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1、超塑成形/扩散连接技术在航空航天的应用与进展现状06014211(南昌航空大学航空制造学院，南昌330063)摘要 大量的工程材料都具有超塑性，以材料超塑性为理论基础的超塑成形/扩散 连接技术是先进制造技术的一种，在航空航天等许多工业部门取得了愈来愈多的应用。 超塑成形/扩散连接(SPF / DB)技术关于现代和以后航空航天结构设计和制造有着重要 和深远的阻碍，被称为21世纪大型复杂构件的高效费比制造技术。分析了材料超塑性现象，超塑性变形机理研究进展。超塑成形/扩散连技术的理 论基础。和超塑成形/扩散连接复合工艺的技术优势、研究进展和应用现状，并展望了 超塑成形/扩散连接技术的进展趋势。关键词
2、超塑性超塑成形扩散连接超塑成形/扩散连接航空制造飞机前言 超塑成形(SPF)和扩散连接(DB)技术，在现代航空航天工业进展的推动下，通 过30连年的开发研究和验证实验，现已进入有历时期。SPF和SPF/DB技术已经成为推 动现代航空航天结构设计概念进展和冲破传统银金成形方式的先进制造技术，因此，该 技术的进展应用水平也已成为衡量一个国家航空航天生产能力和进展潜力的标志。SPF/DB技术的研究已开展30余年，20世纪70年代初至80年代初的10年是sPF / DB的开发研究和实验验证时期。SPF / DB从实验室小规模基础工艺研究和验证慢慢进 展到全尺寸零件的设计、制造和飞行实验。20世纪80年
3、代初至今是sPF/DB技术的生 产应用和深切进展时期，其间SPF/DB工艺的基础研究加倍深切，生产技术取得较大进 展皂1。SPF/DB技术制造出的飞行器整体结构件，不仅能知足设计上的要求，如质量轻、 刚性大；而且也能知足工艺上的要求，简化零件制造进程和构件的装配进程，缩短制造 周期、减少手工劳动量和降低本钱。另外，SPF / DB技术还能够制造空心结构件。SPF /DB技术在减轻飞行器质量、降低生产本钱方面显示出了庞大的优越性，日趋取得航空 航天工业的高度重视。目前 SPF/DB技术已普遍应用于飞机、航空发动机、导弹、航 天器等的生产中。世界要紧的飞机制造公司已成立起自己的SPF/DB生产能力
4、，同时还 涌现出大量SPF / DB专业化厂3 o1超塑性及超塑成形、扩散连接的理论与方式超塑性(Superplasticity, SP)超塑性一般是指材料在拉伸条件下表现出异样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。依如实现超塑性的条件和变形特点的不 同，目前一样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 产中应用最普遍的是组织超塑性。获取这种超塑性一样要求材料具有均匀、细小的等轴 晶粒和较好的热稳固性。国内外学者对超塑性变形机制的研究已有很多，其结果不尽相 同，但在一些方面上取得了普遍的共识。一样以为组织超塑性变形机制以晶界滑动和晶
5、 粒转动为主，但还要靠其他变形机制进行调剂。应变速度很小时(S曲线I区和I、H区 之间的过渡带)，以为是靠空位扩散机制来调剂。随着应变速度的增大，空位扩散机制 相对减弱，位错运动的调剂作用相对增强国。位错的存在必然伴随着动态答复和动态再结晶，这也是超塑性变形中的软化机制。 超塑性变形会使微观组织显现晶粒长大、晶粒等轴化和晶界圆弧化等现象，这是由于变形进程中存在着动态再结晶或晶界迁移和同相晶粒相聚与归并的进程。 品粒长大不单纯是加热的结果，而是与变形有关。适当提高变形速度，可抑制品粒长大 的偏向5o2超塑成形/扩散连接(SPF / DB)工艺的特点与研究进展研究发觉，超塑成形和扩散连接本身就存在
6、着紧密的联系。利用材料的超塑性可加 速扩散连接进程，专门是在具有最大超塑性的温度范围，扩散连接速度最高。这是因为: 在连接初期的变形时期，由于超塑性材料具有低流动应力的特点，因此塑性变形能迅速在连接界面周围发生；真正增进连接进程的是界面周围的 局部超塑性；超塑性材料通常具有细晶粒，大大增加了界面区的晶界密度和晶界扩散 的作用，显著加速了空洞和界面消失的进程国。SPF / DB技术的优势：能够使以往由许多零件经机械连接或焊接组装在一路的大 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 制造本钱；能够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
