超塑性的应用课件.ppt

1、由于金属及合金在超塑性状态具有异常好的塑性和极低的流动应力，极大的活性和扩散能力，对成形加工极为有利。并且对于形状极为复杂或变形量很大的零件，应用超塑性都可以一次成形。超塑性在工业生产的很多领域中得到了应用。超塑性压力加工：属于粘性和不完全粘性加工，对形状复杂或变形量很大的零件，都可以一次直接成形。成形的方式：气压成形、液压成形、体积成形、板材成形、管材成形、杯突成形、无模成形、无模拉拔等多种方式。其优点：流动性好，填充性好，需要设备功率吨位小，材料利用率高，成形件表面精度质量高。相应的困难：需要一定的成形温度和持续时间，对设备、模具润滑、材料保护等都有一定的特殊要求。压力加工的基本条件：温度

2、条件：整个变形过程中要保持坯料在最佳温度范围内。变形速度：超塑合金的最佳变速范围一般处于低速区。润滑：直接影响成形压力、流动性和填充性。工件毛坯的预处理：直接影响成形性能和成形后零件质量。一般通过拉伸试验、金相观察和硬度测试检查。以下针对气压成形作简要介绍：气压成形是在超塑条件下，将毛坯周边压紧，然后通过流体压力使毛坯变薄而成形的一种成形工艺。它是最能体现超塑性成形全部特点的一种新工艺，也是超塑性加工中最有前途的工艺。与挤压成形相似，气压成形不需要传统胀形的高能量、高压力。气压成形是自体变形，气体压力几乎全部作用于金属变形。由于超塑材料的变形应力很小(Zn-22%Al的Qb-0.2 kg/mm

3、2)。使得成形压力比传统的成形压力降低了2到3个数量级。即由传统成形的几千个、几百个大气压，降低到几十个、几个大气压。而且可以一次进行很大的变形，制成轮廓清晰、形状复杂的零件。而且成形表面精致，几乎与接触模具具有同等的表面质量。气压成形过程中材料的变形可以分为三个阶段：第一阶段:自由变形阶段，用小压力以获得尽量均匀的壁厚。如下图（a）至（b）所示（板材为矩形模板）图（a）图（b）第二阶段：与模具开始接触阶段，由于摩擦阻力，凡与模具接触部 分，几乎不再参加变形，也尽量用小压力低速变形。如下图（c）所示第三阶段：圆角凸出部分连续变形。即填充模具的细部，如圆角、沟槽等部分需最大压力，以使局部填满。如

4、下图（d）所示图（c）图（d）在气压成形时，由于材质的变化和加工环境条件会引起材料局部缩减。主要原因：半球成形时，由于边底部分受到夹持，变形困难，而中间（圆顶）部分接近自由胀形，变形容易，因而引起局部缩减。材料与模具接触时间不同，由于摩擦阻力的原因，所以先接触的部分变形困难，相对尺寸要厚，而最后成形的圆角沟槽等部分最容易形成局部缩减。变形过程中材料的变形状况如上图（a）-（d）所示。发展方向：该技术在航空航天和汽车工业中具有广泛的应用前景，但在成形过程中，由于周边材料被模具压紧不参与变形，零件面积增加完全由材料的变薄来实现，同时应力和应变场分布不均匀造成了零件最终壁厚的明显差异，即使对应变速率

5、敏感系数m值接近于1.0的高硬化材料也难以避免厚度分布明显不均的问题，它直接关系零件能否满足设计要求，因而是限制该工艺应用和发展的关键问题之一。如何改进超塑性气压成形工艺方法，改善厚度分布，提高超塑成形零件的质量就成为众多学者和工程技术人员普遍关注和研究的问题。为改善这种不均匀的变形状况，简要介绍一种用半球形触头预先接触增加摩擦阻力的方法。如下图所示（大礼帽形容器）材料用Zn-22%Al合金，加工温度250oC，成形压力为1.06kg/cm3。图1-1 用球形触头反向加压的成形方法PP0其成形特点：预先加以反向压力，使杯体最易在变形中减薄的杯顶部分先与触头接触。由于摩擦阻力的原因，这部分在开始

6、时相对变形量要小，而使周边不易变形的部分首先加大变形，经一定的变形量以后，再正向加压，使之与模壁全部接触，这样就可以得到壁厚比较均匀的容器。主要表现为相变超塑性在热处理方面的应用，例如用于钢材的形变热处理、等温锻造、渗炭、渗氮、渗金属等方面；另外相变超塑性还可以有效的细化晶粒，改善材料品质。1.应用相变超塑性改善金属材质：在相变超塑性处理过程中，每一次通过相变点A1或A3的热循环由于新相的形成，晶粒可以得到一次细化。多次以后可以得到极细的晶粒组织。纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢及铸铁都可以通过快速的循环加热冷却方式来细化晶粒。2.相变超塑性在表面热处理方面的应用：渗碳钢经过循环加热通过相变点

7、A1或A3 时，材料处于一种活化状态，具有极大的扩散能力，利用这个特点进行表面化学热处理，如渗碳、渗氮、碳氮共渗可以显著的提高渗入效率，缩短渗透时间。图1-2 相变超塑性渗碳厚度与时间的关系曲线 （在有外加应力下施以热循环）主要表现为相变超塑性在焊接方面的应用，利用其超塑状态下金属流动特性和高扩散能力进行焊接。将两块金属材料接触，利用相变超塑性的原理，即施加很小的负荷和加热冷却循环即可使接触面完全粘合，得到牢固的焊接。称之为相变超塑性焊接TSY。其特点：加热温度低（在固相加热），没有一般熔化焊接的热影响区，也没有高压焊接的大变形区，焊后可不经热处理或其他辅助加工，即可应用。超塑性焊接所需控制的

8、工艺条件：1.加热温度：根据相变点而定，上限一般超过相变点50100oC，下限超过A1即可。2.加热速度：为防止在加热过程中发生蠕变变形，应尽量采用快速加热，一般为50100oC/s。3.循环周期：一般为45次。4.施加压力：很小，（1/101/30）b。5.接触表面：即材料焊接表面要求清洁，应清除氧化物，可以填充抗氧化剂。几种工艺条件的关系如图1-3：图1-3 相变点的温度与加热和冷却速度的关系相变超塑性用于不同管径的钢管焊接如下，大管径与小管径中间填充材料为炭粉或炭粉末加铁粉的混合体，加热温度范围T=600-900oC，在一分钟内循环4-5次，压力1-2kg/mm2，焊后无残余应力，得到牢固的结合。图1-4 相变超塑性焊接异形管件装置图1.基于超塑性的纵多突出优点，其在生产中的应用必将广阔。2.在航空航天上的应用越来越广，如利用SPF/DB复合工艺制造钛合金和铝合金的复杂板结构件。3.在特殊材料上的应用，如镍基合金、陶瓷材料、金属基复合材料的成形。