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1、超塑成形/扩散连接组合技术研究进展一、 SPF/DB 概述超塑性（SPF ）超塑性通常是指材料在拉伸条件下表现出异常高的延伸率也不产生缩颈与断裂现象。当延伸率大于 100时，即可称为超塑性。按照实现超塑性的条件和变形特点的不同，目前一般将超塑性分为以下几类：组织超塑性、相变超塑性和其他超塑性。实际生产中应用最广泛的是组织超塑性。获取这种超塑性一般要求材料具有均匀、细小的等轴晶粒和较好的热稳定性1 。扩散连接（DB）扩散连接是把 2 个或 Z 个以上的固相材料(包括中间层材料) 紧压在一起，置于真空或保护气氛中加热至母材熔点以下温度，对其施加压力使连接界面微观凸凹不平处产生微观塑性变形达到紧密接
2、触，再经保温、原子相互扩散而形成牢固的冶金结合的一种连接方法。七、1 通常把扩散连接分为 3 个阶段(见 图 1)：第一阶段为塑性变形使连接界面接触。在金属紧密接触后，原子开始相互扩散并交换电子，形成金属键连接。第二阶段为扩散、界面迁移和孔洞消失。连接界面的晶粒生长或再结晶以及晶界迁移，使金属键连接变成牢固的冶金连接。最后阶段为界面和孔洞消失。在这一阶段中主要是体积扩散，速度比较慢，通常需要几十分钟到几十小时才能使晶粒穿过界面生长，原始界面完全消失。图 1 扩散连接过程三阶段示意图超塑性/扩散连接（SPF/DB）SPFDB 工艺是把超塑成形与扩散连接相结合用于制造高精度大型零件的近无余量加工方
3、法。当材料的超塑成形温度与该材料的扩散连接温度相近时，可以在 1 次加热、加压过程中完成超塑成形和扩散连接 2 道工序，从而制造出局部加强或整体加强的结构件以及构形复杂的整体结构件。如钛合金的超塑成形温度为 850 970，扩散连接温度为8701280，由于在超塑成形温度下也可进行扩散连接，因此有可能把这 2 种工艺结合，在 1 次加热、加压过程中完成超塑成形和扩散连接 2 道工序。这种只需 1 次加热、加压过程的 SPFDB 工艺常见于板料的吹胀成形和扩散连接。体积成形( 如超塑性模锻)与扩散连接相结合的 SPFDB 工艺往往需要将超塑成形和扩散连接分开进行，先超塑成形后再扩散连接或者先扩散
4、连接后再超塑成形，视具体工艺情况而定1。二、 SPF/DB 技术原理扩散连接的标准定义为：被连接的表面在不足以引起塑性变形的压力和低于被连接工件熔点的温度条件下，使接触面在形成或不形成液相状态下产生固态扩散而达到连接的方法。随着 SPFDB 组合工艺应用的发展，扩散连接涵义又扩展为大变形有限扩散的连接方法。用于 SPFDB 组合工艺的扩散连接方法主要有三种：小变形固态扩散连接、过渡液相扩散连接和大变形有限扩散连接。在扩散连接过程中应采用惰性保护气体或真空，以防止氧化层的形成和生长。对于常使用的钛合金而言，SPF 和 DB 技术条件和工艺参数具有兼容性，因此有可能在构件研制中把两种工艺组合在一个
5、温度循环中，同时实现成形和连接。钛合金SPFDB 构件主要有三种形式，如 图 2 所示。图 2 钛合金 SPF/DB 构件的三种结构形式在采用 SPFDB 组合工艺进行多层结构的生产中，可以先 DB 后 SPF(DBSPF) ，也可以先 SPF 后 DB(SPF 仍 B)。DBSPF 工艺过程中，构件的芯板结构由板面的止焊剂图案而定，构件生产可在一次加热循环中完成，也可分为两道工序。一道工序的特点是零件在生产过程中无需开模：两道工序则有以下优点：DB 可用气压或机械压力，也可选用其他连接技术；SPF 前可对 DB 质量进行检测；DB 和 SPF 的温度可各自优化，气压更易控制；可同时连接几个部
