超塑成形扩散连接组合技术研究进展

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超塑成形/扩散连接组合技术研究进展一、SPF/DB概述超塑性（SPF）超塑性通常是指材料在拉伸条件下表现出异常高的延伸率也不产生缩颈与断裂现象。当延伸率大于100％时，即可称为超塑性。按照实现超塑性的条件和变形特点的不同，目前一般将超塑性分为以下几类：组织超塑性、相变超塑性和其他超塑性。实际生产中应用最广泛的是组织超塑性。获取这种超塑性一般要求材料具有均匀、细小的等轴晶粒和较好的热稳定性[1]。扩散连接（DB）扩散连接是把2个或Z个以上的固相材料(包括中间层材料)紧压在一起，置于真空或保护气氛中加热至母材熔点以下温度，对其施加压力使连接界面微观凸凹不平处产生微观塑性变形达到紧密接触，再经保温、原子相互扩散而形成牢固的冶金结合的一种连接方法。七、[1]通常把扩散连接分为3个阶段(见图1)：第一阶段为塑性变形使连接界面接触。在金属紧密接触后，原子开始相互扩散并交换电子，形成金属键连接。第二阶段为扩散、界面迁移和孔洞消失。连接界面的晶粒生长或再结晶以及晶界迁移，使金属键连接变成牢固的冶金连接。最后阶段为界面和孔洞消失。在这一阶段中主要是体积扩散，速度比较慢，通常需要几十分钟到几十小时才能使晶粒穿过界面生长，原始界面完全消失。图1扩散连接过程三阶段示意图超塑性/扩散连接（SPF/DB）SPF／DB工艺是把超塑成形与扩散连接相结合用于制造高精度大型零件的近无余量加工方法。当材料的超塑成形温度与该材料的扩散连接温度相近时，可以在1次加热、加压过程中完成超塑成形和扩散连接2道工序，从而制造出局部加强或整体加强的结构件以及构形复杂的整体结构件。如钛合金的超塑成形温度为850970℃，扩散连接温度为870～1280℃，由于在超塑成形温度下也可进行扩散连接，因此有可能把这2种工艺结合，在1次加热、加压过程中完成超塑成形和扩散连接2道工序。这种只需1次加热、加压过程的SPF／DB工艺常见于板料的吹胀成形和扩散连接。体积成形(如超塑性模锻)与扩散连接相结合的SPF／DB工艺往往需要将超塑成形和扩散连接分开进行，先超塑成形后再扩散连接或者先扩散连接后再超塑成形，视具体工艺情况而定[1]。二、SPF/DB技术原理 扩散连接的标准定义为：被连接的表面在不足以引起塑性变形的压力和低于被连接工件熔点的温度条件下，使接触面在形成或不形成液相状态下产生固态扩散而达到连接的方法。随着SPF／DB组合工艺应用的发展，扩散连接涵义又扩展为大变形／有限扩散的连接方法。用于SPF／DB组合工艺的扩散连接方法主要有三种：小变形固态扩散连接、过渡液相扩散连接和大变形／有限扩散连接。在扩散连接过程中应采用惰性保护气体或真空，以防止氧化层的形成和生长。对于常使用的钛合金而言，SPF和DB技术条件和工艺参数具有兼容性，因此有可能在构件研制中把两种工艺组合在一个温度循环中，同时实现成形和连接。钛合金SPF／DB构件主要有三种形式，如图2所示。图2钛合金SPF/DB构件的三种结构形式在采用SPF／DB组合工艺进行多层结构的生产中，可以先DB后SPF(DB／SPF)，也可以先SPF后DB(SPF仍B)。DB／SPF工艺过程中，构件的芯板结构由板面的止焊剂图案而定，构件生产可在一次加热循环中完成，也可分为两道工序。一道工序的特点是零件在生产过程中无需开模：两道工序则有以下优点：DB可用气压或机械压力，也可选用其他连接技术；SPF前可对DB质量进行检测；DB和SPF的温度可各自优化，气压更易控制；可同时连接几个部件，提高加工经济性。而在SPF／DB工艺过程中，首先根据构件加强要求形式涂止焊剂或焊接，然后外层板和芯板沿周边DB并气压成形，最后在超塑温度和压力条件下，完成芯板之间以及芯板和外层板之间的DB。该工艺的主要问题是辅助DB比主要DB困难，DB只能靠气压提供压力，另外，氩气中的杂质和经过SPF后脱落的止焊剂容易导致DB连接质量下降[5]。