第21卷 第6期 V ol.21 No.6 2004年 11 月 November 2004
收稿日期：2004-07-19
作者简介：曾立英(1970-)，女，硕士，高级工程师，主要从事钛及钛合金的研究工作。
曾立英，赵永庆，李丹柯，李 倩
(西北有金属研究院，陕西 西安710016)
摘 要：简要介绍了超塑性在压力加工方面以及相变超塑性在焊接方面的应用。重点介绍了超塑性成形和超塑性成形/扩散焊接技术在钛合金上的应用、超塑成形模具材料选择的原则、以及提高SPF 部件性能的措施。 关键词：钛合金；超塑性；SPF/DB ；应用 钛合金由于具有比强度高、耐热、耐腐蚀等优良性能，在航空航天、化工、船舶、医疗等部门得到广泛的应用，但其切削加工性能差，特别是制成像飞机结构件那样形状复杂的零件，成品率很低。近年发展起来的超塑成形技术，改善了钛合金难以成形的状况，因而充分发挥了钛合金的优势。超塑性钛合金正
以它们优异的变形性能和材质均匀等特点，在航空航天以及汽车的零部件生产、工艺品制造、仪器仪表壳罩件和一些复杂形状构件的生产中起到了不可替代的作用。
所谓超塑性是指材料在一定的内部（组织）条件（如晶粒形状及尺寸、相变等）和外部（环境）条件下（如温度、应变速率等），呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能的现象。根据金属材料的结构和变形条件（温度、应力），可将超塑性合金大致划分为3大类。第一类是微晶超塑性合金。这种合金产生超塑性的条件是：变形温度要高（大约是熔点绝对温度的0.4倍～0.7倍）；变形速度要 低（应变速率•
ε在10－
4 s -1∼10－
1 s -1之间）；材料的 晶体结构应为微细晶粒（晶粒尺寸在0.5 µm ～5 µm 之间）。一般所指超塑性多属这类超塑性，其特点是材料具有微细的等轴晶粒组织。第二类是相变超塑性合金，亦称转变超塑性或变态超塑性。这类超塑性，并不要求材料有超细晶粒，而是在一定的温度和负荷条件下，经过多次的循环相变或同素异形转变获得大延伸。 第三类超塑性（或其它超塑性）：在消除应力退火过程中在应力作用下可以得到超塑性。
由于钛合金在超塑状态具有异常高的塑性，极小的流动应力，极大的活性及扩散能力，可以在很多领域中应用，包括压力加工、热处理、焊接、铸
造、甚至切削加工等方面。本文只涉及超塑性在压力加工方面的应用和相变超塑性在焊接方面的应用。
1 超塑性在压力加工方面的应用
金属超塑性压力加工技术系指某些合金经特殊处理得到微细组织状态后，在一定温度和一定变形速度下变形获得异常高的可塑性能的技术。它属于粘性和不完全粘性加工。超塑性合金的变形抗力非常小，通常只有一般金属的几分之一，甚至几十分之一，因此大大减小了成形压力。利用这一特点可以一次直接成形各种形状复杂、变形量很大、薄壁等用其它方法难以成形的零件，并且可以大大缩短工艺过程、节约能源。超塑性成形的方式有气压成形、液压成形、挤压成形、锻造成形、拉延成形、无模成形等多种方式。其优点是流动性好，填充性好，需要设备功率吨位小，材料利用率高，成形件表面精度质量高。相应的困难是需要一定的成形温度和持续时间，对设备、模具润滑、材料保护等都有一定的特殊要求。
近几十年来，金属超塑性加工（如等温锻造）已在工业生产领域中获得了较为广泛的应用。等温锻造由于加工工序少、能获得近净形形状以及有效控制组织结构等优点而日益成为航空航天等领域钛合金
零部件制备的优选工艺。美国在20世纪70年代就已把等温锻造工艺应用于航天飞机发动机涡的生产。20世纪80年代初，国内也开始了超塑等温锻造工艺的研究，但多为小型锻件[1]。 1.1 超塑性钛合金的应用
钛合金原本是一种很难变形的合金，它在常温
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下的最大延伸率只有30％左右。过去，在利用钛合金加工形状复杂的零件时，往往采用“蠕变加工法”，其变形过程需要1 h以上。改用“超塑性成型”，制造任何形状复杂的钛合金零件一般都不会超过8 min，生产效率明显提高。目前SPF部件大多由Ti6Al4V合金板制备，成型温度900℃左右[2]。900℃∼950℃下，成形压力约 1.75 MPa时，可成功地超塑成形出Ti6Al4V环形气瓶[3]，另外还可超塑成形制备形状复杂的空心近净型件，如多层蜂窝结构[4]。TC11压气机盘的超塑等温锻造温度范围为875℃∼940℃[1]。也就是说，商业用钛合金等温锻造温度较高，因此对工艺装备要求高，尤其是模具材料需耐高温和抗氧化；同时钛在此温度下活性很大，表面氧化不可避免，从而导致钛合金拉伸塑性和疲劳强度降低。这些钛合金的SPF通常需在惰性气体保护中进行，成型部件需进行表面修磨以去除氧化皮。日本钢管公司（NKK）于1995年推出富β强度较高的α＋β型钛合金SP-700（Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe），其超塑性延伸率高达2 000％，且超塑成形温度比Ti-6Al-4V 的低140℃ [5, 6]。SP-700合
