超塑性模锻的工艺过程模板.doc

超塑性模锻工艺应用及发展

摘要：介绍了超塑性模锻实质及工艺过程；列举了超塑性模锻应用现实状况及模具材料；叙述了超塑性模锻工艺特点和优点。
关键词：超塑性模锻；应用；特点；优点

一、引言

伴随航空宇航工业快速发展及外向型经济日益扩大，模锻件质量及成本竞争愈来愈猛烈。超塑性模锻是近几年中发展起来一个少无切削和精密成形技术铸造新工艺。它利用金属材料超塑特征使毛坯成形，得到形状复杂及尺寸较正确锻件。

多年来，高温合金和钛合金使用不停增加，这些合金特点是：流变抗力高，可塑性低，含有不均匀变形所引发机械性能各向异性敏感性，难于机械加工及成本高昂。如采取一般热变形铸造工艺时，机械加工金属损耗达80%左右，往往不能满足航空零件所需机械性能；不过采取超塑性模锻方法，就能改变过去肥头大耳落后铸造工艺。

金属材料超塑性是指金属在特定条件(晶粒细化，极低变形速度及等温变形)下，能够含有比通常条件下更大塑性。如通常塑性很好低碳钢拉伸时延伸率只有30%～40%，塑性好有色金属也只有60%～70%，但超塑性状态，通常认为塑性差金属延伸率在100%～200%范围内，塑性好金属延伸率在500%～%范围内。

二、超塑性模锻工艺过程［1，8］

超塑性模锻工艺过程以下：首先将合金在靠近正常再结晶温度下进行热变形(挤压、轧制或铸造等)以取得超细晶粒组织；然后在超塑温度下，在预热模具中模锻成所需形状；最终对锻件进行热处理，以恢复合金高强度状态。

依据超塑性存在条件，超塑性模锻要求坯料在成形过程中保持恒温，立即模具和变形合金加热到一样温度一个铸造工艺。

图1两种模锻工艺比较
(a)一般模锻 (b)超塑性模锻
1.毛坯 2.锻件
图1表示用一般模锻和超塑性模锻取得同一涡轮盘锻件(钛合金)工艺比较。表1列出了两种模锻方法关键工艺参数比较。
表1两种模锻工艺比较(钛合金涡轮盘锻件)
工艺参数
一般模锻
超塑性模锻
毛坯加热温度(℃)
940
940
模具加热温度(℃)
480
940
变形速度(mm/s)
12.7～42.3
0.025
平均单位压力(MPa)
500～583
117
模锻时工序次数
4
1
依据超塑性条件，超塑性模锻要求成形速度比较低(若模锻精密零件，则速度应选得更低些)。能够采取可调速慢速液压机，使工件变形时速度逐步减慢，方便得到良好充满性。超塑性模锻实践表明，模锻一件成品大约需要2～8min，类似于蠕变模锻。

三、超塑性模锻应用现实状况［1，2，3，8］

多种零件超塑性模锻介绍以下：

(1)美国用超塑性模锻制造Ti-6Al-6V-2Sn钛合金飞机大梁。此合金在一般模锻时因为铸造温度范围较窄，伴随变形温度下降，变形抗力急增，极难模锻。但采取超塑性模锻就很轻易成形，其模锻工艺参数以下：平面毛坯钛合金加热到980℃，在精铸MAR-M200合金模具中进行等温模锻，变形速度0.04mm/s，成形时间为3～5min，模锻总压力2670kN。

(2)美国用超塑性模锻Ti-6Al-6V-2Sn钛合金起落架前轮，使该合金既能显著降低变形抗力，又能锻成正确形状。其模锻工艺参数以下：带孔圆毛坯钛合金加热到980℃，在精铸MAR-M200合金模具中进行等温模锻，变形速度为0.04mm/s，成形时间为5～8min。模锻时平均单位压力为114MPa。为预防在模锻过程中锻件氧化，应采取氩气保护。

(3)美国铝业企业用超塑性模锻Ti-6Al-4V钛合金框架加强板和支承底座机件。该合金是在950℃下进行超塑性模锻。框架加强板投影面积为10320mm2，超塑性模锻后锻件重量为0.32kg，加强肋最小壁厚3.17mm，而一般模锻件重3.63kg。支承底座机件投影面积为13545mm2，超塑性模锻后锻件重量为0.82kg，最小厚度2.67mm，而一般模锻件重6.36kg。

(4)美国国家宇航局用超塑性模锻TAZ-8A高温合金涡轮叶片。TAZ-8A是美国多年来发展一个新型铸造合金，无可锻性，轻微铸造就要破裂，而采取超塑性却模锻出涡轮叶片。模锻工艺参数以下：把直径Φ25.4mm细晶粒圆坯料加热到1093℃，在加热模具中进行等温模锻，一次变形量就可达75%。模具材料是TZM钼基铸造高温合金。

