超塑性成形与扩散连接技术

超塑成形 扩散连接技术 SPF DB BY机电123班31至39号学生 1 超塑成型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 1920年 Rosenhain等发现Zn 4Cu 7A1合金在低速弯曲时可以弯曲近180 而不出现裂纹 1934年英国的Pearson发现Pb Sn共晶合金在室温低速拉伸时可以得到2000 的延伸率 1945年前苏联的Bochvar等发现Zn Al共析合金具有异常高的延伸率并提出超塑性 这一名词 1964年美国的Backofen提出了应变速率敏感性指数m值 为超塑性研究奠定了基础 20世纪60年代后期及70年代 世界上形成了超塑性研究的高潮 超塑性板材气胀成形 等温锻造 超塑挤压及差温拉伸等 超塑成形技术 SPF 的应用范围已经发展到锌铝合金 铝合金 钛合金 铜合金 镁合金 镍基合金以及黑色金属材料 现又扩展到陶瓷材料 复合材料 金属间化合物等近几十年来金属超塑性已在工业生产领域中获得了较为广泛的应用 超塑性材料正以其优异的变形性能和材质均匀等特点在航空航天以及汽车的零部件生产 工艺品制造 仪器仪表壳罩件和一些复杂形状构件的生产中起到了不可替代的作用 2 扩散连接DB 扩散连接是在一定的温度和压力下 经过一定时间 连接界面原子间相互扩散 实现的可靠连接 可以进行内部及多点 大面积构件的连接 以及电弧可达性不好或用熔焊方法根本不能实现的连接 可成功连接用熔化焊和其他连接方法难以连接的材料 如弥散强化型合金 活性金属 耐热合金 陶瓷和复合材科等 特别适用于不同种类的金属 非金属及异种材料的连接 是一种高精密的连接方法 用这种方法连接后 工件不变形 可以实现机械加工后的精密装配连接 扩散连接的特点 1 熔化焊接是利用外加热源使焊件局部加热至熔化状态 一般还同时溶入填充金属 可加可不加 然后冷却结晶成一体的焊接方法 2 钎焊一般都需要加入填充金属 与熔化焊的另一个区别是焊件不需要加热至熔化 只需要把填充材料加热至溶化 然后利用焊件和填充金属的毛细作用形成焊缝 3 压力焊接一般不需要加入填充材料 一般称作焊料 在外加压力的作用下 使焊件发生明显的塑性变形 并且在电阻焊中 还利用电阻热使焊件局部熔化 冷却之后形成冶金作用的不可拆卸的焊接接头 4 扩散焊一般也不需要加入填充材料 两个焊接紧密贴合 在一定温度和压力的作用下 利用原子扩散的作用形成焊接接头 一般温度 压力 焊接时间 或者称扩散时间 以及表面粗糙度会影响扩散焊的效果 四种焊接方法的区别 3 超塑成形 扩散连接工艺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850 970 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 用于SPF DB的材料常为钛合金 如Ti一6Al一4V 钛合金SPF DB构件已得到了广泛应用 许多新兴航材如高强铝合金 铝锂合金 金属基复合材料 MMC 金属间化合物等的迅速发展和应用不断向SPF DB工艺提出了新的挑战 目前镍基合金 如Inconel718 金属间化合物 如Ti3A1 及颗粒增强的超塑性铝合金的SPF DB成形工艺正在研制之中 处于发展和试验阶段 图2所示为F 15型飞机的原装配式龙骨结构件 上有75个零件 1420个铆钉 需十几套模具 2套装配夹具 后改用SPF DB结构件 只需4个零件 71个连接件 2套模具 无需夹具 整个结构质量减轻25 总成本降低77 其中工具成本降低16 图3所示力F 15型飞机机身背部2块大型壁板 长3048mm 宽1143mm 图3 a 为原结构 是由蒙皮 隔框 桁条组成的典型结构 现改用sPF DB结构 只需4块sPF DB壁板 减少了9个隔框 10根桁条 150个零件和5000个铆钉 总质量减轻38 4 总成本降低53 4 图4 图5为SPF DB技术在其他飞行器上的典型应用 嚣灌一503 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 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 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