10鈦合金的先進(jìn)制造技術(shù)

1、1 第第8 8章章 飛行器生產(chǎn)中飛行器生產(chǎn)中 鈦合金的先進(jìn)制造技術(shù)鈦合金的先進(jìn)制造技術(shù) 2 8.1 鈦板超塑性成形鈦板超塑性成形 8.1.1 超塑性成形的特征超塑性成形的特征 塑性：塑性：是金屬的主要屬性之一，它指的是金屬在不遭是金屬的主要屬性之一，它指的是金屬在不遭 受破壞的情況下，既具有永久變形能力又具有足夠強(qiáng)受破壞的情況下，既具有永久變形能力又具有足夠強(qiáng) 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”指標(biāo)的金屬的特性。指標(biāo)的金屬的特性。 作為衡量塑性優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)延伸率作為衡量塑性優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)延伸率值，一般金屬均值，一般金屬均 不超過百分之幾十，如黑

2、色金屬不大于不超過百分之幾十，如黑色金屬不大于40%，有色金屬不大于，有色金屬不大于 60%（軟鋁約為（軟鋁約為50%，而金銀一般也只，而金銀一般也只80%），它們即使在高），它們即使在高 溫下拉伸，也難以達(dá)到溫下拉伸，也難以達(dá)到100%。從材料的提純、冶煉、鍛造和熱。從材料的提純、冶煉、鍛造和熱 處理中設(shè)法改善金屬的塑性，但都不理想，無法大幅度提高塑處理中設(shè)法改善金屬的塑性，但都不理想，無法大幅度提高塑 性指標(biāo)。性指標(biāo)。 3 在長期以來金屬變形的研究中，有人發(fā)現(xiàn)某些在長期以來金屬變形的研究中，有人發(fā)現(xiàn)某些 金屬在金屬在具有大大超過一般塑性的特異具有大大超過一般塑性的特異 性能，這些具有超塑性

3、的金屬其性能，這些具有超塑性的金屬其值可超過百分之值可超過百分之 百，有的甚至達(dá)到百分之二千也不產(chǎn)生縮頸現(xiàn)象。百，有的甚至達(dá)到百分之二千也不產(chǎn)生縮頸現(xiàn)象。 隨著研究的深入，普遍認(rèn)為這種特殊的、巨大的延隨著研究的深入，普遍認(rèn)為這種特殊的、巨大的延 伸特性并不限于某幾種合金；對大多數(shù)金屬材料，伸特性并不限于某幾種合金；對大多數(shù)金屬材料， 包括鋼鐵等黑色金屬以及一般認(rèn)為難成形的鈦合金包括鋼鐵等黑色金屬以及一般認(rèn)為難成形的鈦合金 等，等，在在特定條件特定條件下都可使下都可使值提高幾倍至幾十倍。值提高幾倍至幾十倍。 比如比如Ti-6Al-4VTi-6Al-4V板材，常溫下的板材，常溫下的值約值約10%1

4、0%，Ti-5Al-Ti-5Al- 4V4V約約14%14%，前者在加溫到，前者在加溫到760760時，時，值約為值約為65%65%， 850850時約時約90%90%，即使加溫到，即使加溫到900900也只達(dá)也只達(dá)110%110%左右。左右。 然而處于超塑性條件下的然而處于超塑性條件下的Ti-6Al-4VTi-6Al-4V，值可高達(dá)值可高達(dá) 500%500%以上，甚至以上，甚至1000%1000%以上。以上。 4 超塑性是一種奇特的現(xiàn)象。具有超塑超塑性是一種奇特的現(xiàn)象。具有超塑 性的合金能像飴糖一樣伸長性的合金能像飴糖一樣伸長1010倍、倍、2020倍甚倍甚 至上百倍，既不出現(xiàn)縮頸，也不會斷

5、裂。至上百倍，既不出現(xiàn)縮頸，也不會斷裂。 金屬的超塑性現(xiàn)象，是英國物理學(xué)家森金金屬的超塑性現(xiàn)象，是英國物理學(xué)家森金 斯在斯在19821982年發(fā)現(xiàn)的，他給這種現(xiàn)象做如下年發(fā)現(xiàn)的，他給這種現(xiàn)象做如下 定義：定義：凡金屬在適當(dāng)?shù)臏囟认拢ù蠹s相當(dāng)凡金屬在適當(dāng)?shù)臏囟认拢ù蠹s相當(dāng) 于金屬熔點(diǎn)溫度的一半）變得像軟糖一樣于金屬熔點(diǎn)溫度的一半）變得像軟糖一樣 柔軟，而應(yīng)變速度柔軟，而應(yīng)變速度1010毫米毫米/ /秒時產(chǎn)生本身長秒時產(chǎn)生本身長 度三倍以上的延伸率，均屬于超塑性。度三倍以上的延伸率，均屬于超塑性。 5 超塑性與傳統(tǒng)成形方法相比，具有如下特征：超塑性與傳統(tǒng)成形方法相比，具有如下特征： (1) (1)

6、 大變形大變形 超塑性材料在單向拉伸時超塑性材料在單向拉伸時值極高，表明超塑性材料在變形值極高，表明超塑性材料在變形 穩(wěn)定狀態(tài)方面要比普通材料好得多。穩(wěn)定狀態(tài)方面要比普通材料好得多。 (2) (2) 無縮頸無縮頸 超塑性材料表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗頸縮能力，無明顯的局部縮頸。超塑性材料表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗頸縮能力，無明顯的局部縮頸。 (3) (3) 小應(yīng)力小應(yīng)力 超塑性材料在變形過程中，變形應(yīng)力可以很小，具有粘性或超塑性材料在變形過程中，變形應(yīng)力可以很小，具有粘性或 半粘性流動的特征。通常用流動應(yīng)力表示變形應(yīng)力的大小。在一半粘性流動的特征。通常用流動應(yīng)力表示變形應(yīng)力的大小。在一 定的速度下，流動應(yīng)力定的速度下

7、，流動應(yīng)力要比一般金屬的變形應(yīng)力小到幾分之一要比一般金屬的變形應(yīng)力小到幾分之一 以至幾十分之一。以至幾十分之一。 (4) (4) 易成形易成形 由于超塑性材料具有上述特點(diǎn)，在變形過程中基本沒有應(yīng)變由于超塑性材料具有上述特點(diǎn)，在變形過程中基本沒有應(yīng)變 硬化，因此壓力加工流動性與填充性極好，所需設(shè)備能量低。硬化，因此壓力加工流動性與填充性極好，所需設(shè)備能量低。 6 超塑加工具有很大的實(shí)用價(jià)值，只要很小超塑加工具有很大的實(shí)用價(jià)值，只要很小 的壓力就能獲得形狀非常復(fù)雜的制作。試想一的壓力就能獲得形狀非常復(fù)雜的制作。試想一 下，金屬變成了飴糖狀，從而具有了可吹塑和下，金屬變成了飴糖狀，從而具有了可吹塑和

8、 可擠壓的柔軟性能，因此過去只能用于玻璃和可擠壓的柔軟性能，因此過去只能用于玻璃和 塑料的真空成型、吹塑成型等工藝被沿用過來，塑料的真空成型、吹塑成型等工藝被沿用過來， 用以對付難變形的合金。而這時所需的壓力很用以對付難變形的合金。而這時所需的壓力很 小，只相當(dāng)于正常壓力加工時的幾分之一到幾小，只相當(dāng)于正常壓力加工時的幾分之一到幾 十分之一，從而節(jié)省了能源和設(shè)備。十分之一，從而節(jié)省了能源和設(shè)備。 7 使用超塑性加工制造零件的另一優(yōu)點(diǎn)是使用超塑性加工制造零件的另一優(yōu)點(diǎn)是可可 以一次成型，省掉了機(jī)械加工、鉚焊等工序以一次成型，省掉了機(jī)械加工、鉚焊等工序， 達(dá)到節(jié)約原材料和降低成本的目的。在模壓超達(dá)

