第第8 8章章 飞行器生产中飞行器生产中钛合金的先进制造技术钛合金的先进制造技术1 8.1 钛板超塑性成形钛板超塑性成形8.1.1 超塑性成形的特征超塑性成形的特征塑塑性性：是是金金属属的的主主要要属属性性之之一一，它它指指的的是是金金属属在在不不遭遭受受破破坏坏的的情情况况下下，既既具具有有永永久久变变形形能能力力又又具具有有足足够够强强度的性能度的性能超塑性超塑性”就是超出一般就是超出一般“塑性塑性”指标的金属的特性指标的金属的特性作作为为衡衡量量塑塑性性优优劣劣的的一一个个重重要要指指标标延延伸伸率率值值，一一般般金金属属均均不不超超过过百百分分之之几几十十，如如黑黑色色金金属属不不大大于于40%，有有色色金金属属不不大大于于60%（软软铝铝约约为为50%，而而金金银银一一般般也也只只80%），它它们们即即使使在在高高温温下下拉拉伸伸，也也难难以以达达到到100%从从材材料料的的提提纯纯、冶冶炼炼、锻锻造造和和热热处处理理中中设设法法改改善善金金属属的的塑塑性性，但但都都不不理理想想，无无法法大大幅幅度度提提高高塑塑性指标2 在在长长期期以以来来金金属属变变形形的的研研究究中中，有有人人发发现现某某些些金金属属在在一一定定条条件件下下具具有有大大大大超超过过一一般般塑塑性性的的特特异异性性能能，这这些些具具有有超超塑塑性性的的金金属属其其值值可可超超过过百百分分之之百百，有有的的甚甚至至达达到到百百分分之之二二千千也也不不产产生生缩缩颈颈现现象象。
随随着着研研究究的的深深入入，普普遍遍认认为为这这种种特特殊殊的的、巨巨大大的的延延伸伸特特性性并并不不限限于于某某几几种种合合金金；对对大大多多数数金金属属材材料料，包包括括钢钢铁铁等等黑黑色色金金属属以以及及一一般般认认为为难难成成形形的的钛钛合合金金等等，在在特特定定条条件件下下都都可可使使值值提提高高几几倍倍至至几几十十倍倍比比如如Ti-6Al-4VTi-6Al-4V板板材材，常常温温下下的的值值约约10%10%，Ti-5Al-4VTi-5Al-4V约约14%14%，前前者者在在加加温温到到760760时时，值值约约为为65%65%，850850时时约约90%90%，即即使使加加温温到到900900也也只只达达110%110%左左右右然然而而处处于于超超塑塑性性条条件件下下的的Ti-6Al-4VTi-6Al-4V，值值可可高高达达500%500%以以上，甚至上，甚至1000%1000%以上3 超超塑塑性性是是一一种种奇奇特特的的现现象象具具有有超超塑塑性性的的合合金金能能像像饴饴糖糖一一样样伸伸长长1010倍倍、2020倍倍甚甚至至上上百百倍倍，既既不不出出现现缩缩颈颈，也也不不会会断断裂裂。
金金属属的的超超塑塑性性现现象象，是是英英国国物物理理学学家家森森金金斯斯在在19821982年年发发现现的的，他他给给这这种种现现象象做做如如下下定定义义：凡凡金金属属在在适适当当的的温温度度下下（大大约约相相当当于于金金属属熔熔点点温温度度的的一一半半）变变得得像像软软糖糖一一样样柔柔软软，而而应应变变速速度度1010毫毫米米/秒秒时时产产生生本本身身长长度三倍以上的延伸率，均属于超塑性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：超塑性与传统成形方法相比，具有如下特征：(1)(1)大变形大变形 超超塑塑性性材材料料在在单单向向拉拉伸伸时时值值极极高高，表表明明超超塑塑性性材材料料在在变变形形稳定状态方面要比普通材料好得多稳定状态方面要比普通材料好得多2)(2)无缩颈无缩颈 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)(3)小应力小应力 超超塑塑性性材材料料在在变变形形过过程程中中，变变形形应应力力可可以以很很小小，具具有有粘粘性性或或半半粘粘性性流流动动的的特特征征通通常常用用流流动动应应力力表表示示变变形形应应力力的的大大小小。
