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摘要：介紹了超塑性模鍛的實質及工藝過程；列舉了超塑性模鍛的應用現狀及模具材料；闡述了超塑性模鍛工藝的特點和優點。
關鍵詞：超塑性模鍛；應用；特點；優點

一、引言

隨著航空宇航工業的迅速發展及外向型經濟日益擴大，模鍛件質量及成本的競爭愈來愈激烈。超塑性模鍛是近幾年中發展起來的一種少無切削和精密成形技術的鍛造新工藝。它利用金屬材料的超塑特性使毛坯成形，得到形狀復雜及尺寸較精確的鍛件。

近年來，高溫合金和鈦合金的使用不斷增加，這些合金的特點是：流變抗力高，可塑性低，具有不均勻變形所引起機械性能各向異性的敏感性，難于機械加工及成本高昂。如采用普通熱變形鍛造工藝時，機械加工的金屬損耗達80%左右，往往不能滿足航空零件所需的機械性能；但是采用超塑性模鍛方法，就能改變過去肥頭大耳的落后鍛造工藝。

金屬材料的超塑性是指金屬在特定條件(晶粒細化，極低的變形速度及等溫變形)下，能夠具有比一般條件下更大的塑性。如一般塑性較好的低碳鋼拉伸時延伸率只有30%～40%，塑性好的有色金屬也只有60%～70%，但超塑性狀態，一般認為塑性差的金屬延伸率在100%～200%范圍內，塑性好的金屬延伸率在500%～2000%范圍內。

二、超塑性模鍛的工藝過程［1，8］

超塑性模鍛工藝過程如下：首先將合金在接近正常再結晶溫度下進行熱變形(擠壓、軋制或鍛造等)以獲得超細的晶粒組織；然后在超塑溫度下，在預熱的模具中模鍛成所需的形狀；最后對鍛件進行熱處理，以恢復合金的高強度狀態。

根據超塑性存在條件，超塑性模鍛要求坯料在成形過程中保持恒溫，即將模具和變形合金加熱到同樣溫度的一種鍛造工藝。

圖1兩種模鍛工藝的比較
(a)普通模鍛 (b)超塑性模鍛
1.毛坯 2.鍛件

圖1表示用普通模鍛和超塑性模鍛獲得同一渦輪盤鍛件(鈦合金)的工藝比較。表1列出了兩種模鍛方法的主要工藝參數的比較。

表1兩種模鍛工藝的比較(鈦合金渦輪盤鍛件)
工藝參數 普通模鍛 超塑性模鍛 毛坯加熱溫度(℃) 940 940 模具加熱溫度(℃) 480 940 變形速度(mm/s) 12.7～42.3 0.025 平均單位壓力(MPa) 500～583 117 模鍛時工序次數 4 1

根據超塑性條件，超塑性模鍛要求成形速度比較低(若模鍛精密的零件，則速度應選得更低些)。可以采用可調速慢速液壓機，使工件變形時速度逐漸減慢，以便得到良好的充滿性。超塑性模鍛的實踐表明，模鍛一件成品大約需要2～8min，類似于蠕變模鍛。

三、超塑性模鍛的應用現狀［1，2，3，8］

各種零件的超塑性模鍛介紹如下：

(1)美國用超塑性模鍛制造Ti-6Al-6V-2Sn鈦合金的飛機大梁。此合金在普通模鍛時由于鍛造溫度范圍較窄，隨著變形溫度的下降，變形抗力急增，很難模鍛。但采用超塑性模鍛就很容易成形，其模鍛工藝參數如下：平面毛坯的鈦合金加熱到980℃，在精鑄的MAR-M200合金模具中進行等溫模鍛，變形速度0.04mm/s，成形時間為3～5min，模鍛總壓力2670kN。

(2)美國用超塑性模鍛Ti-6Al-6V-2Sn鈦合金起落架前輪，使該合金既能顯著降低變形抗力，又能鍛成精確的形狀。其模鍛工藝參數如下：帶孔的圓毛坯鈦合金加熱到980℃，在精鑄的MAR-M200合金模具中進行等溫模鍛，變形速度為0.04mm/s，成形時間為5～8min。模鍛時平均單位壓力為114MPa。為防止在模鍛過程中鍛件的氧化，應采用氬氣保護。

(3)美國鋁業公司用超塑性模鍛Ti-6Al-4V鈦合金框架加強板和支承底座機件。該合金是在950℃下進行超塑性模鍛。框架加強板的投影面積為10320mm2，超塑性模鍛后鍛件重量為0.32kg，加強肋的最小壁厚3.17mm，而普通模鍛件重3.63kg。支承底座機件的投影面積為13545mm2，超塑性模鍛后鍛件的重量為0.82kg，最小厚度2.67mm，而普通模鍛件重6.36kg。

(4)美國國家宇航局用超塑性模鍛TAZ-8A高溫合金的渦輪葉片。TAZ-8A是美國近年來發展的一種新型鑄造合金，無可鍛性，輕微鍛造就要破裂，而采用超塑性卻模鍛出渦輪葉片。模鍛工藝參數如下：把直徑Φ25.4mm的細晶粒圓坯料加熱到1093℃，在加熱的模具中進行等溫模鍛，一次變形量就可達75%。模具材料是TZM鉬基鑄造高溫合金。

(5)俄羅斯航空動力研究所用超塑性模鍛法對BT9鈦合金壓氣機葉片進行多件模鍛。將鈦合金毛坯Φ38mm×205mm加熱到960℃，在10000kN油壓機上進行等溫變形，變形速度為1.5mm/s，平均單位壓力為300～320MPa。模具材料為ЖC6-KП鎳基鑄造合金。用ЭBT-24型號玻璃潤滑劑。鍛后的多件模鍛坯在切邊壓力機上進行切邊分離工序。