9、到節(jié)約原材料和降低成本的目的。在模壓超 塑性合金薄板時，只需要具備一種陰?；蜿柲Ｋ苄院辖鸨“鍟r，只需要具備一種陰模或陽模 即可，節(jié)省一半模具費(fèi)用。超塑性加工的缺點(diǎn)即可，節(jié)省一半模具費(fèi)用。超塑性加工的缺點(diǎn) 是加工時間較長，由普通熱模鍛的幾秒增至幾是加工時間較長，由普通熱模鍛的幾秒增至幾 分鐘。分鐘。 8 將超塑性成形應(yīng)用于鈦合金構(gòu)件成形具有如將超塑性成形應(yīng)用于鈦合金構(gòu)件成形具有如 下主要優(yōu)點(diǎn)：下主要優(yōu)點(diǎn)： 在一道成形工序內(nèi)可用低塑性鈦合金制成復(fù)雜形狀的構(gòu)在一道成形工序內(nèi)可用低塑性鈦合金制成復(fù)雜形狀的構(gòu) 件，而且總件，而且總變形量變形量或局部變形量很大；或局部變形量很大； 由于合金由于合金變形阻力

10、變形阻力大大減小，成形過程的動力參數(shù)值大大減小，成形過程的動力參數(shù)值 （應(yīng)力、壓力）也減小，因此可以廣泛采用非壓床模壓成（應(yīng)力、壓力）也減小，因此可以廣泛采用非壓床模壓成 形；形； 由于能很好地貼模成形，而且由于能很好地貼模成形，而且沒有回彈沒有回彈，因此，成形，因此，成形 的構(gòu)件精度很高；的構(gòu)件精度很高； 工藝過程相對簡單工藝過程相對簡單而且機(jī)動靈活，可以保證生產(chǎn)準(zhǔn)而且機(jī)動靈活，可以保證生產(chǎn)準(zhǔn) 備周期短、耗費(fèi)少，并可對生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行改革備周期短、耗費(fèi)少，并可對生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行改革. 9 8.1.2 超塑性分類與機(jī)理超塑性分類與機(jī)理 1. 超塑性的分類超塑性的分類 延伸率超過延伸

11、率超過100%作為衡量材料有無超塑性的標(biāo)準(zhǔn)。作為衡量材料有無超塑性的標(biāo)準(zhǔn)。 流變方程流變方程 應(yīng)變速度敏感指數(shù)應(yīng)變速度敏感指數(shù)m值作判據(jù)；若值作判據(jù)；若m0.3時，即認(rèn)為有時，即認(rèn)為有 超塑性。實(shí)驗(yàn)證明，超塑性。實(shí)驗(yàn)證明，m值越大，材料超塑性性能越好。值越大，材料超塑性性能越好。 因此，金屬材料超塑性是在因此，金屬材料超塑性是在特定條件下（高溫、細(xì)晶粒特定條件下（高溫、細(xì)晶粒 和低應(yīng)變速率）和低應(yīng)變速率），材料出現(xiàn)異常的延伸率的總稱。，材料出現(xiàn)異常的延伸率的總稱。 m K 10 金屬材料的超塑性大體可以分為三類：金屬材料的超塑性大體可以分為三類： (1) 組織超塑性組織超塑性 材料具有超塑性的

12、必要條件是材料具有超塑性的必要條件是具有均勻等軸具有均勻等軸 的微晶組織，較低的應(yīng)變速率和高于金屬熔點(diǎn)溫的微晶組織，較低的應(yīng)變速率和高于金屬熔點(diǎn)溫 度的百分之五十，并保持恒溫狀態(tài)度的百分之五十，并保持恒溫狀態(tài)。因此又稱微。因此又稱微 晶超塑性，或稱組織超塑性。這類鈦合金最典型晶超塑性，或稱組織超塑性。這類鈦合金最典型 的是的是Ti-6Al-4V，對它的研究最廣泛。，對它的研究最廣泛。 11 (2) 相變超塑性相變超塑性 它是在一個變動頻繁的溫度環(huán)境下，經(jīng)相變它是在一個變動頻繁的溫度環(huán)境下，經(jīng)相變 或同素異晶轉(zhuǎn)變，和組織超塑性一樣，在低應(yīng)力或同素異晶轉(zhuǎn)變，和組織超塑性一樣，在低應(yīng)力 作用下，同樣

13、獲得無縮頸的高延伸率稱為相變超作用下，同樣獲得無縮頸的高延伸率稱為相變超 塑性。塑性。由于溫度的反復(fù)變化，引起組織結(jié)構(gòu)的變由于溫度的反復(fù)變化，引起組織結(jié)構(gòu)的變 化，故又稱動態(tài)超塑性化，故又稱動態(tài)超塑性。而前一種沒有相的轉(zhuǎn)變。而前一種沒有相的轉(zhuǎn)變 故又稱故又稱靜態(tài)超塑性靜態(tài)超塑性。 材料產(chǎn)生材料產(chǎn)生相變相變或或同素異晶轉(zhuǎn)變同素異晶轉(zhuǎn)變是必要條件。是必要條件。 而鈦與鐵相似，在而鈦與鐵相似，在882發(fā)生相的轉(zhuǎn)變，低于此溫發(fā)生相的轉(zhuǎn)變，低于此溫 度時是度時是鈦，密排六方晶格是穩(wěn)定的；高于此溫度鈦，密排六方晶格是穩(wěn)定的；高于此溫度 是是鈦，體心立方晶格也是穩(wěn)定的。這類超塑性研鈦，體心立方晶格也是穩(wěn)定的

14、。這類超塑性研 究較少，有待深入。究較少，有待深入。 12 (3) 短暫超塑性短暫超塑性 近期研究發(fā)現(xiàn)，普通非超塑性材料在一定條近期研究發(fā)現(xiàn)，普通非超塑性材料在一定條 件下，進(jìn)行快速變形在短時間內(nèi)會呈現(xiàn)出超塑性件下，進(jìn)行快速變形在短時間內(nèi)會呈現(xiàn)出超塑性 性質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為短暫超塑性。這種材料必須性質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為短暫超塑性。這種材料必須 具備雙相組織，并利用在雙相區(qū)的溫度下母相晶具備雙相組織，并利用在雙相區(qū)的溫度下母相晶 粒長大困難，有利于塑性的發(fā)揮。這類超塑性也粒長大困難，有利于塑性的發(fā)揮。這類超塑性也 有待于進(jìn)一步研究。有待于進(jìn)一步研究。 13 2. 超塑性材料的獲得超塑性材料的獲得 金屬

15、超塑性的獲得除了特定的外界條件外，本身組織金屬超塑性的獲得除了特定的外界條件外，本身組織 狀態(tài)是關(guān)鍵。狀態(tài)是關(guān)鍵。 為了在塑性變形過程中，使金屬的微晶組織穩(wěn)定，并為了在塑性變形過程中，使金屬的微晶組織穩(wěn)定，并 盡可能使晶粒長大緩慢，就要求原始組織的晶粒越小越好，盡可能使晶粒長大緩慢，就要求原始組織的晶粒越小越好， 或有雙相的組織抑制其晶粒長大。要達(dá)到這一目的，可用或有雙相的組織抑制其晶粒長大。要達(dá)到這一目的，可用 以下辦法：以下辦法： （1）通過）通過對共析合金材料對共析合金材料(兩相組織兩相組織)的多次淬火和回火熱的多次淬火和回火熱 處理，獲得微晶組織處理，獲得微晶組織； （2）通過）通過對

16、共晶合金適當(dāng)?shù)臒崽幚?，獲得較細(xì)的晶粒對共晶合金適當(dāng)?shù)臒崽幚?，獲得較細(xì)的晶粒。 但這種共晶合金必須有高的第二相體積百分比，才能有高但這種共晶合金必須有高的第二相體積百分比，才能有高 的熱穩(wěn)定，即高溫下，晶粒不易長大，并有高的延伸率；的熱穩(wěn)定，即高溫下，晶粒不易長大，并有高的延伸率； 14 （3）添加元素細(xì)化晶粒。添加元素細(xì)化晶粒。不同的金屬或合金，加入不同的金屬或合金，加入 元素的種類和數(shù)量也不同。如在鈦中加入微量的元素的種類和數(shù)量也不同。如在鈦中加入微量的 Zr、Al，Mo和和Ta等，形成金屬間化合物，使晶粒等，形成金屬間化合物，使晶粒 細(xì)化，抑制晶粒長大。若加入細(xì)化，抑制晶粒長大。若加入Al

