钛合金的先进制造技术.ppt

第8章
飞行器生产中
钛合金的先进制造技术
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钛板超塑性成形
超塑性成形的特征
塑性:是金属的主要属性之一,它指的是金属在不遭受破坏的情况下,既具有永久变形能力又具有足够强度的性能。
“超塑性”就是超出一般“塑性”指标的金属的特性。
作为衡量塑性优劣的一个重要指标延伸率δ值,一般金属均不超过百分之几十,如黑色金属不大于40%,有色金属不大于60%(软铝约为50%,而金银一般也只80%),它们即使在高温下拉伸,也难以达到100%。从材料的提纯、冶炼、锻造和热处理中设法改善金属的塑性,但都不理想,无法大幅度提高塑性指标。
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在长期以来金属变形的研究中,有人发现某些金属在一定条件下具有大大超过一般塑性的特异性能,这些具有超塑性的金属其δ值可超过百分之百,有的甚至达到百分之二千也不产生缩颈现象。随着研究的深入,普遍认为这种特殊的、巨大的延伸特性并不限于某几种合金;对大多数金属材料,包括钢铁等黑色金属以及一般认为难成形的钛合金等,在特定条件下都可使δ值提高几倍至几十倍。比如Ti-6Al-4V板材,常温下的δ值约10%,Ti-5Al-4V约14%,前者在加温到760℃时,δ值约为65%,850℃时约90%,即使加温到900℃也只达110%左右。然而处于超塑性条件下的Ti-6Al-4V,δ值可高达500%以上,甚至1000%以上。
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超塑性是一种奇特的现象。具有超塑性的合金能像饴糖一样伸长10倍、20倍甚至上百倍,既不出现缩颈,也不会断裂。金属的超塑性现象,是英国物理学家森金斯在1982年发现的,他给这种现象做如下定义:凡金属在适当的温度下(大约相当于金属熔点温度的一半)变得像软糖一样柔软,而应变速度10毫米/秒时产生本身长度三倍以上的延伸率,均属于超塑性。
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超塑性与传统成形方法相比,具有如下特征:
(1) 大变形
超塑性材料在单向拉伸时δ值极高,表明超塑性材料在变形稳定状态方面要比普通材料好得多。
(2) 无缩颈
超塑性材料表现出很强的抗颈缩能力,无明显的局部缩颈。
(3) 小应力
超塑性材料在变形过程中,变形应力可以很小,具有粘性或半粘性流动的特征。通常用流动应力表示变形应力的大小。在一定的速度下,流动应力σ要比一般金属的变形应力小到几分之一以至几十分之一。
(4) 易成形
由于超塑性材料具有上述特点,在变形过程中基本没有应变硬化,因此压力加工流动性与填充性极好,所需设备能量低。
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超塑加工具有很大的实用价值,只要很小的压力就能获得形状非常复杂的制作。试想一下,金属变成了饴糖状,从而具有了可吹塑和可挤压的柔软性能,因此过去只能用于玻璃和塑料的真空成型、吹塑成型等工艺被沿用过来,用以对付难变形的合金。而这时所需的压力很小,只相当于正常压力加工时的几分之一到几十分之一,从而节省了能源和设备。
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使用超塑性加工制造零件的另一优点是可以一次成型,省掉了机械加工、铆焊等工序,达到节约原材料和降低成本的目的。在模压超塑性合金薄板时,只需要具备一种阴模或阳模即可,节省一半模具费用。超塑性加工的缺点是加工时间较长,由普通热模锻的几秒增至几分钟。
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将超塑性成形应用于钛合金构件成形具有如下主要优点:
在一道成形工序内可用低塑性钛合金制成复杂形状的构件,而且总变形量或局部变形量很大;
由于合金变形阻力大大减小,成形过程的动力参数值(应力、压力)也减小,因此可以广泛采用非压床模压成形;
由于能很好地贴模成形,而且没有回弹,因此,成形的构件精度很高;
工艺过程相对简单而且机动灵活,可以保证生产准备周期短、耗费少,并可对生产工艺及产品结构进行改革.
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超塑性分类与机理
1. 超塑性的分类
延伸率超过100%作为衡量材料有无超塑性的标准。
流变方程
应变速度敏感指数m值作判据;若m>,即认为有超塑性。实验证明,m值越大,材料超塑性性能越好。因此,金属材料超塑性是在特定条件下(高温、细晶粒和低应变速率),材料出现异常的延伸率的总称。
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金属材料的超塑性大体可以分为三类:
(1) 组织超塑性
材料具有超塑性的必要条件是具有均匀等轴的微晶组织,较低的应变速率和高于金属熔点温度的百分之五十,并保持恒温状态。因此又称微晶超塑性,或称组织超塑性。这类钛合金最典型的是Ti-6Al-4V,对它的研究最广泛。
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