金在775°C下超塑成型加工时，合金表面的氧化皮可有效地被抑制住，同时超塑成形的成本大大降低。
图1示出一些超塑成形的零部件，其中(a)是哈尔滨工业大学材料学院超塑性与数值模拟研究室超塑成形的波形膨胀节用TC4钛合金波纹管[7]；(b)和(c)分别是SP-700和工业纯钛超塑成形的零件；(d)是在700℃吹塑成型的Ti-15-3零件[8]。
用500 t油压机，在730℃下成功地用Ti-8Co- 5Al合金等温锻造出飞机用喷嘴壳体。若采用同样的压机、同样的模具等温锻造同样的零件，Ti-6Al-4V 的等温锻造温度则为940℃。Ti-8Co-5Al合金等温锻造模具材料将不需采用价格昂贵的高温材料，对设备要求也相应降低，产品的成本由此下降[9]。
与其它钛合金相比，Ti-1023合金超塑性能力中等，其最大延伸率只有TC4合金的三分之一。但Ti-1023合金具有有利的应力－应变速率特性，与TC4相比，更加适合于等温锻造。TC4合金的等温锻造大约在950℃进行，而Ti-1023合金可以在760℃完成阀板类零件的等温锻造。这种等温锻造温度差别可以使模具和锻造费用显著降低，在经济上更有吸引力。对于等温锻造工艺，Ti-1023合金是最有吸引力的钛合金[10]。
长纤维强化的钛基复合材料作为航空结构材料有望在300℃∼600℃使用，但是零件的制造成本高是实用化的最大障碍。如果利用超塑性直接预成形零件，特别是具有复杂曲面的零件，制造成本就会大幅
度下降。将等离子喷镀预成形法制备的SCS-6/SP-700复合材料插在两块厚度为 1 mm的SP-700板之间制成成形坯料，在775℃用气压成形法可制成椼梁和叶片 [11]。
图1 超塑成形的零部件
(a) Ti-6Al-4V,(b)SP-700,(c)C.R.Ti,(d)Ti-15-3
1.2 模具材料的选择
在高温下使用的超塑等温锻造钛合金的模具材料应具有良好的高温机械性能、抗氧化性能、热稳定性能和抗蠕变性能。综合考虑其高温机械性能、制作成本、机械加工性能、铸件浇注质量、可焊性等，全面分析中硅钼铸铁、1Cr18Ni9Ti、 K11、GH140、R45和Ni7N等材料的各项性能后认为，价格较昂贵的Ni7N更适宜用作超塑成形模[12]。耐热高温合金（如K3、K11、GH40等）能很好地满足TC11合金超塑等温锻造的要求[1]，但加工工艺性能差、材料昂贵、适合批量生产选用。某些耐热铸铁，虽抗拉强度低，不适合作成形模，但可用来制作垫板；某些高温耐热钢（如R45、Ni7N）可用于成形模；另外，仅锻造少量的试验模具也可考虑选用1Cr8Ni9Ti。凸模上冲头、凹模、下冲头应选用同种材料，这样可避免材料热膨胀系数不同而在锻造过程中可能导致的“卡死”现象。RH11润滑剂适用于TC11的超塑性等温锻造。
1.3 SPF/DB
钛合金在飞机、导弹及航天飞机上的应用越来越广泛。为了解决零件加工困难的问题，除了可以采用“超塑性成形”的办法以外，还可以采取“超
d
c
a b
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塑性扩散连接(即SPF/DB 技术)”的办法，SPF/DB 技术即是利用钛合金在特定的显微组织、温度及拉伸量下，合金的延伸率超过100％、甚至可达1 000％的特性，进行超塑成形；同时在同等条件下，把温度控制在合金的熔点以下进行焊接，在足够的热量和压力之下，使两块金属的接触面上的原子和分
子相互扩散，从而连接成一个整体。这种扩散连接是在真空中或惰性气体中进行的，超塑性成形在超塑温度下和专用的SPF/DB 机床上，将钛合金工件在封闭的模具内吹塑成形。钛合金的“超塑性成型”温度和“超塑性扩散连接”温度极为接近，同时进行这2项工艺可以将形状相当复杂的大型构件一次直接加工出来，成形出整体无连接形状复杂的零件（包括空心构件）。利用SPF/DB 技术，克服了钛合金冷加工工艺性差、成形困难的缺点。SPF/DB 技术在航空、航天结构件上的应用日益扩大，正是适应了钛合金薄壁整体结构设计的新构想，使成形与连接一体化。与以往的铆接和焊接比较，可以降低成本40％∼60%，减轻质量30％∼50％[13]。SPF/DB 技术已在国内外得到广泛应用。如人造卫星的球形燃料箱，厚度只有 0.7 mm ∼1.5 mm ，只有采用超塑性加工法才能成形。又如，用钛合金制造飞机隔架，若采用普通锻造法，对每个隔架来说，需要先锻成158.8 kg 的毛坯，再进行机械加工；而用超塑性模锻，只需22.7 kg 材料即可锻出，每个隔架能节省材料136.1 kg 。B －1喷气式飞机的舱门、尾舱、骨架，原用100个零件组装而成，现用超塑性加工，可一次成形，这使尾舱架的质量减轻33％，成本降低55％[13]。
钛合金SPF/DB 组合工艺按结构特点可分为3类：加强板结构、整体加强结构、夹层结构。钛合金SPF/DB 适用的飞机构件有：形状复杂的零件如发动机整流罩、整流包皮、内外加筋蒙皮、整体隔框、翼肋、波纹板、加强板、舱门、口盖等[14]。
超塑性金属的加工温度范围和变形速度虽有限制，但因为它的晶粒组织细致，又容易和其他合金压接