在在一一定定的的速速度度下下，流流动动应应力力要要比比一一般般金金属属的的变变形形应应力力小小到到几几分分之之一一以至几十分之一以至几十分之一4)(4)易成形易成形 由由于于超超塑塑性性材材料料具具有有上上述述特特点点，在在变变形形过过程程中中基基本本没没有有应应变变硬化，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，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使用超塑性加工制造零件的另一优点是可可以一次成型，省掉了机械加工、铆焊等工序以一次成型，省掉了机械加工、铆焊等工序，达到节约原材料和降低成本的目的。
在模压超达到节约原材料和降低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是加工时间较长，由普通热模锻的几秒增至几分钟7 将将超超塑塑性性成成形形应应用用于于钛钛合合金金构构件件成成形形具具有有如如下主要优点：下主要优点：在在一一道道成成形形工工序序内内可可用用低低塑塑性性钛钛合合金金制制成成复复杂杂形形状状的的构构件，而且总件，而且总变形量变形量或局部变形量很大；或局部变形量很大；由由于于合合金金变变形形阻阻力力大大大大减减小小，成成形形过过程程的的动动力力参参数数值值（应应力力、压压力力）也也减减小小，因因此此可可以以广广泛泛采采用用非非压压床床模模压压成成形；形；由由于于能能很很好好地地贴贴模模成成形形，而而且且没没有有回回弹弹，因因此此，成成形形的构件精度很高；的构件精度很高；工工艺艺过过程程相相对对简简单单而而且且机机动动灵灵活活，可可以以保保证证生生产产准准备周期短、耗费少，并可对生产工艺及产品结构进行改革备周期短、耗费少，并可对生产工艺及产品结构进行改革.88.1.2 超塑性分类与机理超塑性分类与机理1.超塑性的分类超塑性的分类 延伸率超过延伸率超过100%作为衡量材料有无超塑性的标准。
作为衡量材料有无超塑性的标准流变方程流变方程应应变变速速度度敏敏感感指指数数m值值作作判判据据；若若m0.3时时，即即认认为为有有超超塑塑性性实实验验证证明明，m值值越越大大，材材料料超超塑塑性性性性能能越越好好因因此此，金金属属材材料料超超塑塑性性是是在在特特定定条条件件下下（高高温温、细细晶晶粒粒和和低应变速率）低应变速率），材料出现异常的延伸率的总称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：金属材料的超塑性大体可以分为三类：(1)组织超塑性组织超塑性 材材料料具具有有超超塑塑性性的的必必要要条条件件是是具具有有均均匀匀等等轴轴的的微微晶晶组组织织，较较低低的的应应变变速速率率和和高高于于金金属属熔熔点点温温度度的的百百分分之之五五十十，并并保保持持恒恒温温状状态态因因此此又又称称微微晶晶超超塑塑性性，或或称称组组织织超超塑塑性性这这类类钛钛合合金金最最典典型型的是的是Ti-6Al-4V，对它的研究最广泛对它的研究最广泛10(2)相变超塑性相变超塑性 它它是是在在一一个个变变动动频频繁繁的的温温度度环环境境下下，经经相相变变或或同同素素异异晶晶转转变变，和和组组织织超超塑塑性性一一样样，在在低低应应力力作作用用下下，同同样样获获得得无无缩缩颈颈的的高高延延伸伸率率称称为为相相变变超超塑塑性性。
