超塑性成形

金屬材料在某些特定的條件下，呈現出異常好的延伸性，這種現象稱為超塑性。超塑性材料的伸長率可超過100%而不產生縮頸和斷裂。而一般鋼鐵材料在室温條件下的伸長率只有30%～40%，非鐵金屬材料如鋁、銅及其合金，也只能達到50%～60%。超塑性成形就是利用金屬材料的超塑性，對板料進行加工以獲得各種所需形狀零件的一種成形工藝。

由於超塑性成形可充分利用金屬材料塑性好，變形抗力小的特點，因此可以成形各種複雜形狀零件，成形後零件基本上沒有殘餘應力。

對材料進行超塑性成形，首先應找到該材料的超塑性成形條件，並在工藝上嚴格控制這些條件。金屬超塑性條件有幾種類型，應用最廣的是微細晶粒超塑性（又稱恆温超塑性）。

微細晶粒超塑性成形的條件如下：

1）温度：超塑性材料的成形温度一般在（0.5～0.7）T_m（T_m為以熱力學温度表示的熔化温度）。

2）穩定而細小的晶粒：超塑性材料一般要求晶粒直徑為0.5～5μm。

3）成形壓力：一般為十分之幾兆帕至幾兆帕。

此外，應變硬化指數、晶粒形狀、材料內應力對成形也有一定的影響。 ^[1] 

超塑性成形的宏觀特徵是大變形、無縮頸、小應力。因此超塑性成形具有以下特點：

①金屬塑性大為提高。比如過去認為只能採用鑄造成形而不能鍛造成形的鎳基合金，也可進行超塑性模鍛成形，因而增加了可鍛金屬的種類。

②金屬的變形抗力很小。一般超塑性模鍛的總壓力只相當於普通模鍛的幾分之一到幾十分之一，因此，可在噸位小的設備上模鍛出較大的製件。

③加工精度高。超塑性成形加工可獲得尺寸精密、形狀複雜、晶粒組織均勻細小的薄壁製件，其力學性能均勻一致，機械加工餘量小，甚至不需要切削加工即可使用。因此，超塑性成形是實現少或無切削加工和精密成形的新途徑。 ^[2] 

超塑性成形的基本方法有：真空成形法、吹塑成形法和模壓成形法。

真空成形法是在模具的成形型腔內抽真空，使處於超塑性狀態下的毛坯成形。其具體方法可分為凸模真空成形法和凹模真空成形法。

凸模真空成形是將模具（凸模）成形內腔抽真空，加熱到超塑性成形温度的毛坯即被吸附在具有零件內形的凸模上。該法用來成形要求內側尺寸準確、形狀簡單的零件。

凹模真空成形用來成形要求外形尺寸精確，形狀簡單的零件。真空成形由於壓力小於0.1 MPa．所以不宜成形厚料和形狀複雜的零件。

吹塑成形法又稱氣壓成形法。在模具型腔中吹入壓縮空氣，使超塑性材料緊貼在模具型腔內壁。此法與傳統的脹形工藝相比，有低能、低壓即可成形出大變形量的複雜零件的優點。該方法可分為凸模吹塑成形和凹模吹塑成形兩種。

模壓成形法又稱對模成形法、偶合模成形法。用此法成形出的零件精度較高，但模具結構特殊，加工困難，在生產實際中應用較少。

超塑性成形時，工件的壁厚不均是首要問題。由於超塑性加工伸長率可達1000%，以致在破壞前出現過渡變薄，即成為其加工的成形極限。故在成形中應當儘量不使毛坯局部過渡變薄。控制壁厚變薄不均的主要途徑有：控制變形速度分佈、控制温度分佈與控制摩擦力等。 ^[2] 

超塑性成形包括模鍛、擠壓、軋製、無模拉拔、壓鍛、深衝、模具凸脹成形、液壓凸脹成形、壓印加工以及吹塑和真空成形。

超塑性成形的優點為：

1）工具成本低。

2）具有超塑性和很低的變形抗力。

3）可以精確複製細微結構。

4）生產準備時間短。

5）材料的橫向疲勞強度、韌性及耐蝕性好。 ^[3] 

材料超塑現象的出現是有條件的，既要有材料本身的內在因素，也要有變形時的環境條件。首先材料本身最好是兩相組織的共析或共晶合金，經過一定的處理後其結晶應是等軸、球形、細晶粒組織，晶粒尺寸一般不大於10μm，即d≤10μm，愈細愈好。這些材料原是指為實現超塑性而專門研製的合金，如鋅合金中的Zn-22 Al、Zn-5 Al，鋁合金中的Al-6 Cu-Zr合金。隨着對超塑性特點認識的深化及實現超塑性工藝的進步，有些現有牌號的工業合金通過一定的工藝處理也可實現超塑性。如鈦合金中的Ti-6 Al-4V、銅合金中的黃銅、不鏽鋼中的IN744，軸承鋼GCr-15、過共析鋼T12、低合金結構鋼30CrMnSiA等，這些常規金屬材料經過一定的工藝處理，在指定的工藝條件下也具有超塑性。