(6)俄羅斯用超塑性模鍛ЖC6-KП合金導向葉片。該材料是一種鑄造合金，經過熱靜液壓后，獲得均勻的細晶粒組織。拉伸試驗表明，該合金在1075℃～1125℃之間具有超塑性，最大延伸率可達500%。用1000kN油壓機進行導向葉片的超塑性模鍛，模具和坯料的加熱溫度均為1100℃，變形速度為1～2mm/s。模鍛總壓力為250kN，平均單位壓力為150MPa。葉片表面質量良好，沒有裂紋或其它缺陷。

(7)美國Wyman-Gordon公司用超塑性模鍛飛機水平安定面連桿、艙隔及軸承支座。艙隔尺寸為560mm×610mm，普通模鍛時，艙隔鍛件重量為150kg，而超塑性模鍛件重30kg。用普通模鍛軸承支座的重量為54kg，超塑性模鍛件重21kg。

四、超塑性模鍛用的模具材料［7，8］

高溫合金和鈦合金的超塑性溫度范圍大多在800℃以上，因此超塑性模鍛對模具材料必需具有如下要求：

(1)較高的高溫強度；
(2)高的耐磨性和一定的高溫硬度；
(3)優良的耐熱疲勞性和抗氧化性能；
(4)適當的沖擊韌性；
(5)較好的淬透性和導熱性。

目前生產上大多采用鎳基鑄造高溫合金：如IN-100、MAR-M200、ЖC6-KП等，也有采用鉬基合金TZM，但當工作溫度超過500℃時，由于鉬的氧化皮較嚴重，因此需采用氬氣保護。

五、超塑性模鍛工藝的特點及優點［4，5，6，8］

從上述所舉的許多模鍛件可知，超塑性模鍛工藝具有如下的4大特點：

(1)顯著提高金屬材料的塑性。例如過去認為不能變形的IN-100，ЖC6-KП及Astroloy等鑄造鎳基合金，也可以使之具有超塑性，并且能模鍛尺寸精確的渦輪盤、葉片，甚至帶葉片的整體渦輪。

(2)極大地降低金屬的流變抗力。在超塑性狀態下，金屬的流變抗力很低。一般超塑性模鍛的總壓力只是相當于普通模鍛的幾分之一到幾十分之一。因此在噸位較小的鍛造設備上可模鍛較大的工件。

(3)金屬的超塑性能使形狀復雜、薄壁、高肋的鍛件在一次模鍛中鍛成。而普通模鍛高強度合金時，則需要多次鍛打，甚至很難鍛成。這樣既能減少加熱次數及節約燃料，又可消除在多次加熱中所形成的表面氧化缺陷。例如普通模鍛時鍛件缺陷的表面厚度為0.25mm或更大，而超塑性模鍛為0.05mm。

(4)在超塑性模鍛過程中，金屬繼續保持均勻細小的晶粒組織。因此在產品整體上有均勻的機械性能。由于超塑性成形后金屬晶粒仍為等軸晶，所以機械性能各向同性。但在普通模鍛時呈各向異性，而使工件的橫向疲勞性能和斷裂韌性有所降低。

由于超塑性模鍛工藝的特性，從而使鍛件得出如下6個優點：

(1)精度高在超塑性狀態變形時，因合金的流動性高，故充填性良好，模鍛后尺寸精密，機械加工量很小，甚至可不再加工，這對很難機械加工的高溫合金和鈦合金鍛件特別有利。兩種模鍛工藝參數的比較見表2所示。

表2兩種模鍛工藝參數的比較
工藝參數 普通模鍛 超塑性模鍛
模鍛斜度(°) 5 0～1 外圓角半徑(mm) 22 10 內圓角半徑(mm) 10
3.3 鍛不足量(mm) 0.76～3.3 0～1
錯移(mm) 1.27 0.51 歪曲(mm) 1.52 0.38 長度及寬度公差(mm) ±1.0 ±0.38 肋的厚度(mm) 12.7 2.5～3.2

(2)機械性能高由于鍛件所獲得的是均勻細晶粒組織，并呈各向同性，使合金的屈服強度、低頻疲勞及抗應力腐蝕性能都有顯著提高。
(3)材料利用率高由于這種工藝具有超塑的特性，使這種工藝參數有很大的變化。據資料統計，超塑性模鍛與普通模鍛相比，金屬消耗降低一半以上。
(4)模具壽命高由于所鍛材料的流變抗力顯著降低，能延長模具的使用壽命，減少模具損耗，降低成本。
(5)廢品率低未充滿的鍛件可重新進行超塑性模鍛，而不影響合金的性能，從而大大減少廢品率。
(6)無殘余應力由于在極慢的速度下進行塑性變形，使鍛件中不存在殘余應力和冷加工儲備能，故無回彈問題，在熱處理時尺寸穩定，這點對鈦合金極為有利。

六、結束語

在航空高溫合金及鈦合金零件的生產中，采用超塑性模鍛工藝，在技術和經濟上明顯優于常規模鍛工藝。它提高了產品質量和合格率、減少了機械加工工時、節約材料及基本設備投資，達到降低鍛件成本的目的。超塑性模鍛工藝特別適合于形狀復雜、帶孔或臺階形狀零件的成形。該工藝是一種很有發展前途的新工藝。

參考文獻
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Машиностроение，1979.
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Москва:Маши-ностроение，1986.
［5］Семендий В И，и др.Прогрессивные технология，оборудование и автоматизация кузнечноштамповочного производства камаза．Москва

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