(5)俄罗斯航空动力研究所用超塑性模锻法对BT9钛合金压气机叶片进行多件模锻。将钛合金毛坯Φ38mm×205mm加热到960℃，在10000kN油压机上进行等温变形，变形速度为1.5mm/s，平均单位压力为300～320MPa。模具材料为ЖC6-KП镍基铸造合金。用ЭBT-24型号玻璃润滑剂。锻后多件模锻坯在切边压力机上进行切边分离工序。

(6)俄罗斯用超塑性模锻ЖC6-KП合金导向叶片。该材料是一个铸造合金，经过热静液压后，取得均匀细晶粒组织。拉伸试验表明，该合金在1075℃～1125℃之间含有超塑性，最大延伸率可达500%。用1000kN油压机进行导向叶片超塑性模锻，模具和坯料加热温度均为1100℃，变形速度为1～2mm/s。模锻总压力为250kN，平均单位压力为150MPa。叶片表面质量良好，没有裂纹或其它缺点。

(7)美国Wyman-Gordon企业用超塑性模锻飞机水平安定面连杆、舱隔及轴承支座。舱隔尺寸为560mm×610mm，一般模锻时，舱隔锻件重量为150kg，而超塑性模锻件重30kg。用一般模锻轴承支座重量为54kg，超塑性模锻件重21kg。

四、超塑性模锻用模具材料［7，8］

高温合金和钛合金超塑性温度范围大多在800℃以上，所以超塑性模锻对模具材料必需含有以下要求：

(1)较高高温强度；
(2)高耐磨性和一定高温硬度；
(3)优良耐热疲惫性和抗氧化性能；
(4)合适冲击韧性；
(5)很好淬透性和导热性。

现在生产上大多采取镍基铸造高温合金：如IN-100、MAR-M200、ЖC6-KП等，也有采取钼基合金TZM，但当工作温度超出500℃时，因为钼氧化皮较严重，所以需采取氩气保护。

五、超塑性模锻工艺特点及优点［4，5，6，8］

从上述所举很多模锻件可知，超塑性模锻工艺含有以下4大特点：

(1)显著提升金属材料塑性。比如过去认为不能变形IN-100，ЖC6-KП及Astroloy等铸造镍基合金，也能够使之含有超塑性，而且能模锻尺寸正确涡轮盘、叶片，甚至带叶片整体涡轮。

(2)极大地降低金属流变抗力。在超塑性状态下，金属流变抗力很低。通常超塑性模锻总压力只是相当于一般模锻几分之一到几十分之一。所以在吨位较小铸造设备上可模锻较大工件。

(3)金属超塑性能使形状复杂、薄壁、高肋锻件在一次模锻中锻成。而一般模锻高强度合金时，则需要数次锻打，甚至极难锻成。这么既能降低加热次数及节省燃料，又可消除在数次加热中所形成表面氧化缺点。比如一般模锻时锻件缺点表面厚度为0.25mm或更大，而超塑性模锻为0.05mm。

(4)在超塑性模锻过程中，金属继续保持均匀细小晶粒组织。所以在产品整体上有均匀机械性能。因为超塑性成形后金属晶粒仍为等轴晶，所以机械性能各向同性。但在一般模锻时呈各向异性，而使工件横向疲惫性能和断裂韧性有所降低。

因为超塑性模锻工艺特征，从而使锻件得出以下6个优点：

(1)精度高在超塑性状态变形时，因合金流动性高，故充填性良好，模锻后尺寸精密，机械加工量很小，甚至可不再加工，这对极难机械加工高温合金和钛合金锻件尤其有利。两种模锻工艺参数比较见表2所表示。
表2两种模锻工艺参数比较
工艺参数
一般模锻
超塑性模锻

模锻斜度(°)
5
0～1
外圆角半径(mm)
22
10
内圆角半径(mm)
10

3.3
锻不足量(mm)
0.76～3.3
0～1

错移(mm)
1.27
0.51
歪曲(mm)
1.52
0.38
长度及宽度公差(mm)
±1.0
±0.38
肋厚度(mm)
12.7
2.5～3.2
(2)机械性能高因为锻件所取得是均匀细晶粒组织，并呈各向同性，使合金屈服强度、低频疲惫及抗应力腐蚀性能全部有显著提升。
(3)材料利用率高因为这种工艺含有超塑特征，使这种工艺参数有很大改变。据资料统计，超塑性模锻和一般模锻相比，金属消耗降低二分之一以上。
(4)模具寿命高因为所锻材料流变抗力显著降低，能延长模具使用寿命，降低模具损耗，降低成本。
(5)废品率低未充满锻件可重新进行超塑性模锻，而不影响合金性能，从而大大降低废品率。
(6)无残余应力因为在极慢速度下进行塑性变形，使锻件中不存在残余应力和冷加工贮备能，故无回弹问题，在热处理时尺寸稳定，这点对钛合金极为有利。

六、结束语

在航空高温合金及钛合金零件生产中，采取超塑性模锻工艺，在技术和经济上显著优于常规模锻工艺。它提升了产品质量和合格率、降低了机械加工工时、节省材料及基础设备投资，达成降低锻件成本目标。超塑性模锻工艺尤其适合于形状复杂、带孔或台阶形状零件成形。该工艺是一个很有发展前途新工艺。