中国超塑成形技术发展迅速 有力推动军工发展

金属超塑性最早被发现于1920年,Rosenhain等人发现Zn-4Cu-7Al合金在低速弯曲时可以弯曲近180°而不出现裂纹,与普通晶体材料大不相同。1964 年,W. A. Backofen、I.R. Turner和D.H. Avery发表了具有划时代意义的文章《Zn–Al合金超塑性》,在文中最后一段提到“没有什么比能够将聚合物和玻璃成形技术应用到金属中进行成形而更使人惊叹的事情了”,从此揭开了金属超塑成形的序幕。1968年英国里兰德汽车公司采用超塑成形工艺方法生产了工业用Zn-22%Al共析合金的汽车上盖和车门内板,开创了超塑成形技术的实用先例。

目前超塑成形技术最广泛的应用是与扩散连接技术组合而成的超塑成形/扩散连接组合工艺技术,利用金属材料在一个温度区间内兼具超塑性与扩散连接性的特点,一次成形出带有空间夹层结构的整体构件。按照成形构件初始毛坯数量不同可以分为单层、两层、三层及四层结构形式(如图)。采用超塑成形/扩散连接工艺成形的空心夹层结构零件具有成形性好、设计自由度大、成形精度高、没有回弹、无残余应力、刚性大、周期短、减少零件数量等优点。由于采用这种结构减少了零件和连接件的数量,消除了大量的连接孔,也避免了连接孔在连接过程中可能出现的裂纹,大大提高了结构的耐久性和损伤容限。另外,该结构可以实现最佳的刚度重量比。用超塑成形/扩散连接结构代替常规的金属结构件,一般可减轻结构重量10%~50%,制造成本可降低25%~40%,所带来的经济效益相当可观,广泛应用于航空航天领域。钛合金在相同的温度窗口内,兼具优良的超塑性及扩散连接性,是目前应用最为广泛的超塑成形/扩散连接工艺材料,军民用飞机机身整体框、梁、壁板、口盖、舱门、机翼、后机身隔热板等部件均采用超塑成形/扩散连接多层空心结构形式,减重效益突出。除此以外,在大涵道比涡扇发动机中采用超塑成形/扩散连接技术成形宽弦空心风扇叶片,代表了超塑成形/扩散连接技术发展应用的最高水平。

 在国外,超塑成形/扩散连接技术发展已经相当成熟。美国有很多公司具有生产超塑成形、超塑成形/扩散连接构件的能力。超塑成形、超塑成形/扩散连接零部件广泛应用于多种先进型号的飞机和发动机上,例如,F-15中有超塑成形/扩散连接结构件70余件;F-18中有钛合金超塑成形/扩散连接结构件20多件;在F-22中也大量采用了超塑成形/扩散连接组合结构,如后机身钛合金超塑成形/扩散连接的隔热板等。与此同时,欧洲的超塑成形技术的应用及发展速度及规模也很迅速。英国很多公司都具有很强的钛合金超塑成形/扩散连接结构件的生产能力。罗罗公司采用超塑成形/扩散连接技术研制出了钛合金宽弦无凸肩空心风扇叶片,处于世界领先地位。俄罗斯拥有世界上最大超塑性研究机构乌法超塑性研究所,法国的超塑成形公司均已具备批量生产能力。德国MBB公司采用超塑成形工艺生产了卫星上的推进剂箱体。

目前,超塑成形技术的应用范围已经从钛合金发展到铝锂合金,金属基复合材料,金属间化合物,陶瓷基复合材料等多种材料。超塑成形技术未来发展趋势是更加注重大型复杂整体结构件成形、低成本高效率成形工艺、超塑成形技术与各种先进连接组合工艺技术组合工艺、超细晶、纳米晶材料、难变形耐高温材料成形等多方面的研究。

 随着超塑成形技术的不断发展,将充分发挥材料特点,利用改变材料自身形状的属性改变传统制造技术,提升我国轻量化整体结构设计制造水平,推动先进制造技术在军工和民用领域的发展应用。