在一起，组成复合材料，这在材料加工中又是一个很大的优势。例如在Ti-6Al-4V 合金超塑性温度范围内（910°C ∼940°C ）,Ti-6Al-4V 与IMI834合金板材扩散焊结合得很好。试验与理论预计的结果均表明，界面处的结合是由Ti-6Al-4V 合金的超塑性变形引起的[15]。 1.4 超塑性后性能研究
SPF/DB 技术对于加工复杂的航天航空用钛合金部件非常有效，而且超塑性成形技术的应用领域
正在不断扩大。但作为用户和产品设计者最为关心的是超塑成形后钛合金零部件的机械性能指标如何变化。与其它工艺一样，SPF 也会引起材料机械性能的损失。为保证航空结构件的安全性，充分发挥SPF 技术的优势，有必要测定SPF 工艺后材料的机械性能，如疲劳强度等[16]。到目前为止，从事该项研究的却很少。
用途广泛的Ti-6Al-4V 合金板材经SPF 后性能有不同程度地下降，但仍属塑性良好的钛合金，强度也可满足一般构件设计的需要，特别是弹性模量基本不变。从SPF/DB 工艺本身看，选择较低的SPF 温度（900℃∼915℃），有助于抑制Ti-6Al-4V 合金晶粒长大；选择合理的应变速率，尽可能缩短板材在高温下停留的时间，对减少性能损失是有利的；提高模具表面粗糙度，仔细配备隔离剂，均有利于疲劳强度的提高[17]。对不得不采用“冷出模”的大型构件，为了减少性能下降，可以采用重新热处理的办法（如Ti-6Al-4V 合金SPF 后可采取800℃退火并空冷的处理方式），退火时仅需简单夹具即可，空冷也不会带来过分的变形。对小型构件最好是“热出模”，不过“热出模”会带来氧化层，需要酸洗去除。
2 相变超塑性在焊接方面的应用
无论是恒温超塑性和相变超塑性都可以利用其流动特性及高扩散能力进行焊接。 将两块金属材料接触，利用相变超塑性的原理，即施加很小的负荷和加热冷却循环即可使接触面完全粘和，得到牢固的焊接，这种焊接被称为相变超塑性焊接--TSW 。此种焊接由于加热温度低（在固相加热），没有一般熔化焊接的热影响区，也没有高压焊接的大变形区，焊后可不经热处理或其它辅助加工，即可应用。焊接对偶可以是同种材料，也可以是异种材料。原则上具有相变点的金属或合金都可以进行超塑性相变焊接。钛合金一般在882℃时发生同素异构转变，即密排六方晶格的α钛转变为体心立方晶格的β钛，这样就可以利用相变诱发的超塑性进行焊接[18]。
相变超塑性焊接是一种介于压焊与扩散焊之间的固相焊接方法[19]，它具有压力焊与扩散焊2者的优点，与压力焊相比，它需要的压力小，变形也小；与扩散焊相比较，它形成良好接头所需要的时间短，温度低，压力也小。
应用细晶超塑性状态下的扩散、成形方法焊接钛合金，在航空工业也得到应用，但需要较长时间才能完成结合过程。相变超塑性焊接过程中，接头
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附近位错密度增加，元素的扩散性也大为增加，因而可以在短时间内实现冶金结合[19]。
3 结语
综上所述，超塑性加工技术由于它的独特优点，已被越来越多的专家和工程技术人员所掌握，并在应用方面尤其是高技术领域取得了良好的效果和经济效益，世界各国对它的研究也进一步广泛和深入。今后研究的重点将放在开发能在较低温度、较高应变速率条件下超塑成形的钛合金上，以提高超塑变形的速率，目的在于提高超塑成形的生产率。
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Application of Superplasticity on Pressure Processing and Welding of Titanium Alloys
Zeng Liying, Zhao Yongqing, Li Danke,Li Qian
(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710016,China)
Abstract: Application of superplasticity on pressure processing and welding was overviewed in brief. Emphasis has been put on application of superplastic forming (SPF) and superplastic forming/diffusion bonding (SPF/DB) in titanium alloys, on selecting principle of superplastic forming mould, and on method to improve the properties of SPF parts.
Key words: titanium alloys; superplastic properties; SPF/DB; application
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