17、和和Ga，又能使再，又能使再 結(jié)晶溫度提高，并可提高組織的熱穩(wěn)定性；結(jié)晶溫度提高，并可提高組織的熱穩(wěn)定性； （4）連續(xù)熱加工變形細(xì)化晶粒。連續(xù)熱加工變形細(xì)化晶粒。對雙相合金，可以對雙相合金，可以 通過在再結(jié)晶溫度下，進(jìn)行大變形熱加工使其獲通過在再結(jié)晶溫度下，進(jìn)行大變形熱加工使其獲 得等軸的超細(xì)晶粒；得等軸的超細(xì)晶粒； （5）微細(xì)粉末燒結(jié)法。微細(xì)粉末燒結(jié)法。用微細(xì)粉末直接加熱燒結(jié)，用微細(xì)粉末直接加熱燒結(jié)， 可以獲得微細(xì)組織，而且避免鑄態(tài)的偏析。可以獲得微細(xì)組織，而且避免鑄態(tài)的偏析。 15 2. 超塑性機(jī)理超塑性機(jī)理 目前超塑性機(jī)理尚未一套完整的理論，主要有如下幾種論目前超塑性機(jī)理尚未一套完整的理

18、論，主要有如下幾種論 點(diǎn)：點(diǎn)： (1) (1) 空位遷移空位遷移擴(kuò)散蠕變理論擴(kuò)散蠕變理論 由于變形是在高溫低速下進(jìn)行的，不少人試圖用擴(kuò)散蠕變由于變形是在高溫低速下進(jìn)行的，不少人試圖用擴(kuò)散蠕變 解釋超塑性機(jī)理，認(rèn)為超塑性變形是一種在應(yīng)力場作用下原子解釋超塑性機(jī)理，認(rèn)為超塑性變形是一種在應(yīng)力場作用下原子 的擴(kuò)散或遷移的過程?？昭ㄓ筛呶荒芴幭虻臀荒芴幰苿樱臄U(kuò)散或遷移的過程?？昭ㄓ筛呶荒芴幭虻臀荒芴幰苿樱?起質(zhì)量的遷移，得到均勻化變形。起質(zhì)量的遷移，得到均勻化變形。 (2) (2) 晶界滑移理論晶界滑移理論 因?yàn)樵诔苄宰冃沃?，晶粒形狀及晶粒尺寸都沒有顯著的因?yàn)樵诔苄宰冃沃?，晶粒形狀及晶?/p>

19、尺寸都沒有顯著的 變化，因此有人認(rèn)為變形是由于晶粒界面的滑移作用。在這種變化，因此有人認(rèn)為變形是由于晶粒界面的滑移作用。在這種 情況下，晶界就好象是晶體間的流動層一樣參與變形，而晶粒情況下，晶界就好象是晶體間的流動層一樣參與變形，而晶粒 發(fā)生移動和轉(zhuǎn)動。晶粒越小，越接近于完全無序的或非晶體的發(fā)生移動和轉(zhuǎn)動。晶粒越小，越接近于完全無序的或非晶體的 流動狀態(tài)。流動狀態(tài)。 16 有人對超塑性材料（晶粒度在有人對超塑性材料（晶粒度在2.9以上的）用以上的）用 Al2O3拋光粉在某些方向劃成細(xì)紋，在超塑性變形過拋光粉在某些方向劃成細(xì)紋，在超塑性變形過 程中，各晶粒內(nèi)刻痕發(fā)生相對位移，并伴隨著晶粒程中，各

20、晶粒內(nèi)刻痕發(fā)生相對位移，并伴隨著晶粒 的轉(zhuǎn)動，同時發(fā)現(xiàn)晶內(nèi)劃線并未彎曲，仍保持著直的轉(zhuǎn)動，同時發(fā)現(xiàn)晶內(nèi)劃線并未彎曲，仍保持著直 線狀態(tài)（圖），表明有晶界滑移、晶粒轉(zhuǎn)動和晶界線狀態(tài)（圖），表明有晶界滑移、晶粒轉(zhuǎn)動和晶界 遷移等現(xiàn)象。遷移等現(xiàn)象。 17 (3) (3) 位錯運(yùn)動理論位錯運(yùn)動理論 超塑性流動實(shí)際上與層流是有區(qū)別的，滑移并不超塑性流動實(shí)際上與層流是有區(qū)別的，滑移并不 能在不伴有一些晶內(nèi)變形的情況下連續(xù)產(chǎn)生于所有晶能在不伴有一些晶內(nèi)變形的情況下連續(xù)產(chǎn)生于所有晶 界。因此有人認(rèn)為沿晶粒之間發(fā)生的晶界滑移，在受界。因此有人認(rèn)為沿晶粒之間發(fā)生的晶界滑移，在受 到晶界上的突出物阻礙時，繼續(xù)進(jìn)行下

21、去就會產(chǎn)生局到晶界上的突出物阻礙時，繼續(xù)進(jìn)行下去就會產(chǎn)生局 部區(qū)域的應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過一定值時就會產(chǎn)生位部區(qū)域的應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過一定值時就會產(chǎn)生位 錯運(yùn)動而使應(yīng)力松弛，使晶粒繼續(xù)滑移。位錯越過晶錯運(yùn)動而使應(yīng)力松弛，使晶粒繼續(xù)滑移。位錯越過晶 粒而塞積于晶界又阻止其再產(chǎn)生，晶界滑移即行停止。粒而塞積于晶界又阻止其再產(chǎn)生，晶界滑移即行停止。 塞積前端的位錯能在晶內(nèi)滑移或沿晶界作攀移運(yùn)動，塞積前端的位錯能在晶內(nèi)滑移或沿晶界作攀移運(yùn)動， 至消失為止。然后再產(chǎn)生新的位錯，使晶界滑移繼續(xù)至消失為止。然后再產(chǎn)生新的位錯，使晶界滑移繼續(xù) 進(jìn)行。這種位錯的產(chǎn)生、滑移、攀移與消失，構(gòu)成了進(jìn)行。這種位錯的產(chǎn)生

22、、滑移、攀移與消失，構(gòu)成了 超塑性變形。超塑性變形。 18 上述理論與假說，只能在一定條件下上述理論與假說，只能在一定條件下 及在一定程度上解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一個方及在一定程度上解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一個方 面，都不能作出全面的滿意的解釋。比面，都不能作出全面的滿意的解釋。比 較一致的看法是超塑性變形過程不是單較一致的看法是超塑性變形過程不是單 一的機(jī)理起作用，而是以晶界滑移為主一的機(jī)理起作用，而是以晶界滑移為主 的三種機(jī)理綜合作用的結(jié)果。的三種機(jī)理綜合作用的結(jié)果。 19 8.1.3 鈦板超塑性成形方法鈦板超塑性成形方法 以Ti-6Al-4V板材為例闡述其超塑性成形方法。 1. 一般成形規(guī)范 成形溫度 8

23、50950 應(yīng)變速度 10-410-1/s 成形壓力 10kg/cm2 晶粒度 具有細(xì)晶的雙相穩(wěn)定組織 20 2. 成形方法成形方法 鈦合金的超塑性成形方法大致可分為下列三種：鈦合金的超塑性成形方法大致可分為下列三種： (1)真空成形；真空成形； (2)氣壓成形；氣壓成形； (3)模壓成形（偶合模成形）。模壓成形（偶合模成形）。 前兩種方法是塑料或玻璃制品成形常用的前兩種方法是塑料或玻璃制品成形常用的 方法。鈦合金的超塑性成形因?qū)儆谡承曰虬胝撤椒āｂ伜辖鸬某苄猿尚我驅(qū)儆谡承曰虬胝?性流動變形，所以可以利用低壓成形。氣壓成性流動變形，所以可以利用低壓成形。氣壓成 形還可同真空成形結(jié)合起來應(yīng)用。