由由于于温温度度的的反反复复变变化化，引引起起组组织织结结构构的的变变化化，故故又又称称动动态态超超塑塑性性而而前前一一种种没没有有相相的的转转变变故又称故又称静态超塑性静态超塑性材材料料产产生生相相变变或或同同素素异异晶晶转转变变是是必必要要条条件件而而钛钛与与铁铁相相似似，在在882发发生生相相的的转转变变，低低于于此此温温度度时时是是钛钛，密密排排六六方方晶晶格格是是稳稳定定的的；高高于于此此温温度度是是钛钛，体体心心立立方方晶晶格格也也是是稳稳定定的的这这类类超超塑塑性性研研究较少，有待深入究较少，有待深入11(3)短暂超塑性短暂超塑性 近近期期研研究究发发现现，普普通通非非超超塑塑性性材材料料在在一一定定条条件件下下，进进行行快快速速变变形形在在短短时时间间内内会会呈呈现现出出超超塑塑性性性性质质，这这种种现现象象称称为为短短暂暂超超塑塑性性这这种种材材料料必必须须具具备备双双相相组组织织，并并利利用用在在双双相相区区的的温温度度下下母母相相晶晶粒粒长长大大困困难难，有有利利于于塑塑性性的的发发挥挥这这类类超超塑塑性性也也有有待于进一步研究待于进一步研究122.超塑性材料的获得超塑性材料的获得 金金属属超超塑塑性性的的获获得得除除了了特特定定的的外外界界条条件件外外，本本身身组组织织状态是关键。
状态是关键为为了了在在塑塑性性变变形形过过程程中中，使使金金属属的的微微晶晶组组织织稳稳定定，并并尽尽可可能能使使晶晶粒粒长长大大缓缓慢慢，就就要要求求原原始始组组织织的的晶晶粒粒越越小小越越好好，或或有有双双相相的的组组织织抑抑制制其其晶晶粒粒长长大大要要达达到到这这一一目目的的，可可用用以下办法：以下办法：（1）通通过过对对共共析析合合金金材材料料(两两相相组组织织)的的多多次次淬淬火火和和回回火火热处理，获得微晶组织热处理，获得微晶组织；（2）通通过过对对共共晶晶合合金金适适当当的的热热处处理理，获获得得较较细细的的晶晶粒粒但但这这种种共共晶晶合合金金必必须须有有高高的的第第二二相相体体积积百百分分比比，才才能能有有高高的热稳定，即高温下，晶粒不易长大，并有高的延伸率；的热稳定，即高温下，晶粒不易长大，并有高的延伸率；13（3）添添加加元元素素细细化化晶晶粒粒不不同同的的金金属属或或合合金金，加加入入元元素素的的种种类类和和数数量量也也不不同同如如在在钛钛中中加加入入微微量量的的Zr、Al，Mo和和Ta等等，形形成成金金属属间间化化合合物物，使使晶晶粒粒细细化化，抑抑制制晶晶粒粒长长大大。
若若加加入入Al和和Ga，又又能能使使再再结晶温度提高，并可提高组织的热稳定性；结晶温度提高，并可提高组织的热稳定性；（4）连连续续热热加加工工变变形形细细化化晶晶粒粒对对双双相相合合金金，可可以以通通过过在在再再结结晶晶温温度度下下，进进行行大大变变形形热热加加工工使使其其获获得等轴的超细晶粒；得等轴的超细晶粒；（5）微微细细粉粉末末烧烧结结法法用用微微细细粉粉末末直直接接加加热热烧烧结结，可以获得微细组织，而且避免铸态的偏析可以获得微细组织，而且避免铸态的偏析142.超塑性机理超塑性机理 目目前前超超塑塑性性机机理理尚尚未未一一套套完完整整的的理理论论，主主要要有有如如下下几几种种论论点：点：(1)(1)空位迁移空位迁移扩散蠕变理论扩散蠕变理论 由由于于变变形形是是在在高高温温低低速速下下进进行行的的，不不少少人人试试图图用用扩扩散散蠕蠕变变解解释释超超塑塑性性机机理理，认认为为超超塑塑性性变变形形是是一一种种在在应应力力场场作作用用下下原原子子的的扩扩散散或或迁迁移移的的过过程程。