.51 歪曲(mm) 1.52 0.38 長(zhǎng)度及寬度公差(mm) ±1.0 ±0.38 肋的厚度(mm) 12.7 2.5～3.2

(2)機(jī)械性能高由于鍛件所獲得的是均勻細(xì)晶粒組織，并呈各向同性，使合金的屈服強(qiáng)度、低頻疲勞及抗應(yīng)力腐蝕性能都有顯著提高。
(3)材料利用率高由于這種工藝具有超塑的特性，使這種工藝參數(shù)有很大的變化。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，超塑性模鍛與普通模鍛相比，金屬消耗降低一半以上。
(4)模具壽命高由于所鍛材料的流變抗力顯著降低，能延長(zhǎng)模具的使用壽命，減少模具損耗，降低成本。
(5)廢品率低未充滿的鍛件可重新進(jìn)行超塑性模鍛，而不影響合金的性能，從而大大減少?gòu)U品率。
(6)無(wú)殘余應(yīng)力由于在極慢的速度下進(jìn)行塑性變形，使鍛件中不存在殘余應(yīng)力和冷加工儲(chǔ)備能，故無(wú)回彈問(wèn)題，在熱處理時(shí)尺寸穩(wěn)定，這點(diǎn)對(duì)鈦合金極為有利。

六、結(jié)束語(yǔ)

在航空高溫合金及鈦合金零件的生產(chǎn)中，采用超塑性模鍛工藝，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上明顯優(yōu)于常規(guī)模鍛工藝。它提高了產(chǎn)品質(zhì)量和合格率、減少了機(jī)械加工工時(shí)、節(jié)約材料及基本設(shè)備投資，達(dá)到降低鍛件成本的目的。超塑性模鍛工藝特別適合于形狀復(fù)雜、帶孔或臺(tái)階形狀零件的成形。該工藝是一種很有發(fā)展前途的新工藝。

參考文獻(xiàn)
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