24、形還可同真空成形結(jié)合起來應(yīng)用。 21 （1）氣壓成形吹塑成形）氣壓成形吹塑成形 航空航天工業(yè)中使用很廣的鈦球體，直徑從航空航天工業(yè)中使用很廣的鈦球體，直徑從2001000mm， 厚度厚度25mm。利用吹塑成形，直接用兩塊鈦圓板毛坯，焊接后。利用吹塑成形，直接用兩塊鈦圓板毛坯，焊接后 吹塑成球形或用管子毛坯吹塑成球體再封口（圖）。這兩種方法吹塑成球形或用管子毛坯吹塑成球體再封口（圖）。這兩種方法 與常規(guī)沖壓加工比較，可使成本降低到與常規(guī)沖壓加工比較，可使成本降低到20，并簡化了工藝過程。，并簡化了工藝過程。 22 直升機(jī)上的撐竿，要求重量輕、強(qiáng)度高、剛性好，由于外形特直升機(jī)上的撐竿，要求重量輕、

25、強(qiáng)度高、剛性好，由于外形特 殊，一般工藝方法無法加工。采用管子吹塑成形，只要一副簡單殊，一般工藝方法無法加工。采用管子吹塑成形，只要一副簡單 的成形夾具即可。的成形夾具即可。 23 氣壓成形是一種特殊的脹形工藝。氣壓成形是一種特殊的脹形工藝。 傳統(tǒng)的脹形工藝是用機(jī)械、液壓脹形或用爆炸脹形的方法實(shí)傳統(tǒng)的脹形工藝是用機(jī)械、液壓脹形或用爆炸脹形的方法實(shí) 現(xiàn)的，使用的壓力與能量都比較高，并且由于材料塑性的限制，現(xiàn)的，使用的壓力與能量都比較高，并且由于材料塑性的限制， 變形量一般都不太大。吹塑成形則是一種用低能、低壓可以獲得變形量一般都不太大。吹塑成形則是一種用低能、低壓可以獲得 大變形量的成形，是一種

26、與傳統(tǒng)工藝概念不同的成形技術(shù)。由于大變形量的成形，是一種與傳統(tǒng)工藝概念不同的成形技術(shù)。由于 金屬在變形過程中是自由的，因此，幾乎全部動力都消耗在變形金屬在變形過程中是自由的，因此，幾乎全部動力都消耗在變形 功上，摩擦損失很?。▽τ谧杂纱邓艹尚蝸碚f，則沒有摩擦損功上，摩擦損失很小（對于自由吹塑成形來說，則沒有摩擦損 失），這與其它沖壓成形有著本質(zhì)的區(qū)別。失），這與其它沖壓成形有著本質(zhì)的區(qū)別。 吹塑成形可分為吹塑成形可分為自由吹塑成形自由吹塑成形和和模具吹塑成形模具吹塑成形兩類。模具吹兩類。模具吹 塑成形的特點(diǎn)為半模成形，與真空成形類似之處，也分為塑成形的特點(diǎn)為半模成形，與真空成形類似之處，也分為

27、凸模成凸模成 形形和和凹模成形凹模成形兩種；其不同之處是成形壓力大于一個大氣壓，還兩種；其不同之處是成形壓力大于一個大氣壓，還 可通過氣源系統(tǒng)對壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而可以制造形狀復(fù)雜、曲率可通過氣源系統(tǒng)對壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而可以制造形狀復(fù)雜、曲率 變化大的零件。變化大的零件。 24 凸模成形法（圖）是使鈦板毛料的外側(cè)，形成一封閉的壓力凸模成形法（圖）是使鈦板毛料的外側(cè)，形成一封閉的壓力 空間，鈦板加熱到超塑性溫度后，在壓縮氣體的氣壓作用下，毛空間，鈦板加熱到超塑性溫度后，在壓縮氣體的氣壓作用下，毛 料產(chǎn)生超塑性變形，逐漸向模具型面靠近，直至同模具完全貼合，料產(chǎn)生超塑性變形，逐漸向模具型面靠近，直至同

28、模具完全貼合， 形成與模具型面相同的零件。成形零件的內(nèi)表面尺寸精度高，形形成與模具型面相同的零件。成形零件的內(nèi)表面尺寸精度高，形 狀準(zhǔn)確，深度與寬度之比較大，模具加工也較易，但脫模較困難，狀準(zhǔn)確，深度與寬度之比較大，模具加工也較易，但脫模較困難， 原材料也較費(fèi)。用該法成形的零件底部較四周為厚。原材料也較費(fèi)。用該法成形的零件底部較四周為厚。 25 凹模成形法（圖）與凸模成形法不同的是，在成形凹模成形法（圖）與凸模成形法不同的是，在成形 過程中使鈦板毛料內(nèi)側(cè)形成一封閉的壓力空間。成形零過程中使鈦板毛料內(nèi)側(cè)形成一封閉的壓力空間。成形零 件外表面尺寸精度高，形狀準(zhǔn)確，零件脫模較易，原材件外表面尺寸精度

29、高，形狀準(zhǔn)確，零件脫模較易，原材 料較省，但深度與寬度比較小，模具加工也較困難。用料較省，但深度與寬度比較小，模具加工也較困難。用 該法成形的零件底部較四周為薄。該法成形的零件底部較四周為薄。 26 (2) 真空成形法真空成形法 真空成形法又可分為兩種：凸模法與凹模法（圖）。真空成形法又可分為兩種：凸模法與凹模法（圖）。 27 凸模法是把經(jīng)過加熱后的毛料，吸附在具有零件內(nèi)凸模法是把經(jīng)過加熱后的毛料，吸附在具有零件內(nèi) 形的凸模上的成形方法，用來成形要求內(nèi)側(cè)尺寸精度高形的凸模上的成形方法，用來成形要求內(nèi)側(cè)尺寸精度高 的零件。的零件。凹模法則是把加熱過的毛料，吸附在具有零件凹模法則是把加熱過的毛料，

30、吸附在具有零件 外形的凹模上的成形方法，用于要求外形尺寸精度高的外形的凹模上的成形方法，用于要求外形尺寸精度高的 零件成形。零件成形。一般說來，前者用于較深容器的成形，一般說來，前者用于較深容器的成形，后者后者 用于較淺容器的成形。用于較淺容器的成形。 真空成形也是一種氣壓成形，只是成形壓力只能是真空成形也是一種氣壓成形，只是成形壓力只能是 一個大氣壓，故對鈦板來說，只能成形厚度薄、形狀簡一個大氣壓，故對鈦板來說，只能成形厚度薄、形狀簡 單、曲率變化較緩的零件，不適于成形厚度較厚、形狀單、曲率變化較緩的零件，不適于成形厚度較厚、形狀 較復(fù)雜和變形較劇的零件。較復(fù)雜和變形較劇的零件。 與常規(guī)鈦板

31、真空加熱成形的一大區(qū)別是，與常規(guī)鈦板真空加熱成形的一大區(qū)別是， Ti-6Al-Ti-6Al- 4V4V真空超塑性成形溫度在真空超塑性成形溫度在900900左右，比普通真空熱成左右，比普通真空熱成 形（形（700700左右）約高左右）約高200200，變形程度亦可比熱成形的，變形程度亦可比熱成形的 高得多。高得多。 28 (3) (3) 模壓成形法模壓成形法 采用偶合模。與普通壓型不同的是溫度高，采用偶合模。與普通壓型不同的是溫度高， 模壓速度慢得多。模壓速度慢得多。 由于能耐鈦板超塑性溫度的金屬偶合模具制由于能耐鈦板超塑性溫度的金屬偶合模具制 造困難，配合精度難以保證（特別對復(fù)雜形狀的造困難，

