超塑性成形与扩散连接技术PPT课件
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3.扩散连接
用这种新的热加工方法可以制造钛合金 薄壁复杂结构件（飞机大型壁板、翼梁、舱 门、发动机叶片），并已经在航天、航空领 域得到应用，如波音747飞机上有70多个 钛合金结构件就是应用这种方法制造的。用 这种方法制成的结构件，与常规方法相比质 量小，刚度大，可减轻质量30％，降低成 本50％，提高加工效率20倍.
特点
无铸造组织，无熔焊缺陷；实现难焊材料的 连接；精度高，变形小；可进行大面积板及圆 柱的连接；采用中间层可减少残余应力。 无法进行连续式批量生产；时间长，成本高； 接合表面要求严格；投资大，工件尺寸受到限 制。 2014-2-16 2
扩散连接可以分为直接扩散连接和添加中间层的 扩散连接； 从是否产生液相角度又可分为固相扩散连接和液 相扩散连接； 从连接环境上，还可分为真空扩散连接和保护气 氛环境下的扩散连接。
扩 散 连 接
diffusion bonding
扩散连接特别适合异种金属材料、陶瓷、 金属间化合物、非晶态及单晶合金等新材料 的接合 广泛应用于航空、航天、仪表及电子等 国防部门，并逐步扩展到机械、化工及汽车 制造等领域
定义
相互接触的材料表面，在高温和压力的作用 下，被连接表面相互靠近，局部发生塑性变形， 原子间产生相互扩散，在界面形成了新的扩散 层，从而形成可靠连接的接头。
扩散连接一般在真空、不活性气体（Ar、 N2）或大气气氛环境下进行。一般来说， 真空扩散连接的接头强度高于在不活性气 体和空气中连接的接头强度。计算和实验 结果表明，真空室内的真空度在常用的规 范范围内（1.33～1.33×10-3Pa），就 足以保证连接表面达到一定的清洁度，从 而确保实现可靠连接。
5
(2)接触表面激活阶段 不同材料的原子在 高温下相互扩散，晶 界发生迁移及微小孔 洞消失，在界面形成 不连续的结合层。
扩散连接原理
d异类材料加中间扩散层为了加速连接过程降低对连接表面加工精度的要求防止连接异种材料时产主低熔点共晶液相和脆性中间金属间化合物等不利的冶金反应减少或消除因线膨胀差异引起的残余应力采取在被连接材料之间加人另一种材料的方法如图7一2cd所示
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焊接成型原理
长春工业大学材料科学与工程学院 课件制作：徐世伟 指导教师：刘耀东
但由于实际的材料表面不可能完全平整和清洁，因而 实际的扩散连接过程要比上述过程复杂得多。固体金属的 表面结构如图7一4所示，除在微观上表面呈凹凸不平外， 最外层表面还有0.2～0.3nm的气体吸附层，主要是水 蒸气、氧、CO2和H2S。在吸附层之下为3 ～4nm厚的 氧化层，是由氧化物的水化物、氢氧化物和碳酸盐等组成。 在氧化层之下是1 ～10μm的变形层。
5)扩散连接可与母材的热处理和超塑性成型过程同时 进行;
6)借助适当的方法，可以在低于母材再结晶温度下进 行扩散连接，因而经过加工的母材的性能连接后也几乎没 有损失。
7)可连接结构复杂、厚薄相差悬殊、精度要求高 的各种工件，以及有封闭性连接要求的工件，如蜂窝 夹芯板等;
但由于扩散连接要求被连接材料表面加工精度高、 并能均匀加压，因而，生产率较低，加之所用设备较 贵，使其应用范围受到一定限制。
我国在20世纪50年代末期才开始对扩散连接方法进 行研究，70年代又开始了专用扩散焊机的开发。目前， 大型超高真空扩散焊机、钛一陶瓷静电加速管和钛合金飞 机构件等产品的试制成功，标志着我国扩散连接己发展到 一个较高的水平。但在研究的深度和应用广度上与发达国 家相比仍有较大的差距。
Contents
§7.2 固相扩散连接
温度和压力的作用主要是:使连接表面微观凸起处产 生塑性变形而增大紧密接触面积，激活原子之间的扩散。
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焊接成型原理