6、件，提高加工经济性。而在 SPFDB 工艺过程中，首先根据构件加强要求形式涂止焊剂或焊接，然后外层板和芯板沿周边 DB 并气压成形，最后在超塑温度和压力条件下，完成芯板之间以及芯板和外层板之间的 DB。该工艺的主要问题是辅助 DB 比主要 DB 困难，DB 只能靠气压提供压力，另外，氩气中的杂质和经过 SPF 后脱落的止焊剂容易导致 DB 连接质量下降 5。三、 SPF/DB 优点 可以使以往由许多零件经机械连接或焊接组装在一起的大构件成形为大型整体结构件，极大地减少了零件和工装数量，缩短了制造周期，降低了制造成本； 可以为设计人员提供更大的自由度，设计出更合理的结构，进一步提高结构承载效率，
7、减轻结构件质量; 采用这种技术制造的结构件整体性好，材料在扩散连接后的界面完全消失，使整个结构成为一个整体，极大地提高了结构的抗疲劳和抗腐蚀特性； 材料在超塑成形过程中可承受很大的变形而不破裂，所以可成形很复杂的结构件，这是用常规的冷成形方法根本做不到或需多次成形方能实现的。四、 SPF/DB 发展趋势目前，SPF 和 SPFDB 技术虽然已进入工程应用阶段，并已展示出巨大的技术经济效益，但钛合金超塑性应用领域仍以航空航天等军工业为主，与其他新兴技术一样，仍然需要不断开发其在其他工业领域中的应用。近年来，国内外超塑成形及扩散焊接研究发展趋势主要有如下几个方面3。1)增加超塑性材料品种，开发现有
8、材料的超塑性。如 Ti 基复合材料(Ti-6Al 一4VTiB，Ti 一 6Al-4VTiC)、金属间化合物(TiAI，Ti3A1)等材料超塑性的开发；纳米材料超塑性的实用化研究和高应变速率超塑性合金的研究。2)加强工艺过程控制，提高生产率。要加强计算机模拟研究，实现工艺参数和工序过程的自动化控制，提高产品的快速设计制造能力、生产效率和设备利用率。3)其他连接技术与 SPF 的组合工艺研究。如钛合金的超塑成形与缝焊组合工艺；铝锂合金超塑成形与搅拌摩擦焊的组合工艺等。4)深入研究超塑性变形规律，有效降低对超塑性变形时的苛刻要求，以便降低成形工艺要求和生产成本，提高生产效率和成形件的质量。已有报道
9、表明亚细晶结构钛合金气胀成形时的成形温度可以低于 700。5)由非承力结构向承力结构发展。20 世纪 70 年代，美国洛克威尔公司首先将超塑成形和扩散连接技术相结合，发明了超塑成形扩散连接组合技术(Superplastic formingdiffusion bonding，SPF DB)。之后，英、法、德、前苏联和日本投入了大量人力和财力，相继开展这一技术研究。这种技术非常适合于加工复杂形状的零件，例如航空发动机上的风扇叶片、飞机机翼等。由于 SPFDB 技术能够成形出形状复杂的整体零件，可减轻结构质量 1540，降低生产成本 3050，因此这项技术发展非常快，目前已从实验室阶段发展到实用化阶
10、段。从用以替换现有的分离式铆接结构件，发展到整体的 SPFDB 构件；从用于次承力构件，发展到用作主承力构件；在成形材料方面，从钛合金发展到了高强度铝合金、铝锂合金、金属基复合材料、金属间化合物、陶瓷；在毛坯形式方面，从钛、铝板材的 SPFDB，发展到板材与机加零件的扩散连接。我国于上世纪跟踪了这一先进技术。近年来，已研制出飞机风动泵舱门、框段、电瓶罩盖和发动机维护口盖等部件。 图 3 所示为利用 SPFDB 技术生产的发动机整流叶片形貌。同时， SPF 和 SPFDB 工艺也逐渐扩展至其它领域，如电讯产品、交通业、建筑业等方面。北京航空制造工程研究所在 1999 年和 2002 年曾 2 次
11、举办包括材料超塑成形扩散连接研究与应用的全国性会议，对 SPF 和 SPFDB 在我国的应用起到了一定的推动作用 2。图 3 利用 SPF/DB 工艺制造的发动机整流罩形貌从 20 世纪 60 年代开始，由于超音速巡航飞机计划的刺激和推动，国外航空工业率先开展超塑成形技术研究。70 年代早期，美国洛克威尔公司首先将超塑成形技术应用于飞机结构件制造中，使钛合金制造工艺发生了技术变革。随后，美国的 BLATS 计划将钛合金 SPF、SPFDB 技术列为重点研究项目，在 F 一 15 战斗机后机身(整体框、梁、壁板等)和 BlB 大型轰炸机的壁板舱门等重要构件研制中大量采用了超塑成形和超塑成形扩散连
