新型材料的超塑性成形T型阀

新型材料的超塑性成形

新型材料的超塑性成形 2011年12月04日 来源： 1．金属间化合物的超塑性 金属间化合物主要是指不同金属元素组成的有序固溶体，它们的结构特点决定了它们不仅有良好的高温强度，较好的抗氧化必和抗腐蚀性，而且密度较小，因此时理想的航天和航空材料。当前世界上研究较多的金属间化合物有TiAl、Ti3Al、NiAL、Ni3Al、FeAl、Fe3Al等。然而，这些材料的室温塑性和韧性一般较差；加工性能与较差。金属间化合物研制过程的主要目标，就是在其主要优点不受很大损失的前提下，改善其塑性、韧性及加工性。而实现这些目标的主要措施是添加合金元素以形成塑性较好的第二相，超塑性实现一般还需要通过一定的形变热处理以得到等轴细晶显微组织。近年来的研究结果已经表明，金属间化合物可以获得很高的超塑性水平—— Ni3Al合金的m值达0.8，伸长率达646%；Ti3Al合金的伸长率超过1000%；TiAl合金的伸长率达470%。目前，金属间化合物的超塑性应用仍在探索阶段：美国曾实验超塑性成形出Ni3Al合金的涡轮盘，用超塑成形/扩散焊的方法制造出F100发动机加力燃烧室收放喷口封片并通过64h试车。 2．陶瓷材料的超塑性 陶瓷材料具有若干独到的优越性能，例如很高的高温强度、硬度和耐磨性，优良的抗蚀性和若干特有的物理及化学性。这些性能是由其电子、原子、显微及其宏观结构所决定的。其电子结构主要是两种——共价键和离子键，这就决定陶瓷材料主要是绝缘体或者半导体，并具有高硬度和弹性模量，在高温下具有稳定的力学性能以及很低的热膨胀系数。然而，陶瓷材料很脆，塑性变形能力很低。陶瓷材料的熔点一般很高，一般不能采用铸造方法成形或制坯，常采用粉末烧结的方式。开发陶瓷材料的超塑性对于其在高技术中的应用具有重要的意义。陶瓷超塑性的研究始于80年代，1986年日本学者WAKAI首次利用陶瓷进行超塑性拉伸获得超过100%的伸长率。四方氧化锆多晶体（TZP）是最典型的超塑性陶瓷，添加Y203的TZP具有更加优越的超塑性，称之为Y-TZP。陶瓷实现超塑性的条件也是需要材料具有等轴细晶组织，超塑性陶瓷的晶粒往往比超塑性合金更细小，常小于1μm。实现陶瓷超塑性必须严格掌握三个环节：制粉、烧结和超塑性变形，这与金属材料超塑性成形有很大区别，因为由市场得到的金属材料经一定的处理，甚至不经处理就可以实现超塑性成形，耐陶瓷材料超塑性的实现必须由制粉和烧结开始。美国学者T.G.NIEH已实现了陶瓷800%的超塑性拉伸变形。日本、美国等已经可以利用陶瓷材料进行气压成形、扩散连接和等温超塑性锻造，目前超塑性成形的还是一些样件，超塑性成形的陶瓷零件可望在不久的将来会在工业中得到实际应用。 3．金属基复合材料的超塑性 金属基复合材料基本上可以分为连续纤维增强型和非连续增强体增强两大类，后者主要有碳化硅主其晶须、氧化铝晶须几种增强体。金属基体有铝、钛、镁合金、高温合金、金属间化合物等。金属基复合材料具有高比强、高比模、耐高温、良好的导热导电性、热膨胀系数小等优点，在航天、航空、先进武器系统、新型汽车等领域具有广阔的应用前景。然而，比起常规金属材料来，金属基复合材料的超塑性和加工性能差，这是影响其应用的一个重要障碍，因此开发金属基复合材料的超塑性具有重要的实际意义。 超塑性研究主要是针对非连续增强型复合材料，特别是铝合金为基体的复合材料。这些复合材料的制备主要有铸造和粉未冶金两种手段，通过挤压、轧制等形变处理细化晶粒，颗粒、晶须等增强体有助于晶粒细化，并在超塑性变形中使变形材料的显微组织保持稳定。然而在超塑性拉伸变形中易在增强体与基体的界面处形成孔洞，超塑性变形或成形中若试样或成形坯料处在静水压中，可以抑制孔洞的发生。美、日等国的研究人员把铝合金基体复合材料细化为纳米细晶组织，在比常规超塑性变形高出几个数量级的速率下实现了超塑性变形，称之为高速率超塑性。铝合金复合材料的超塑性成形已经得到应用。 4．新型金属材料的超塑性成形 金属材料是最古老的工业材料。在当今科技迅速发展的情况下，金属材料的大家庭中也在不断增加新的成员。除了上述金属基复合材料和金属间化合物之外，新型铝锂合金、新型高温合金、记忆合金、一些超导材料……都是属于新型的金属材料。 锂是密度最小的金属元素，铝锂合金与其他铝合金相比，密度显著降低，然而强度和弹性模量却显著增加，因此铝锂合金是航天与航空的理想材料。铝锂合金的缺点也是其室温加工性能较差，这主使超塑成形对于铝锂具有重要意义。现在研究表明：铝锂合金可以获得很好的超塑性，而且可以进行超塑成形-扩散连接的复合工艺成形。 高温合金是航空航天发动机中的关键材料，众对航空航天发动机不断的改进也需要其高温合金材料的性能逐渐提高。镍基高温合金超塑性研究早有报道，然而由于这类合金的超塑性温度较高，很难选择其成形的模个材料。俄罗斯的研究人员采用两种措施解决这一难题：一是采用石墨基材料做模具，这类材料虽室温强度并不高，可在高温下强度仍然不降低，因此可以用来作为高温合金超塑成形的模具材料。其主要难点就是防止模具在高温下氧化。另一个办法是降低高温合金的超塑性变形温度，通过一定的处理手段改变高温合金的显微组织晶粒形态，其超塑性温度可以大幅度下降，从而减低了对模具材料的要求。

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