一、SPF/DB优点①可以使以往由许多零件经机械连接或焊接组装在一起的大构件成形为大型整体结构件，极大地减少了零件和工装数量，缩短了制造周期，降低了制造成本；②可以为设计人员提供更大的自由度，设计出更合理的结构，进一步提高结构承载效率，减轻结构件质量;③采用这种技术制造的结构件整体性好，材料在扩散连接后的界面完全消失，使整个结构成为一个整体，极大地提高了结构的抗疲劳和抗腐蚀特性；④材料在超塑成形过程中可承受很大的变形而不破裂，所以可成形很复杂的结构件，这是用常规的冷成形方法根本做不到或需多次成形方能实现的。二、SPF/DB发展趋势 目前，SPF和SPF／DB技术虽然已进入工程应用阶段，并已展示出巨大的技术经济效益，但钛合金超塑性应用领域仍以航空航天等军工业为主，与其他新兴技术一样，仍然需要不断开发其在其他工业领域中的应用。近年来，国内外超塑成形及扩散焊接研究发展趋势主要有如下几个方面[3]。1)增加超塑性材料品种，开发现有材料的超塑性。如Ti基复合材料(Ti-6Al一4V／TiB，Ti一6Al-4V／TiC)、金属间化合物(TiAI，Ti3A1)等材料超塑性的开发；纳米材料超塑性的实用化研究和高应变速率超塑性合金的研究。2)加强工艺过程控制，提高生产率。要加强计算机模拟研究，实现工艺参数和工序过程的自动化控制，提高产品的快速设计制造能力、生产效率和设备利用率。3)其他连接技术与SPF的组合工艺研究。如钛合金的超塑成形与缝焊组合工艺；铝锂合金超塑成形与搅拌摩擦焊的组合工艺等。4)深入研究超塑性变形规律，有效降低对超塑性变形时的苛刻要求，以便降低成形工艺要求和生产成本，提高生产效率和成形件的质量。已有报道表明亚细晶结构钛合金气胀成形时的成形温度可以低于700℃。5)由非承力结构向承力结构发展。20世纪70年代，美国洛克威尔公司首先将超塑成形和扩散连接技术相结合，发明了超塑成形／扩散连接组合技术(Superplasticforming／diffusionbonding，SPF／DB)。之后，英、法、德、前苏联和日本投入了大量人力和财力，相继开展这一技术研究。这种技术非常适合于加工复杂形状的零件，例如航空发动机上的风扇叶片、飞机机翼等。由于SPF／DB技术能够成形出形状复杂的整体零件，可减轻结构质量15％～40％，降低生产成本30％～50％，因此这项技术发展非常快，目前已从实验室阶段发展到实用化阶段。从用以替换现有的分离式铆接结构件，发展到整体的SPF／DB构件；从用于次承力构件，发展到用作主承力构件；在成形材料方面，从钛合金发展到了高强度铝合金、铝锂合金、金属基复合材料、金属间化合物、陶瓷；在毛坯形式方面，从钛、铝板材的SPF／DB，发展到板材与机加零件的扩散连接。我国于上世纪跟踪了这一先进技术。近年来，已研制出飞机风动泵舱门、框段、电瓶罩盖和发动机维护口盖等部件。图3所示为利用SPF／DB技术生产的发动机整流叶片形貌。同时，SPF和SPF／DB工艺也逐渐扩展至其它领域，如电讯产品、交通业、建筑业等方面。北京航空制造工程研究所在1999年和2002年曾2次举办包括材料超塑成形／扩散连接研究与应用的全国性会议，对SPF和SPF／DB在我国的应用起到了一定的推动作用[2]。 图3利用SPF/DB工艺制造的发动机整流罩形貌从20世纪60年代开始，由于超音速巡航飞机计划的刺激和推动，国外航空工业率先开展超塑成形技术研究。70年代早期，美国洛克威尔公司首先将超塑成形技术应用于飞机结构件制造中，使钛合金制造工艺发生了技术变革。随后，美国的BLATS计划将钛合金SPF、SPF／DB技术列为重点研究项目，在F一15战斗机后机身(整体框、梁、壁板等)和B—lB大型轰炸机的壁板舱门等重要构件研制中大量采用了超塑成形和超塑成形／扩散连接组合工艺。此后，由英国国防部投资的“战斗机验证计划”(EAP)中，BAe公司完成了先进SPF／DB结构制造和试验的研究项目，为EAP验证机提供了龙骨组件等多个部件。