12、接组合工艺。此后，由英国国防部投资的“战斗机验证计划”(EAP)中，BAe 公司完成了先进 SPFDB 结构制造和试验的研究项目，为 EAP 验证机提供了龙骨组件等多个部件。可以说，美、欧等等国的大型国防研究计划对于 SPF、SPF DB 技术的发展起到了至关重要的作用，尤其近年来先进武器装备作战性能越来越高，促使钛合金超塑成形整体结构在飞机、发动机、导弹、舰艇等工业领域的应用不断扩大，显示出旺盛的生命力，在已获得的工程应用领域内产生了巨大的技术经济效益：F 一 15E 后机身结构采用 SPFDB 整体结构后，减少了 726 个零部（如 图 4 所示) ，并取消了 10000 多个紧固件；联合
13、战斗机（JSF）的后缘襟翼和副翼、F 一 22 后机身隔热板等重要结构均采用了钛合金超塑性成形扩散连接的整体结构。图 4 F-15E 飞机后机身的 SPF/DB 整体结构在民用飞机结构制造方面，据统计飞机结构重量中 8一 10以上的结构可以采用超塑成形整体结构。这些应用包括稳定性设计结构(肋、梁、框架、承压支柱) 、复杂的多板式部件( 壁板、固定托架和支撑架) 、复杂壳体(管道、箱体、容器 )气动面、检修口盖舱门、发动机舱部件、发动机转子零件、热空气管道以及装饰壁板和生活设施等。 图 5 为飞机上采用的部分 SPF、SPFDB 结构，欧洲空中客车公司的 A310、A320、A330 340 制
14、造中，采用超塑成形扩散连接的钛合金两层超塑整体结构替代铝合金铆接结构后，取得了减重 46的效果；波音 777 发动机气动舱门采用了 Ti6A14V 的两层超塑整体结构，用以替代原来的 Inconel625 高温合金焊接结构，原来结构 23 个零件需要 70h 的装配时间，采用钛合金超塑两层整体结构后减少到 2 个零件，装配时间仅需 6h，同时减重 14kg。此外，NASA 正在研究的高速民用运输机(HSCT)的机翼段和下部等结构也采用了 SPFDB 结构件。图 5 飞机上采用的部分 SPF、SPF/DB 构件在发动机领域，超塑成形扩散连接组合工艺已经成为重要结构制造的关键 T 艺。作为大涵道比
15、涡扇发动机的关键部件之一，钛合金宽弦空心风扇叶片是 SPFDB 整体结构制造工艺的典型代表。英国罗罗公司 1984 年开始率先采用 SPFDB 技术研制钛合金宽弦无凸肩空心风扇叶片(剖面图及具体结构如 图 6 所示) ，其特点是利用桁架结构取代蜂窝结构，使叶片重量减轻了 15，大大改善了叶片的气动特性，于 1995年和 1996 年先后将 26 片钛合金空心宽弦无凸肩风扇叶片应用到遄达 700 和遄达 800发动机上。最近，空客 A380 飞机使用的遄达 900 发动机 (如 图 7 所示) ，其一级风扇直径为 295cm(116inch)，整个风扇部件包括 24 片采用弯掠设计的空心钛合金风
16、扇叶片，大大改善了叶片的气动特性，在抗外来物损伤方面比早期的风扇叶片效率更高。图 6 罗罗公司开发的空心叶片的界面及其具体结构图 7 钛合金宽弦空心风扇叶片此外，近年来随着导弹轻量化、高强度要求的进一步升级，钛合金超塑成形，扩散连接整体结构制造技术引起了高度的关注。导弹弹体结构采用钛合金 SPF/DB 技术工艺后（见 图 8）可实现无余量结构制造，省去了大量机加工时间、紧固件和装配作业的时间。更为重要的是，SPF/DB 工艺有利于整体成形出具有薄壁空心、形状复杂、光滑表面和气动外形流畅的导弹弹体结构，整体结构成形有利于最大限度地减少雷达散射截面。另外，采用钛合金超塑成形扩散连接 T 艺制造的薄壁夹层空心结构还能有效实现埋入式结构的功能，在导弹弹体和动力装置一体化制造方面潜力巨大。图 8 导弹筒体、舵翼面采用的 SPF/DB 结构五、 SPF/DB 主要科研机构进展六