超塑變形的工藝環境主要有兩條：其一為變形温度，超塑變形一般要求材料的温度保持在T_e≥0.5T_m（T_e為實現超塑變形的臨界温度，K；T_m為該材料的熔化温度，K）。這是一個大體的温度界限，各個材料的最佳超塑變形温度要通過一系列實驗求得。其二為變形速率，超塑變形的最大特點是它必須在一定的應變速率（ε）範圍內進行，各種材料都有各自的應變速率與δ、m、σ的關係曲線，即：

δ—ε：最大延伸率與應變速率關係曲線；

m—ε：應變速率敏感性指數與應變速率關係曲線；

σ—ε：變形抗力與應變速率關係曲線。

根據這些曲線選擇最適宜的應變速率，一般地説，ε值大體在0.01/s～0.0001/s之間，此值要比常規的變形速率低很多，這是超塑變形最大的不足之處，它限制了生產率的提高，從而也限制了超塑合金的應用範圍。

超塑性成形工藝主要包括了氣脹成形和體積成形兩類。 ^[4] 

超塑性氣脹成形是用氣體的壓力使板坯料（也有管坯料或其他形狀坯料）成形為殼型件，如儀器殼體、拋物面天線、球形容器、美術浮雕等。氣脹成形又包括了Female（凹模）和Male（凸模）兩種方式，如《Female超塑氣壓成形示意圖》所示。Female成形法的特點是簡單易行，但是其零件的先貼模和最後貼模部分均具有較大的壁厚差。Male成形方式可以得到均勻壁厚的殼型件，尤其對於形狀複雜的零件更具有優越性。美國Superform公司在超塑性氣脹成形及其應用方面達到了較高水平，常年批量生產超塑性氣脹成形的殼型零件，其整個生產過程都實現了計算機控制，成形的零件在航空、航天、火車、汽車、建築等行業都得到應用。

超塑性體積成形包括不同的方式（例如模鍛、擠壓等），主要是利用了材料在超塑性條件下流變抗力低、流動性好等特點。一般情況下，超塑性體積成形中模具與成形件處於相同的温度，因此它也屬於等温成形的範疇，只是超塑性成形中對於材料、應變速率及温度有更嚴格的要求。俄羅斯超塑性研究所首創的迴轉等温超塑性體積成形的工藝和設備在成形某些軸對稱零件時具有其他工藝不可比擬的優越性。這種方法利用自由運動的輥壓輪對坯料施加載荷使其變形，使整體變形變為局部變形，降低了載荷，擴大了超塑性工藝的應用範圍。他們採用這樣的方法成形出了鈦合金、鎳基高温合金的大型盤件以及汽車輪轂等用其他工藝難於成形的零件。 ^[3] 

由於金屬在超塑狀態具有異常高的塑性、極小的流動應力、極大的活性及擴散能力，可以在很多領域中應用，包括壓力加工、熱處理、焊接、鑄造甚至切削加工等方面。近幾十年來，金屬超塑性成形已在工業生產領域中獲得了較為廣泛的應用，如超塑性板材氣脹成形、等温鍛造、超塑擠壓及差温拉伸等。利用材料的超塑性可以加工普通方法難以加工的零件，在航空航天、建築、交通、電子等方面獲得越來越廣泛的應用，尤其在航空航天領域已成為不可或缺的加工手段。迄今為止，超塑成形技術（SPF）的應用範圍已經發展到鋅鋁合金、鋁合金、鈦合金、銅合金、鎂合金、鎳基合金以及黑色金屬材料，又擴展到陶瓷材料、複合材料、金屬間化合物等，在航空航天以及汽車的零部件生產、工藝品製造、儀器儀表殼罩件和一些複雜形狀構件的生產中起到了不可替代的作用。

美國Superform公司和英國Superform Metals LTD公司在鋁合金、鈦合金超塑成形方面，不論是產品的數量還是品種都是最多的，在超塑成形技術方面居世界前列。日本最大的兩家公司Mitsubishi重工業公司和Kawasaki重工業公司最先展開了超塑成形的研究，並第一批研製了SPF專用設備。我國的研究者從20世紀70年代初開始着手超塑性的研究工作，距今已有30多年的歷史，國內許多學校和科研院所對超塑成形進行了研究。鈦合金超塑產品已在我國航空、航天、儀表、電子、輕工、機械和鐵道等各個工業部門得到有效的應用。 ^[4]