可以说，美、欧等等国的大型国防研究计划对于SPF、SPF／DB技术的发展起到了至关重要的作用，尤其近年来先进武器装备作战性能越来越高，促使钛合金超塑成形整体结构在飞机、发动机、导弹、舰艇等工业领域的应用不断扩大，显示出旺盛的生命力，在已获得的工程应用领域内产生了巨大的技术经济效益：F一15E后机身结构采用SPF／DB整体结构后，减少了726个零部（如图4所示)，并取消了10000多个紧固件；联合战斗机（JSF）的后缘襟翼和副翼、F一22后机身隔热板等重要结构均采用了钛合金超塑性成形／扩散连接的整体结构。 图4F-15E飞机后机身的SPF/DB整体结构在民用飞机结构制造方面，据统计．飞机结构重量中8％一10％以上的结构可以采用超塑成形整体结构。这些应用包括稳定性设计结构(肋、梁、框架、承压支柱)、复杂的多板式部件(壁板、固定托架和支撑架)、复杂壳体(管道、箱体、容器)气动面、检修口盖／舱门、发动机舱部件、发动机转子零件、热空气管道以及装饰壁板和生活设施等。图5为飞机上采用的部分SPF、SPF／DB结构，欧洲空中客车公司的A310、A320、A330／340制造中，采用超塑成形／扩散连接的钛合金两层超塑整体结构替代铝合金铆接结构后，取得了减重46％的效果；波音777发动机气动舱门采用了Ti6A14V的两层超塑整体结构，用以替代原来的Inconel625高温合金焊接结构，原来结构23个零件需要70h的装配时间，采用钛合金超塑两层整体结构后减少到2个零件，装配时间仅需6h，同时减重1．4kg。此外，NASA正在研究的高速民用运输机(HSCT)的机翼段和下部等结构也采用了SPF／DB结构件。 图5飞机上采用的部分SPF、SPF/DB构件在发动机领域，超塑成形／扩散连接组合工艺已经成为重要结构制造的关键T艺。作为大涵道比涡扇发动机的关键部件之一，钛合金宽弦空心风扇叶片是SPF／DB整体结构制造工艺的典型代表。英国罗·罗公司1984年开始率先采用SPF／DB技术研制钛合金宽弦无凸肩空心风扇叶片(剖面图及具体结构如图6所示)，其特点是利用桁架结构取代蜂窝结构，使叶片重量减轻了15％，大大改善了叶片的气动特性，于1995年和1996年先后将26片钛合金空心宽弦无凸肩风扇叶片应用到遄达700和遄达800发动机上。最近，空客A380飞机使用的遄达900发动机(如图7所示)，其一级风扇直径为295cm(116inch)，整个风扇部件包括24片采用弯掠设计的空心钛合金风扇叶片，大大改善了叶片的气动特性，在抗外来物损伤方面比早期的风扇叶片效率更高。 图6罗·罗公司开发的空心叶片的界面及其具体结构图7钛合金宽弦空心风扇叶片此外，近年来随着导弹轻量化、高强度要求的进一步升级，钛合金超塑成形，扩散连接整体结构制造技术引起了高度的关注。导弹弹体结构采用钛合金SPF/DB技术工艺后（见图8）可实现无余量结构制造，省去了大量机加工时间、紧固件和装配作业的时间。更为重要的是，SPF/DB工艺有利于整体成形出具有薄壁空心、形状复杂、光滑表面和气动外形流畅的导弹弹体结构，整体结构成形有利于最大限度地减少雷达散射截面。另外，采用钛合金超塑成形／扩散连接T艺制造的薄壁夹层空心结构还能有效实现埋入式结构的功能，在导弹弹体和动力装置一体化制造方面潜力巨大。 图8导弹筒体、舵翼面采用的SPF/DB结构一、SPF/DB主要科研机构进展二、SPF/DB产品主要生产厂家三、 参考文献[1]于卫新，李淼泉，胡一曲，等．材料超塑性和超塑成形／扩散连接技术及应用〔J〕．材料导报：综述篇，2009(6)：8—18[2]丁桦，张凯锋等．材料超塑性研究的现状与发展〔J〕．中国有色金属学报，2004(7)：1059—1072[3]李枫，陈明和，范平，王荣华，朱丽瑛，周兆峰，等．超塑成形／扩散焊接组合工艺的技术概况与应用〔J〕．新技术新工艺：综述篇，2008(4)：68—73[4]李志强，郭和平，等．超塑成形/扩散连接技术的应用进展和发展趋势〔J〕．航空制造技术，2010(8)：30—35[5]李志强，郭和平．超塑成形/扩散连接技术在航空航天工业中的应用〔C〕．//2004航空航天焊接国际论坛论文集．2004．271-278