长春工业大学材料科学与工程学院 课件制作：徐世伟 指导教师：刘耀东
但由于实际的材料表面不可能完全平整和清洁，因而 实际的扩散连接过程要比上述过程复杂得多。固体金属的 表面结构如图7一4所示，除在微观上表面呈凹凸不平外， 最外层表面还有0.2～0.3nm的气体吸附层，主要是水 蒸气、氧、CO2和H2S。在吸附层之下为3 ～4nm厚的 氧化层，是由氧化物的水化物、氢氧化物和碳酸盐等组成。 在氧化层之下是1 ～10μm的变形层。
5)扩散连接可与母材的热处理和超塑性成型过程同时 进行;
6)借助适当的方法，可以在低于母材再结晶温度下进 行扩散连接，因而经过加工的母材的性能连接后也几乎没 有损失。
7)可连接结构复杂、厚薄相差悬殊、精度要求高 的各种工件，以及有封闭性连接要求的工件，如蜂窝 夹芯板等;
但由于扩散连接要求被连接材料表面加工精度高、 并能均匀加压，因而，生产率较低，加之所用设备较 贵，使其应用范围受到一定限制。
我国在20世纪50年代末期才开始对扩散连接方法进 行研究，70年代又开始了专用扩散焊机的开发。目前， 大型超高真空扩散焊机、钛一陶瓷静电加速管和钛合金飞 机构件等产品的试制成功，标志着我国扩散连接己发展到 一个较高的水平。但在研究的深度和应用广度上与发达国 家相比仍有较大的差距。
Contents
§7.2 固相扩散连接
温度和压力的作用主要是:使连接表面微观凸起处产 生塑性变形而增大紧密接触面积，激活原子之间的扩散。
4.超塑成形_扩散焊接组合工艺的技术概况与应用
超塑成形/扩散焊接组合工艺的技术概况与应用李 枫,陈明和,范 平,王荣华,朱丽瑛,周兆峰(南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016)摘 要:介绍了超塑材料的发展,概述了超塑成形、扩散焊接及其组合工艺的原理和特点,并指出了此种加工工艺的优缺点。
用超塑等温锻造、板材气胀成形和超塑挤压等超塑成形方法以及用超塑成形/扩散焊接组合工艺方法的国内外应用实例。
展望了超塑性的发展趋势,指出应开发新型的超塑性材料,探索已知材料的低温和高速超塑成形工艺,进一步拓展超塑性的应用领域。
关键词:超塑性;超塑性成形;扩散焊接;应用中图分类号:T G301 文献标志码:A 超塑成形(SPF)和超塑成形/扩散焊接组合工艺(SPF/DB)技术,在现代航空航天工业发展的推动下,经过近40年的开发研究和实验验证,已经进入实用阶段[1]。
特别值得注意的是,近十几年来金属超塑性已在工业生产领域获得了较为广泛的应用。
一些超塑性Ti合金、Al合金、Mg合金以及黑色金属等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[223]。
下面分别对超塑性材料发展; SPF和SPF/DB的技术特点;其应用现状及发展趋势四方面加以论述。
1 超塑性材料的发展超塑性材料是超塑成形和扩散焊接技术发展的基础。
到目前为止,已发现200多种金属和合金具有超塑性,不过可用于实际生产的只有少数材料,以钛合金、铝合金和镁合金3种材料为主。
正是由于超塑成形的生产优点明显,所以各国都极为重视超塑性材料的发展。
表1列出了目前已得到应用的常用铝合金和钛合金超塑性材料[425]。
钛合金是最早得到应用的超塑性材料,其技术相对成熟,也是目前应用最广泛的材料。
主要合金有Ti26Al24V、IM I550、IM I834、TiAl和GH4169等材料。
近年来,铝合金是继钛合金之后超塑研究的又一热点之一。
超塑性成形与扩散连接技术
提高产品质量和可靠性 降低生产成本和能耗 促进新产品的开发和上市 增强企业竞争力和市场地位
汇报人：XX
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智能化：通过引入人工智能、机器学 习等技术，实现超塑性成形与扩散连 接技术的智能化控制，提高生产效率 和产品质量。