32、配合精度難以保證（特別對復(fù)雜形狀的 模具），故鈦板超塑性成形不常用此法。模具），故鈦板超塑性成形不常用此法。 29 3. 成形過程中的計(jì)算機(jī)應(yīng)用成形過程中的計(jì)算機(jī)應(yīng)用 (1) 應(yīng)變速率的計(jì)算機(jī)控制應(yīng)變速率的計(jì)算機(jī)控制 超塑性成形的應(yīng)變速率直接影響成形效果，對于超塑性成形的應(yīng)變速率直接影響成形效果，對于 特定的材料與成形過程，應(yīng)該通過試驗(yàn)確定最佳的應(yīng)特定的材料與成形過程，應(yīng)該通過試驗(yàn)確定最佳的應(yīng) 變速率，為生產(chǎn)應(yīng)用提供依據(jù)。變速率，為生產(chǎn)應(yīng)用提供依據(jù)。應(yīng)變速率循環(huán)試驗(yàn)應(yīng)變速率循環(huán)試驗(yàn)是是 依據(jù)應(yīng)變速率循環(huán)誘發(fā)超塑性的原理而采用的一種新依據(jù)應(yīng)變速率循環(huán)誘發(fā)超塑性的原理而采用的一種新 的超塑性試驗(yàn)方

33、法。在變形過程中材料的變形速度按的超塑性試驗(yàn)方法。在變形過程中材料的變形速度按 一定的規(guī)律循環(huán)變化，一定的規(guī)律循環(huán)變化，通過高速變形誘發(fā)動態(tài)再結(jié)晶通過高速變形誘發(fā)動態(tài)再結(jié)晶 和低速變形促使晶界流動和低速變形促使晶界流動，以及大部分變形在超塑性，以及大部分變形在超塑性 的應(yīng)變速率范圍內(nèi)完成以提高材料的超塑性能。的應(yīng)變速率范圍內(nèi)完成以提高材料的超塑性能。 30 在流變方程在流變方程 中，中， 為應(yīng)變速率，為應(yīng)變速率，m為應(yīng)為應(yīng) 變速率敏感性指數(shù)。變速率敏感性指數(shù)。m是材料超塑性能的重要特征參是材料超塑性能的重要特征參 數(shù)，它反映了材料在拉伸變形過程中的抗縮頸能力，數(shù)，它反映了材料在拉伸變形過程中的

34、抗縮頸能力， 通常其值越大則超塑性越好通常其值越大則超塑性越好。而值又與一定的應(yīng)變速。而值又與一定的應(yīng)變速 率相對應(yīng)，與最大值相對應(yīng)的有一個最佳的應(yīng)變速率。率相對應(yīng)，與最大值相對應(yīng)的有一個最佳的應(yīng)變速率。 這個應(yīng)變速率往往是人們所追求的一個最佳工藝參數(shù)。這個應(yīng)變速率往往是人們所追求的一個最佳工藝參數(shù)。 但最大值及其對應(yīng)的最佳應(yīng)變速率在變形過程中不是但最大值及其對應(yīng)的最佳應(yīng)變速率在變形過程中不是 一成不變的，它們會隨著顯微組織的變化而發(fā)生飄移，一成不變的，它們會隨著顯微組織的變化而發(fā)生飄移， 這就為超塑成形過程中試圖始終保持材料良好超塑性這就為超塑成形過程中試圖始終保持材料良好超塑性 狀態(tài)帶來很

35、大的困難。狀態(tài)帶來很大的困難。 m K 31 用計(jì)算機(jī)進(jìn)行超塑性優(yōu)化控制的設(shè)計(jì)思路如下：用計(jì)算機(jī)進(jìn)行超塑性優(yōu)化控制的設(shè)計(jì)思路如下： 采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，將追求最大采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，將追求最大m值作為優(yōu)化控制的目值作為優(yōu)化控制的目 標(biāo)函數(shù)。在超塑性變形過程中，使應(yīng)變速率循環(huán)變化，動態(tài)測標(biāo)函數(shù)。在超塑性變形過程中，使應(yīng)變速率循環(huán)變化，動態(tài)測 試值。根據(jù)其值變化趨勢和按照最大值的原則，自動調(diào)整應(yīng)變試值。根據(jù)其值變化趨勢和按照最大值的原則，自動調(diào)整應(yīng)變 速率的循環(huán)變化方向和大小，使得應(yīng)變速率始終在具有最佳超速率的循環(huán)變化方向和大小，使得應(yīng)變速率始終在具有最佳超 塑性狀態(tài)的應(yīng)變速率附近循環(huán)變化，就有可

36、能獲得最佳的超塑塑性狀態(tài)的應(yīng)變速率附近循環(huán)變化，就有可能獲得最佳的超塑 性。有文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明未經(jīng)細(xì)化處理的性。有文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明未經(jīng)細(xì)化處理的Ti-15-3鈦合金在應(yīng)變鈦合金在應(yīng)變 速率循環(huán)的變形方式下具有比常規(guī)超塑性實(shí)驗(yàn)更顯著的超塑性，速率循環(huán)的變形方式下具有比常規(guī)超塑性實(shí)驗(yàn)更顯著的超塑性， 平均延伸率從平均延伸率從421%上升至上升至449%。而通過計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制可以。而通過計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制可以 進(jìn)一步挖掘材料的變形潛力，獲得更為優(yōu)良的超塑性，平均延進(jìn)一步挖掘材料的變形潛力，獲得更為優(yōu)良的超塑性，平均延 伸率上升到伸率上升到523%，最大延伸率為，最大延伸率為600%。 32 (2) 成形

37、過程的數(shù)值模擬成形過程的數(shù)值模擬 采用數(shù)值模擬方法是提高鈑金零件成形質(zhì)量的重要采用數(shù)值模擬方法是提高鈑金零件成形質(zhì)量的重要 措施。通過模擬結(jié)果可以預(yù)測成形過程中可能遇到的措施。通過模擬結(jié)果可以預(yù)測成形過程中可能遇到的 缺陷、成形極限和成形件壁厚的分布情況，并可以獲缺陷、成形極限和成形件壁厚的分布情況，并可以獲 得最優(yōu)的加載曲線。通過數(shù)值模擬還可以優(yōu)化模具結(jié)得最優(yōu)的加載曲線。通過數(shù)值模擬還可以優(yōu)化模具結(jié) 構(gòu)，設(shè)計(jì)合理的預(yù)制坯形狀。構(gòu)，設(shè)計(jì)合理的預(yù)制坯形狀。 對超塑性成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬一般要利用超塑本對超塑性成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬一般要利用超塑本 構(gòu)方程、平衡方程，用有限元法進(jìn)行模擬。通過對模構(gòu)方

38、程、平衡方程，用有限元法進(jìn)行模擬。通過對模 擬結(jié)果進(jìn)行分析，對生產(chǎn)實(shí)踐指出指導(dǎo)性意見。擬結(jié)果進(jìn)行分析，對生產(chǎn)實(shí)踐指出指導(dǎo)性意見。 33 8.2 8.2 鈦合金結(jié)構(gòu)鈦合金結(jié)構(gòu) 的擴(kuò)散連接的擴(kuò)散連接 34 擴(kuò)散連接是在加壓與加熱狀態(tài)下利用被連接表面微塑變形、擴(kuò)散連接是在加壓與加熱狀態(tài)下利用被連接表面微塑變形、 原子通過界面相互擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)不可拆卸式固態(tài)連接的方法。原子通過界面相互擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)不可拆卸式固態(tài)連接的方法。 同其它連接方法相比，擴(kuò)散連接具有一系列優(yōu)點(diǎn)：同其它連接方法相比，擴(kuò)散連接具有一系列優(yōu)點(diǎn)： 擴(kuò)散連接接頭的力學(xué)性能與冶金性能同基體金屬相當(dāng)；擴(kuò)散連接接頭的力學(xué)性能與冶金性能同基體金

39、屬相當(dāng)； 擴(kuò)散連接接頭在強(qiáng)度、塑性、密度、抗腐蝕與耐熱性能方面擴(kuò)散連接接頭在強(qiáng)度、塑性、密度、抗腐蝕與耐熱性能方面 均能滿足關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)的要求；均能滿足關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)的要求； 零件無翹曲，連接部位沒有殘余應(yīng)力零件無翹曲，連接部位沒有殘余應(yīng)力； 無需纖料、焊劑、焊條或焊絲等貴重的輔助材料；無需纖料、焊劑、焊條或焊絲等貴重的輔助材料； 對接頭不必采用后續(xù)熱處理（因連接與熱處理同時進(jìn)行）；對接頭不必采用后續(xù)熱處理（因連接與熱處理同時進(jìn)行）； 零件的金屬利用率高，機(jī)加量小；零件的金屬利用率高，機(jī)加量?。?產(chǎn)品的可靠性以及使用壽命均有提高；產(chǎn)品的可靠性以及使用壽命均有提高； 可以制造形狀復(fù)雜的嶄新產(chǎn)品，如

