TA2，TC4钛板超塑性成形

TA2，TC4钛板超塑性成形

TA2，TC4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。

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。

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。

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。

   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。

 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。

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.

8.1.2  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>0.3时，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。

(2) 相变超塑性

        它是在一个变动频繁的温度环境下，经相变或同素异晶转变，和组织超塑性一样，在低应力作用下，同样获得无缩颈的高延伸率称为相变超塑性。由于温度的反复变化，引起组织结构的变化，故又称动态超塑性。而前一种没有相的转变故又称静态超塑性。

        材料产生相变或同素异晶转变是必要条件。而钛与铁相似，在882℃发生相的转变，低于此温度时是α钛，密排六方晶格是稳定的；高于此温度是β钛，体心立方晶格也是稳定的。这类超塑性研究较少，有待深入。

(3) 短暂超塑性

       近期研究发现，普通非超塑性材料在一定条件下，进行快速变形在短时间内会呈现出超塑性性质，这种现象称为短暂超塑性。这种材料必须具备双相组织，并利用在双相区的温度下母相晶粒长大困难，有利于塑性的发挥。这类超塑性也有待于进一步研究。

2. 超塑性材料的获得

       金属超塑性的获得除了特定的外界条件外，本身组织状态是关键。

        为了在塑性变形过程中，使金属的微晶组织稳定，并尽可能使晶粒长大缓慢，就要求原始组织的晶粒越小越好，或有双相的组织抑制其晶粒长大。要达到这一目的，可用以下办法：

（1）通过对共析合金材料(两相组织)的多次淬火和回火热处理，获得微晶组织；

（2）通过对共晶合金适当的热处理，获得较细的晶粒。但这种共晶合金必须有高的第二相体积百分比，才能有高的热稳定，即高温下，晶粒不易长大，并有高的延伸率；

（3）添加元素细化晶粒。不同的金属或合金，加入元素的种类和数量也不同。如在钛中加入微量的Zr、Al，Mo和Ta等，形成金属间化合物，使晶粒细化，抑制晶粒长大。若加入Al和Ga，又能使再结晶温度提高，并可提高组织的热稳定性；

（4）连续热加工变形细化晶粒。对双相合金，可以通过在再结晶温度下，进行大变形热加工使其获得等轴的超细晶粒；

（5）微细粉末烧结法。用微细粉末直接加热烧结，可以获得微细组织，而且避免铸态的偏析。

2.  超塑性机理

    目前超塑性机理尚未一套完整的理论，主要有如下几种论点：

(1) 空位迁移—扩散蠕变理论

    由于变形是在高温低速下进行的，不少人试图用扩散蠕变解释超塑性机理，认为超塑性变形是一种在应力场作用下原子的扩散或迁移的过程。空穴由高位能处向低位能处移动，而引起质量的迁移，得到均匀化变形。

(2) 晶界滑移理论

    因为在超塑性变形中，晶粒形状及晶粒尺寸都没有显著的变化，因此有人认为变形是由于晶粒界面的滑移作用。在这种情况下，晶界就好象是晶体间的流动层一样参与变形，而晶粒发生移动和转动。晶粒越小，越接近于完全无序的或非晶体的流动状态。

有人对超塑性材料（晶粒度在2.9μ以上的）用Al2O3抛光粉在某些方向划成细纹，在超塑性变形过程中，各晶粒内刻痕发生相对位移，并伴随着晶粒的转动，同时发现晶内划线并未弯曲，仍保持着直线状态（图），表明有晶界滑移、晶粒转动和晶界迁移等现象。

(3) 位错运动理论

   超塑性流动实际上与层流是有区别的，滑移并不能在不伴有一些晶内变形的情况下连续产生于所有晶界。因此有人认为沿晶粒之间发生的晶界滑移，在受到晶界上的突出物阻碍时，继续进行下去就会产生局部区域的应力集中，当应力超过一定值时就会产生位错运动而使应力松弛，使晶粒继续滑移。位错越过晶粒而塞积于晶界又阻止其再产生，晶界滑移即行停止。塞积前端的位错能在晶内滑移或沿晶界作攀移运动，至消失为止。然后再产生新的位错，使晶界滑移继续进行。这种位错的产生、滑移、攀移与消失，构成了超塑性变形。

  上述理论与假说，只能在一定条件下及在一定程度上解释实验结果的一个方面，都不能作出全面的满意的解释。比较一致的看法是超塑性变形过程不是单一的机理起作用，而是以晶界滑移为主的三种机理综合作用的结果。