7、效率，减轻结构件质量;采纳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，使整个结组成为一个整体，极大地提高了 结构的抗疲劳和抗侵蚀特性；材料在超塑成形进程中可经受专门大的变形而不破裂，因此可成形很复杂的结构件，这是用常规的冷成形方式全然做不到或 需多次成形方能实现的。3航空航天超塑性材料的进展超塑性材料是sPF和sPF/DB技术进展的基础。到目前为止，已发觉200多种金属和 合金具有超塑性，但只有少数的合金具有生产利用价值，也正是由于这些材料的工业应 用价值，极大地增进了超塑性材料的进展。到目前为止，国外航空航天工业领域内超塑性铝合金和铝锂合金应用具有以下的进 展趋势：(1)
8、由低强非承力结构向高强承力结构进展；(2)由低应变速度合 金向高应变速度合金进展；(3)由高强铝合金向高比强度、高比刚度的铝锂合金进展； (4)由铝合金向铝基复合材料进展旦4超塑成形/扩散连接(SPF / DB)技术的应用超塑成形/扩散连接组合技术(SPF/DB)超级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。至今，SPF/DB技术已普遍应用于航空航天领域 并取得了显著的技术经济效益。美国已有多家公司具有生产钛合金SPF/DB结构件的能力，如麦道公司生产的sPF / DB结构件有100多个，诺斯诺普公司生产的28个F-18战斗机的SPF / DB结构件，罗 尔公司生产的
9、CF680发动机上也有7000个钛合金SPF或SPF / DB结构件。英国也是 世界上开展SPF / DB技术较早的国家，罗罗公司采纳SPF / DB技术研制出了第二代钛合 金宽弦无凸肩空心风扇叶片，处于世界领先地位。我国对SPF / DB技术的研究起步较晚，始于20世纪70年代末，至今已前后完成了构件名称结构特点主要经济指标基础工艺实验、典型构件研制、模具选材实验、性能测试、质量操纵与检测等方面的工 作，成功研制出某飞机风动泵舱门、隔框、电瓶箱罩盖、发动机保护舱盖、干扰弹导筒 等航空零件，并在铝合金SPF / DB和SPF / DB的数值模拟等方面取得了一系列重要研究 功效。我国自行研制的钛
10、合金装机结构件的应用实例见表lo国内外的研究均说明，用SPF/DB技术生产飞行器结构件与常规方式相较，可使结 构质量降低30%,本钱降低40%50%.5超塑成形/扩散连接(SPF / DB)技术的进展趋势SPF/DB技术尽管已进入工程应历时期，多用于航空航天领域，已展现出庞大的技 术经济效益，但在应用进程中仍然存在一些问题，需要不断进行深切研究和进展，开拓 新的应用领域。当前国内外的研究动态表现出如下进展趋势。1 .深切开展基础研究工作，增加专用的超塑性材料品种，开发觉有材料的超塑性。 SPF / DB技术对材料有着特殊的要求，材料是SPF / DB技术的基础，是研究该技术和拓 宽该技术应用范
11、围的前提条件。某机框锻件SPFDB工艺代替热成型工 艺减重先降低成本47%某机舱门SPFDB代替钏接件零件数 减少30,紧固件从840减少 至103减重15%降低成本53%某机电瓶罩钛合金SPFDB件代替不锈钢件减重47%降低成本50%某新型发动机维护口盖钛合金SPFDB件代替铝合 金钟接件减重先降低成本55%某机整段框框分为6段，全部用SPFDB减重12%降低成本30%表2 .优化SPF/DB工艺参数，增强工艺进程操纵，开展并进行研究，实现工 艺参数自动操纵和工序进程自动化经。3 .进展先进检测技术，成立靠得住的质量保证体系，提高检测精度，研制低本钱 检测技术，制定质量操纵程序和验收标准。4
12、 .新结构的开发应用研究，开展体积超塑性成形方式（如棒料的超塑性模锻、超 塑性挤压等）结合扩散连接的新型工艺研究。5 .研究原始晶粒度对超塑成形/扩散连接进程及组合工艺后工件微观组织和机械 性能的阻碍规律。6 .冲破铝合金和铝锂合金扩散连接技术，进一步研究其他先进材料的SPF/DB工 艺。小结目前，我国在SPF/DB技术上与发达国家相较存在着较大的差距，专门是在某些空心结构件的制造方面还存在一系列技术难题，严峻制约了我国高推重比航空发动 机的进展，因此急需对新型空心结构件的SPF / DB制造工艺进行深切 系统的研究。SPF和SPF / DB技术尽管在钛合金构件制造方面取得进展，但仅就航空航天
13、领域而言 还存在庞大的进展空间10。在技术推动和需求牵引的双重作用下，SPF和SPF/DB技 术在航空航天结构制造领域将会占据重腹地位，同时:新型材料的显现乂不断提出新的 挑战，亟待研究工作进一步深切和拓宽。参考文献1. Hefti L D. Advances in fabricating superplasticaily formed and diffusion bonded components for aerospace structures J. JMater Eng Perform, 2004, 13： 6782. Martin R, Evans D. Reducing costs
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