40、槽形結(jié)構(gòu)、波形及網(wǎng)格形可以制造形狀復(fù)雜的嶄新產(chǎn)品，如槽形結(jié)構(gòu)、波形及網(wǎng)格形 夾層壁板，以及由各個短型材對接而成的變截面長型材毛坯。夾層壁板，以及由各個短型材對接而成的變截面長型材毛坯。 擴(kuò)散連接的主要缺點(diǎn)是連接質(zhì)量的檢測比較困難擴(kuò)散連接的主要缺點(diǎn)是連接質(zhì)量的檢測比較困難！ 35 8.2.1 擴(kuò)散的物理基礎(chǔ)擴(kuò)散的物理基礎(chǔ) 1. 擴(kuò)散過程擴(kuò)散過程 固體是由分子和原子組成，而原子在一定條件下固體是由分子和原子組成，而原子在一定條件下 會遷移位置，原子的位置遷移或躍遷就產(chǎn)生了原子的會遷移位置，原子的位置遷移或躍遷就產(chǎn)生了原子的 擴(kuò)散。擴(kuò)散。 晶粒內(nèi)的原子在不停地振動，而它們在晶格中卻晶粒內(nèi)的原子在不停

41、地振動，而它們在晶格中卻 處于相對平衡狀態(tài)。在室溫下，這種振動的振幅約為處于相對平衡狀態(tài)。在室溫下，這種振動的振幅約為 原子間距的原子間距的3%。當(dāng)溫度升高，原子振動的振幅增加，。當(dāng)溫度升高，原子振動的振幅增加， 同時使原子的能量增加，從而導(dǎo)致原子在晶粒內(nèi)遷移。同時使原子的能量增加，從而導(dǎo)致原子在晶粒內(nèi)遷移。 如果遷移的距離超過原子間的平均距離，就稱為原子如果遷移的距離超過原子間的平均距離，就稱為原子 的擴(kuò)散。它隨著溫度升高而加快，因此，原子擴(kuò)散本的擴(kuò)散。它隨著溫度升高而加快，因此，原子擴(kuò)散本 身是一種物質(zhì)的輸送過程。這個過程也稱擴(kuò)散過程，身是一種物質(zhì)的輸送過程。這個過程也稱擴(kuò)散過程， 是金屬

42、物理研究的重要內(nèi)容之一。是金屬物理研究的重要內(nèi)容之一。 36 2. 擴(kuò)散機(jī)理擴(kuò)散機(jī)理 (1) 間隙機(jī)理間隙機(jī)理 這種模型是由于擴(kuò)散原子在點(diǎn)陣的間隙位置之間的躍遷而導(dǎo)這種模型是由于擴(kuò)散原子在點(diǎn)陣的間隙位置之間的躍遷而導(dǎo) 致原子的擴(kuò)散。某些原子脫離正常位置而進(jìn)入間隙位置，然后致原子的擴(kuò)散。某些原子脫離正常位置而進(jìn)入間隙位置，然后 在間隙位置中躍遷，如間隙式固溶體中就是如此。另有一種是在間隙位置中躍遷，如間隙式固溶體中就是如此。另有一種是 間隙原子把它的晶格結(jié)點(diǎn)上鄰近的原子從正常位置推到附近的間隙原子把它的晶格結(jié)點(diǎn)上鄰近的原子從正常位置推到附近的 間隙位置上，它自己卻去占有原子的原來位置。這種擴(kuò)散不

43、增間隙位置上，它自己卻去占有原子的原來位置。這種擴(kuò)散不增 加晶體中間隙原子的總數(shù)，因此，在這種情況下形成的激活能加晶體中間隙原子的總數(shù)，因此，在這種情況下形成的激活能 要比形成間隙原子的激活能來得低。要比形成間隙原子的激活能來得低。 37 (2) 空位機(jī)理空位機(jī)理 根據(jù)熱力學(xué)的觀點(diǎn)，任何一個溫度下，晶體中都有一根據(jù)熱力學(xué)的觀點(diǎn)，任何一個溫度下，晶體中都有一 定的空位存在。晶體中空位數(shù)量與溫度及激活能有關(guān)。如定的空位存在。晶體中空位數(shù)量與溫度及激活能有關(guān)。如 果一個原子在空位的旁邊，該原子就會跳進(jìn)空位中，而這果一個原子在空位的旁邊，該原子就會跳進(jìn)空位中，而這 個原子原來的位置變?yōu)榭瘴?，又有其它?/p>

44、子來占據(jù)這個空個原子原來的位置變?yōu)榭瘴?，又有其它原子來占?jù)這個空 位，見圖。因此，只要晶體中有空位，就有原子的遷移，位，見圖。因此，只要晶體中有空位，就有原子的遷移， 就會產(chǎn)生自擴(kuò)散。就會產(chǎn)生自擴(kuò)散。 38 8.2.28.2.2擴(kuò)散連接過程擴(kuò)散連接過程 擴(kuò)散連接是固態(tài)焊接方法，必需通過兩個表面緊密的貼合。擴(kuò)散連接是固態(tài)焊接方法，必需通過兩個表面緊密的貼合。 理想的貼合要到足以建立金屬鍵的距離，實(shí)際上是辦不到的。實(shí)際理想的貼合要到足以建立金屬鍵的距離，實(shí)際上是辦不到的。實(shí)際 情況是金屬表面接觸空氣，會氧化和吸附，并有一定的粗糙度。如情況是金屬表面接觸空氣，會氧化和吸附，并有一定的粗糙度。如 果把

45、焊接的金屬加熱，原子熱振動增加，塑性提高，在一定的壓力果把焊接的金屬加熱，原子熱振動增加，塑性提高，在一定的壓力 下，金屬實(shí)際表面的微凸起的波峰接觸點(diǎn)會碾平，使有效接觸面增下，金屬實(shí)際表面的微凸起的波峰接觸點(diǎn)會碾平，使有效接觸面增 大（圖）。如果在真空中加熱，不僅有效地防止金屬的氧化和沾污，大（圖）。如果在真空中加熱，不僅有效地防止金屬的氧化和沾污， 而且還有解吸和升華作用，使金屬表面得到凈化。而且還有解吸和升華作用，使金屬表面得到凈化。 39 在真空中進(jìn)行擴(kuò)散焊接有兩個階段：在真空中進(jìn)行擴(kuò)散焊接有兩個階段： 一是兩個金屬表面直接接觸，一是兩個金屬表面直接接觸，在真空中加熱、在真空中加熱、 加

46、壓，使表面微凸點(diǎn)產(chǎn)生塑性流動，并破壞表面和加壓，使表面微凸點(diǎn)產(chǎn)生塑性流動，并破壞表面和 去除表面層。去除表面層。 二是金屬在高溫下產(chǎn)生回復(fù)和再結(jié)晶，二是金屬在高溫下產(chǎn)生回復(fù)和再結(jié)晶，以消除以消除 殘余的微觀不連續(xù)性和缺陷，使金屬緊密貼合，互殘余的微觀不連續(xù)性和缺陷，使金屬緊密貼合，互 相擴(kuò)散形成一體。相擴(kuò)散形成一體。 這兩個階段中，工藝上必需解決：這兩個階段中，工藝上必需解決： 凈化和焊接金屬表面，并防止繼續(xù)氧化；凈化和焊接金屬表面，并防止繼續(xù)氧化； 加溫、加壓并保持一段時間，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散焊接。加溫、加壓并保持一段時間，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散焊接。 40 1. 金屬表面金屬表面 2. 金屬表面的凈化和保護(hù)金屬表

