超塑性材料加工(plasticworkingofsuperplasticmetallicmaterials)

利用某些金屬材料所具有的超塑性(見金屬的超塑性)進行成形的金屬塑性加工。超塑性指金屬材料在一定條件下具有特大的變形能力和特小的變形抗力(流動應力)的性能。因此，超塑性成形的重要特點是可在較小的變形力下只需1～2道成形加工就能獲得形狀復雜的或薄壁的零部件；主要缺點是加工成形速度慢。超塑性成形主要用于加工薄壁的、形狀復雜的或其他成形方法很難加工的制品和一些飛行器用零部件。對超塑性材料除了可以進行薄板成形、鍛造、擠壓、拉延等普通方法成形外，還可以進行超塑性成形和擴散焊接等復合成形。

薄板超塑性成形它分氣壓成形(吹塑脹形)、真空成形及模壓成形，主要用于Zn-22％A1、Zn-5％Al、Al-6%Cu-0.5％Zr、鈦合金等的超塑性板料的成形。

氣壓成形法是一種特殊的吹塑脹形工藝，與利用機械法、液壓法或爆炸法實現的高壓高能的脹形不同，它是一種低壓(一般0.3～2MPa)、低能量消耗的一次可獲得大變形量的脹形技術。在此種脹形過程中，被成形金屬是自由的，摩擦損失很小。按照使用的模具結構不同，氣壓超塑性成形分為凸模成形法和凹模成形法。前者用于內表面尺寸精度高、形狀準確、深寬比較大、脫模困難的成形零件；后者用于外表面的尺寸精度高、形狀準確、深寬比較小、脫模較易的成形零件。

真空成形法是成形壓力只有0.1MPa的氣壓成形，它也分為凸模成形法和凹模成形法。

模壓成形法是把板料放在耦合模間的成形，它與一般沖壓不同的是成形溫度高，模壓的速度慢。

在超塑性薄板氣壓成形中，零件壁厚變薄不均勻的控制是關鍵。控制壁厚變薄不均勻的有效措施有：對模腔內的毛料先進行預反向成形后再進行正向成形；用不均勻加熱法在毛料上形成不同的溫度場，使變形困難部位的溫度高于變形容易部位的溫度；在毛料上預先涂一層厚度不同的易升華的物質，由于其受熱揮發的吸熱反應，在毛料上形成不均勻的溫度場；局部改變毛料的晶粒組織，即利用在超塑性條件下晶粒大小對金屬及合金的成形性能有明顯影響的特性，對毛料進行預成形；采用變厚度的毛料，使易變薄部位的毛料厚些，造成整個毛料在超塑成形過程中較均勻地變薄。

超塑性薄板成形可用于制作帶有各種浮雕的金屬工藝品、飛行器用薄壁球形容器及其他零部件、汽車外殼及車門內板、儀表及家用電器的外殼、底座、蓋板等。

超塑性模鍛及擠壓在最佳超塑性溫度和變形速度范圍內的等溫壓縮變形過程，又稱超塑性等溫模鍛及超塑性等溫擠壓。它們的優點是變形力低，僅是一般熱壓縮變形的幾分之一到幾十分之一；一次成形可獲得大變形量的、形狀復雜的零部件；成形零件內組織均勻、無殘余應力、質量好。等溫模鍛和等溫擠壓過程是在封閉的模具內進行的，為使金屬能充滿零件的精細或很薄的筋條和棱角，需要有相當時間的成形保壓過程。

具有超塑性的Zn-Al合金、鋁合金、銅合金、鈦合金等均可采用以上的超塑性壓縮成形制造各種用途的零部件及模具，如對鈦合金進行超塑性模鍛，制造渦輪盤、葉片等飛行器及兵器用零部件，對鍛鋁合金進行一次超塑性等溫擠壓，制造自行車整體軸皮，對Zn-22％Al合金進行超塑性等溫擠壓，制造三維型面的塑料成形模、形狀復雜的沖裁凹模等。

超塑性拉延在超塑性變形溫度及變形速度下的拉延過程。在常規的拉延中，單次拉延的最大杯深和杯直徑的比值(極限拉延比)約0.75，而超塑性拉延時達11以上，可得到相當常規拉延比約15倍的杯形件。

超塑性拉延時，除了如Sn-37％Pb合金等常溫下具有超塑性的材料外，均需施加徑向輔助推力(由高壓油產生)作用在毛料的周邊，把材料推向中心，這時凸模的作用是引導材料流入凹模，而拉延筒壁的作用很小，這樣就克服了在拉延過程中零件筒壁的破裂問題，使拉延順利進行。對高溫超塑性材料如Zn-22％Al合金等，通常采用差溫拉延法，它使毛料凸緣部位處在超塑性溫度下變形，與凸緣接觸部位的材料受冷卻強化，在整個拉延件的徑向上形成溫度梯度，使主要變形部位的材料處在超塑性溫度下，而筒壁部位保持接近常溫狀態，這樣大大地改善了超塑性材料的拉延變形，使之獲得比非超塑性材料大得多的拉延比。

無模拉拔利用超塑性材料對溫度及應變速率的敏感性，對變形部位的材料進行局部加熱，使之處在超塑溫度下被拉拔成形。超塑性無模拉拔時，將被加工的超塑性材料的一端固定，另一端加載荷，中間設有可移動的感應線圈，當線圈通電時，材料被加熱處在超塑性狀態下，通過控制線圈移動速度V₁與工件的拉拔速度V₂，可制造出指定斷面的棒材、管材等。在拉拔變形過程中，工件的斷面收縮率φ(％)為：

φ=100V₁/(V₁+V₂)

超塑性成形一擴散焊接包括先進行超塑性成形后進行擴散焊接、先進行擴散焊接后進行超塑性成形或兩者同時進行的組合成形技術。超塑性成形是金屬材料在超塑性溫度及變形速度下的加工成形。擴散焊接是指固態擴散連接。對于同種或非同種金屬或金屬與非金屬材料，利用高溫下材料貼緊的表面上發生的互擴散作用，產生原子量級的結合，從而取得連接表面牢固結合的整體件的加工技術。超塑性成形一擴散焊接技術已在生產航空航天飛行器零部件等方面獲得應用。