绿色化：在环保意识日益增强的背景 下，超塑性成形与扩散连接技术将向 更加环保、绿色的方向发展，减少对 环境的负面影响。
航空航天领域：超塑性成形与扩散连接技术将进一步提高航空航天器的性能和可靠性。
比较：超塑性成形对材料的要求更为严 格，需要材料具备较好的塑性变形能力， 而扩散连接对材料的要求相对较为宽松。
应用范围：超塑性成形适用于轻质、薄 壁、复杂结构件的制作，而扩散连接适 用于金属、陶瓷、玻璃等材料的连接。
优点：超塑性成形与扩散连接技术能够提高材料成形极限，减少成形缺陷，提高产品质量。
缺点：超塑性成形与扩散连接技术需要较高的温度和压力，对设备要求较高，同时需要严格控制工艺参数，否则 容易造成成形失败或产品质量问题。
材料的热膨胀系数、弹性模量、 热导率等物理性能也是扩散连 接的重要考虑因素。
扩散连接对材料的要求包括材 料的纯净度、晶粒度、表面光 洁度等。
材料的厚度、形状、尺寸等 也会影响扩散连接的效果。
材料的可加工性、可焊性、可 连接性等也是扩散连接需要考
虑的因素。
航空航天领域：连接不同材料，提 高结构强度和疲劳性能
比较：超塑性成形与扩散连接技术在不同应用场景下各有优缺点，需要根据具体情况进行选择。
应用：超塑性成形与扩散连接技术在航空航天、汽车、精密机械等领域有广泛应用。
轻量化：超塑性成形与扩散连接技 术将向更轻、更薄的方向发展，以 满足现代工业对节能减排的需求。
超塑性的研究与发展精品PPT课件
processing in 1928.
In 1934, Pearson dramatically demonstrated, using a Bi-Sn sample that had been deformed to nearly 2000% and then coiled (as shown in Figure 2.4), that unusually large elongations could be achieved in certain fine-structured, twophase materials.
11
2 超塑性研究的发展概况
2.1 Before 1962
✓Work in the Soviet Union was underway to specifically address the phenomenon,
and Bochvar and Sviderskaya coined the term sverhplastichnost (ultrahigh plasticity)
3
一、超塑性的研究与发展
4
内容提要
1 超塑性的概念 2 超塑性研究的发展概况 3 超塑性的分类 4 超塑性成形的优点与问题 5 超塑成形应用实例
5
1 超塑性的概念
塑性：
是金属的重要属性之一，它指的是金属在外力作用下，无损而永久地改变形状的能力[1]。
超塑性：
（1）金属和合金在特定组织结构和变形温度速度条件下，可以呈现异常高的塑性，延伸率可 达百分之几百，甚至达百分之一千或二千以上，变形抗力也很小，这种现象称为超塑性[1]。
金属特种加工理论与技术
金属超塑性成形理论与技术
（16课时）
金属的超塑性变形PPT课件
金属的超塑性变形PPT 课件
目 录
• 引言 • 金属的超塑性变形概述 • 金属的超塑性变形机理 • 超塑性变形工艺 • 超塑性变形的影响因素 • 超塑性变形的应用实例 • 未来展望与研究方向
引言
01
主题简介
金属的超塑性变形是一种特殊的 材料行为，指金属在特定条件下
展现出极高的塑性变形能力。
这种能力使得金属在变形过程中 不会引发断裂或过多的能量耗散。
超塑性变形在金属加工、制造和 材料科学等领域具有广泛的应用
前景。
目的和意义
了解超塑性变形的原理和机制，有助于更好地应用这种材料行为，优化金属制品的 性能。
研究超塑性变形有助于推动材料科学的发展，为新材料的研发和应用提供理论支持。
通过深入探讨超塑性变形的机理，可以揭示金属材料的内在特性，为金属加工和制 造提供新的思路和方法。
织结构和性能。