47、面的凈化和保護(hù) 金屬表面層的結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的，擴(kuò)散焊接時不僅要除去表面的水、金屬表面層的結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的，擴(kuò)散焊接時不僅要除去表面的水、 氣、吸附分子層，而且要防止焊接過程中發(fā)生新的污染。因此，氣、吸附分子層，而且要防止焊接過程中發(fā)生新的污染。因此， 在擴(kuò)散焊接前必需凈化表面，并防止氧化?？諝庵械牡脱跏钱a(chǎn)在擴(kuò)散焊接前必需凈化表面，并防止氧化?？諝庵械牡脱跏钱a(chǎn) 生氧化的主要因素。因此最好的方法是抽真空，其次是氬氣保護(hù)。生氧化的主要因素。因此最好的方法是抽真空，其次是氬氣保護(hù)。 金屬表面的凈化方法很多，如機(jī)械拋光法、物理方法加熱或輝金屬表面的凈化方法很多，如機(jī)械拋光法、物理方法加熱或輝 光放電、化學(xué)方

48、法酸洗等。在光放電、化學(xué)方法酸洗等。在實(shí)際生產(chǎn)中常用的酸洗法實(shí)際生產(chǎn)中常用的酸洗法。 41 3. 焊接面上的壓力焊接面上的壓力 擴(kuò)散焊接時，加壓的作用是促使焊接面產(chǎn)生微觀擴(kuò)散焊接時，加壓的作用是促使焊接面產(chǎn)生微觀 塑性變形，以獲得最大的接觸面。實(shí)際加工形成的表塑性變形，以獲得最大的接觸面。實(shí)際加工形成的表 面上有高低不平的波紋，兩焊接面剛接觸時，表面波面上有高低不平的波紋，兩焊接面剛接觸時，表面波 峰互相接觸，接觸面積很小。加壓后，產(chǎn)生塑性變形峰互相接觸，接觸面積很小。加壓后，產(chǎn)生塑性變形 使接觸面積擴(kuò)大，隨塑性變形的增大，接觸面積也不使接觸面積擴(kuò)大，隨塑性變形的增大，接觸面積也不 斷增加。斷

49、增加。 壓力的大小應(yīng)該達(dá)到足以使接觸表面的粗糙度的壓力的大小應(yīng)該達(dá)到足以使接觸表面的粗糙度的 波峰實(shí)現(xiàn)波峰實(shí)現(xiàn)微觀塑性變形微觀塑性變形，在波峰之間剩下的微觀空隙，在波峰之間剩下的微觀空隙 將在互相擴(kuò)散過程中被將在互相擴(kuò)散過程中被“填滿填滿”。但總有部分微觀空。但總有部分微觀空 隙由于雜質(zhì)和微孔很難全部隙由于雜質(zhì)和微孔很難全部“填滿填滿”。所加壓力不應(yīng)。所加壓力不應(yīng) 使被焊件產(chǎn)生宏觀塑性變形，使焊件尺寸變化。使被焊件產(chǎn)生宏觀塑性變形，使焊件尺寸變化。 42 4. 焊接材料加熱和保溫焊接材料加熱和保溫 金屬材料受熱，使原子動能增加，改變了單個原金屬材料受熱，使原子動能增加，改變了單個原 子的狀態(tài)及

50、其相互作用，并使得結(jié)晶的性質(zhì)和狀態(tài)發(fā)子的狀態(tài)及其相互作用，并使得結(jié)晶的性質(zhì)和狀態(tài)發(fā) 生改變。同時，使固體中的擴(kuò)散速度隨溫度而成倍的生改變。同時，使固體中的擴(kuò)散速度隨溫度而成倍的 增加，因此，增加，因此，擴(kuò)散焊接中溫度是最主要的因素?cái)U(kuò)散焊接中溫度是最主要的因素。 金屬接觸表面微觀區(qū)在互相接近的條件下，溫度金屬接觸表面微觀區(qū)在互相接近的條件下，溫度 加速原子重新排列，在回復(fù)和再結(jié)晶過程中，溫度能加速原子重新排列，在回復(fù)和再結(jié)晶過程中，溫度能 夠消除焊接區(qū)域內(nèi)各種形式的晶格缺陷。夠消除焊接區(qū)域內(nèi)各種形式的晶格缺陷。 43 8.2.3鈦合金擴(kuò)散連接工藝鈦合金擴(kuò)散連接工藝 鈦合金擴(kuò)散工藝的主要參數(shù)有鈦合

51、金擴(kuò)散工藝的主要參數(shù)有連接溫度、連接壓力、連接時間連接溫度、連接壓力、連接時間 等。擴(kuò)散連接的典型工藝規(guī)程包括：等。擴(kuò)散連接的典型工藝規(guī)程包括： 在模具中組裝各個結(jié)構(gòu)元件；在模具中組裝各個結(jié)構(gòu)元件； 在真空或保護(hù)介質(zhì)中將組裝好的結(jié)構(gòu)件加熱到擴(kuò)散連接溫度；在真空或保護(hù)介質(zhì)中將組裝好的結(jié)構(gòu)件加熱到擴(kuò)散連接溫度； 按規(guī)定時間施加擴(kuò)散連接所需的壓力；按規(guī)定時間施加擴(kuò)散連接所需的壓力； 冷卻，打開模具，取出零件；冷卻，打開模具，取出零件； 檢驗(yàn)零件的質(zhì)量。檢驗(yàn)零件的質(zhì)量。 擴(kuò)散連接在飛行器結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用包括具有蜂窩芯、網(wǎng)格芯及波擴(kuò)散連接在飛行器結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用包括具有蜂窩芯、網(wǎng)格芯及波 紋芯薄壁夾層平面和曲面

52、壁板，各種截面的帶筋壁板，機(jī)翼前緣類紋芯薄壁夾層平面和曲面壁板，各種截面的帶筋壁板，機(jī)翼前緣類 槽形結(jié)構(gòu)，薄壁波紋管結(jié)構(gòu)以及擴(kuò)散對接的變截面長型材毛坯等。槽形結(jié)構(gòu)，薄壁波紋管結(jié)構(gòu)以及擴(kuò)散對接的變截面長型材毛坯等。 擴(kuò)散連接壓力值取決于被連接零件形狀尺寸。被連接面積增加，擴(kuò)散連接壓力值取決于被連接零件形狀尺寸。被連接面積增加， 筋條相對高度減小，則壓力增加。所以在擴(kuò)散連接不同的類型的結(jié)筋條相對高度減小，則壓力增加。所以在擴(kuò)散連接不同的類型的結(jié) 構(gòu)時應(yīng)采用不同方法以及相應(yīng)設(shè)備。常采用下述方法進(jìn)行擴(kuò)散連接：構(gòu)時應(yīng)采用不同方法以及相應(yīng)設(shè)備。常采用下述方法進(jìn)行擴(kuò)散連接： 真空負(fù)壓法；真空負(fù)壓法； 真空加

53、壓法；真空加壓法； 壓床加壓法。壓床加壓法。 44 8.3 超塑成形超塑成形 與擴(kuò)散連接組合技術(shù)與擴(kuò)散連接組合技術(shù) 45 超塑成形超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)（擴(kuò)散連接技術(shù)（SPF/DB）是航空航天制造領(lǐng)域近年）是航空航天制造領(lǐng)域近年 來迅速發(fā)展起來的一種來迅速發(fā)展起來的一種近無余量成形技術(shù)近無余量成形技術(shù)。國外。國外SPF/DB技術(shù)廣泛技術(shù)廣泛 應(yīng)用于航空航天飛行器零部件的生產(chǎn)，美、英、法等國已研制出夾應(yīng)用于航空航天飛行器零部件的生產(chǎn)，美、英、法等國已研制出夾 層結(jié)構(gòu)的飛機(jī)縫翼、機(jī)翼后緣、前置翼和導(dǎo)彈彈翼等構(gòu)件，最新設(shè)層結(jié)構(gòu)的飛機(jī)縫翼、機(jī)翼后緣、前置翼和導(dǎo)彈彈翼等構(gòu)件，最新設(shè) 計(jì)的歐洲下一代戰(zhàn)斗機(jī)

54、計(jì)的歐洲下一代戰(zhàn)斗機(jī)EFA2000前機(jī)身的大部分結(jié)構(gòu)為前機(jī)身的大部分結(jié)構(gòu)為SPF/DB構(gòu)構(gòu) 件，兩翼也由件，兩翼也由SPF/DB的鈦合金制成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為夾層結(jié)構(gòu)。美、的鈦合金制成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為夾層結(jié)構(gòu)。美、 英、法、日等國家都建立了英、法、日等國家都建立了SPF/DB生產(chǎn)基地，英國哈菲爾德、美生產(chǎn)基地，英國哈菲爾德、美 國道格拉斯等公司均已建成生產(chǎn)線并實(shí)現(xiàn)了工藝過程的自動化控制。國道格拉斯等公司均已建成生產(chǎn)線并實(shí)現(xiàn)了工藝過程的自動化控制。 集超塑性與擴(kuò)散連接與一體的組合工藝開辟了飛行器鈦合金結(jié)構(gòu)制集超塑性與擴(kuò)散連接與一體的組合工藝開辟了飛行器鈦合金結(jié)構(gòu)制 造工藝的新前景。鈦合金結(jié)構(gòu)采用超塑性

55、與擴(kuò)散連接組合工藝比傳造工藝的新前景。鈦合金結(jié)構(gòu)采用超塑性與擴(kuò)散連接組合工藝比傳 統(tǒng)方法可節(jié)約成本統(tǒng)方法可節(jié)約成本5070%，結(jié)構(gòu)重量減重，結(jié)構(gòu)重量減重3050%，材料利用率也，材料利用率也 有所提高。有所提高。 46 鈦合金超塑性和擴(kuò)散連接要求的環(huán)境的條鈦合金超塑性和擴(kuò)散連接要求的環(huán)境的條 件是相同的，因而可將其過程集成在一起：即件是相同的，因而可將其過程集成在一起：即 相同的工作溫度范圍、緩慢的進(jìn)行速度、所需相同的工作溫度范圍、緩慢的進(jìn)行速度、所需 的壓力相近以及必須在中性介質(zhì)中進(jìn)行等。這的壓力相近以及必須在中性介質(zhì)中進(jìn)行等。這 就可以在一道工序過程中既將板材成形為復(fù)雜就可以在一道工序過程

56、中既將板材成形為復(fù)雜 形狀的結(jié)構(gòu)件，又將其相互連接或與其它結(jié)構(gòu)形狀的結(jié)構(gòu)件，又將其相互連接或與其它結(jié)構(gòu) 件連接成一體。采用超塑性與擴(kuò)散連接方法可件連接成一體。采用超塑性與擴(kuò)散連接方法可 以設(shè)計(jì)出更加合理的結(jié)構(gòu)方案，這些方案以前以設(shè)計(jì)出更加合理的結(jié)構(gòu)方案，這些方案以前 因制造困難而無法實(shí)現(xiàn)。因制造困難而無法實(shí)現(xiàn)。 47 鈦板超塑性與擴(kuò)散連接組合工藝基本上可分為如下三種形式： 局部加強(qiáng)局部加強(qiáng) 整體加強(qiáng)整體加強(qiáng) 夾層結(jié)構(gòu)夾層結(jié)構(gòu) 48 1. 局部加強(qiáng)形式局部加強(qiáng)形式 鈦合金板材超塑性成形時，與預(yù)先放在模具內(nèi)的鈦合金件相接觸， 實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散連接。先超塑性成形，緊接著擴(kuò)散連接。兩者都在加熱 過程中進(jìn)行。用

57、這種方法能將附加板、墊板或其它增強(qiáng)元件同已 成形的零件擴(kuò)散連接在一起。 2. 整體加強(qiáng)形式整體加強(qiáng)形式 用兩塊Ti-6Al-4V板料，在成形前將需要成形部分涂上隔離劑（止 焊劑），需擴(kuò)散連接的部分則不涂。隔離劑可以是石墨或氧化釔 等，采用噴涂法或絲網(wǎng)漏印法涂覆，以控制最后成形的零件形狀。 當(dāng)模腔內(nèi)溫度達(dá)到925時，通氬氣加壓，將未涂覆隔離劑的部 分?jǐn)U散連接成一體，然后再通入壓縮氬氣，使涂有隔離劑的未連 接部位超塑性成形，制成帽形或波形截面的加強(qiáng)構(gòu)件。 3. 夾層結(jié)構(gòu)形式夾層結(jié)構(gòu)形式 用三塊Ti-6Al-4V鈦合金板，在兩個接觸面上一定部位涂隔離劑， 組裝在一起放入模具內(nèi)，先擴(kuò)散連接，隨后氣壓成

58、形至最終形狀。 49 超塑性成形與擴(kuò)散連接工藝方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：超塑性成形與擴(kuò)散連接工藝方法具有如下優(yōu)點(diǎn)： 工件外形由模腔決定，芯子形狀則由隔離劑所涂工件外形由模腔決定，芯子形狀則由隔離劑所涂 敷的部位決定，不需另作芯模，因而不存在配合問敷的部位決定，不需另作芯模，因而不存在配合問 題；題； 可制造邊緣封閉的各種結(jié)構(gòu)件，無需修改模腔即可制造邊緣封閉的各種結(jié)構(gòu)件，無需修改模腔即 可改變結(jié)構(gòu)件內(nèi)部設(shè)計(jì)；可改變結(jié)構(gòu)件內(nèi)部設(shè)計(jì)； 可減少零件數(shù)量，無需機(jī)械連接（鉆鉚、螺接等）可減少零件數(shù)量，無需機(jī)械連接（鉆鉚、螺接等） 以及一般焊接工序，因而省去相應(yīng)的工藝裝備；以及一般焊接工序，因而省去相應(yīng)的工藝裝備；

59、 可創(chuàng)造新的設(shè)計(jì)概念，制造出常規(guī)工藝方法所不可創(chuàng)造新的設(shè)計(jì)概念，制造出常規(guī)工藝方法所不 能實(shí)現(xiàn)的新結(jié)構(gòu)。能實(shí)現(xiàn)的新結(jié)構(gòu)。 對鈦結(jié)構(gòu)無需熱處理。對鈦結(jié)構(gòu)無需熱處理。 50 8.4 8.4 鈦合金的氫工藝鈦合金的氫工藝 51 氫工藝是指對鈦合金加氫達(dá)到規(guī)定濃度，利用氫工藝是指對鈦合金加氫達(dá)到規(guī)定濃度，利用 氫對工藝性能的有益影響進(jìn)行工藝處理，再用真空氫對工藝性能的有益影響進(jìn)行工藝處理，再用真空 退火來降低氫含量以達(dá)到規(guī)定值，使鈦合金結(jié)構(gòu)在退火來降低氫含量以達(dá)到規(guī)定值，使鈦合金結(jié)構(gòu)在 使用過程中不發(fā)生氫脆。鈦合金加氫合金化會產(chǎn)生使用過程中不發(fā)生氫脆。鈦合金加氫合金化會產(chǎn)生 以下效應(yīng)以下效應(yīng)( (可用

60、于完善鈦合金成品與半成品的生產(chǎn)工可用于完善鈦合金成品與半成品的生產(chǎn)工 藝）：藝）： u壓力加工時鈦合金流動應(yīng)力成倍地提高；壓力加工時鈦合金流動應(yīng)力成倍地提高； u片狀粗晶組織很容易轉(zhuǎn)變成球形細(xì)晶組織，易于片狀粗晶組織很容易轉(zhuǎn)變成球形細(xì)晶組織，易于 粘劑（燒結(jié)）；粘劑（燒結(jié)）； u機(jī)加工條件得到改善。機(jī)加工條件得到改善。 在無法用標(biāo)準(zhǔn)工藝方法制取要求性能的鈦半成品在無法用標(biāo)準(zhǔn)工藝方法制取要求性能的鈦半成品 或成品時，氫工藝是最好的一種工藝?；虺善窌r，氫工藝是最好的一種工藝。 52 鈦合金氫工藝包括：鈦合金氫工藝包括： (1)(1)氫增塑氫增塑 降低金屬流動應(yīng)力降低金屬流動應(yīng)力 提高墩粗試驗(yàn)時第一