应用
广泛应用于钛合金、铝合金、镁 合金等轻质合金的加工和性能优
化。
超塑性变形的影响因
05
素
材料成分与组织
材料成分
超塑性变形的性能与金属材料的成分密切相关。例如，某些合金元素可以提高超 塑性变形的稳定性和延伸率。
组织结构
材料的微观组织结构对超塑性变形行为具有显著影响。细晶、孪晶、相变等结构 特征可以增强超塑性变形能力。
应力状态的影响
超塑性变形通常在较低的应力状态下进行，这有助于材料在变形过程中保持较 好的延展性。
温度的影响
超塑性变形的温度范围通常较高，这有助于原子扩散和晶界滑移等过程，从而 促进材料的塑性变形。
超塑性变形工艺
04
热超塑性变形
定义
热超塑性变形是一种在高温下进行的塑性变形过程，金属 在特定的温度范围内表现出良好的延展性和低流变应力， 从而能够实现大塑性变形而不破裂。
目 录
• 引言 • 金属的超塑性变形概述 • 金属的超塑性变形机理 • 超塑性变形工艺 • 超塑性变形的影响因素 • 超塑性变形的应用实例 • 未来展望与研究方向
引言
01
主题简介
金属的超塑性变形是一种特殊的 材料行为，指金属在特定条件下
展现出极高的塑性变形能力。
这种能力使得金属在变形过程中 不会引发断裂或过多的能量耗散。
超塑性变形在金属加工、制造和 材料科学等领域具有广泛的应用
前景。
目的和意义
了解超塑性变形的原理和机制，有助于更好地应用这种材料行为，优化金属制品的 性能。
研究超塑性变形有助于推动材料科学的发展，为新材料的研发和应用提供理论支持。
通过深入探讨超塑性变形的机理，可以揭示金属材料的内在特性，为金属加工和制 造提供新的思路和方法。
织结构和性能。
应用
广泛应用于钛合金、铝合金、镁 合金等轻质合金的加工和性能优
化。
超塑性变形的影响因
05
素
材料成分与组织
材料成分
超塑性变形的性能与金属材料的成分密切相关。例如，某些合金元素可以提高超 塑性变形的稳定性和延伸率。
组织结构
材料的微观组织结构对超塑性变形行为具有显著影响。细晶、孪晶、相变等结构 特征可以增强超塑性变形能力。
应力状态的影响
超塑性变形通常在较低的应力状态下进行，这有助于材料在变形过程中保持较 好的延展性。
温度的影响
超塑性变形的温度范围通常较高，这有助于原子扩散和晶界滑移等过程，从而 促进材料的塑性变形。
超塑性变形工艺
04
热超塑性变形
定义
热超塑性变形是一种在高温下进行的塑性变形过程，金属 在特定的温度范围内表现出良好的延展性和低流变应力， 从而能够实现大塑性变形而不破裂。
超塑性成形与扩散连接技术PPT课件
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。
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。
· 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。
等温成形与超塑性成形PPT课件
造过程变形材料中常发生动态再结晶，从而使锻件中的组织呈均匀的等轴细晶形态。等温成形的零件尺寸
精度高，既节约了材料，又减少了加工工时。
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1）为防止毛坯的温度散失，等温锻造时模具 和 坯料要保持在相同的恒定温度下，这一温度是 介 于冷锻温度和热锻温度之间的一个中间温度。 2）考虑到材料在等温锻造时具有一定的粘性， 即应变速率敏感性，等温锻造的变形速度很低。
3. 变形时间长：延长变形第时22页间/共为64页金属的氧化和接触面扩
润滑剂应能满足下述要求：
1）在整个锻造过程中能在模具和毛坯间形成连续的润滑膜并具有低的摩擦系数； 2）对毛坯表面具有防护作用，防止氧化或吸收其它气体； 3）兼有脱模剂的作用； 4）不应与毛坯和模具发生化学反应； 5）易涂复和去除； 6）应为无毒，非易燃，非稀缺的。
第15页/共64页
第16页/共64页
第三节 等温锻造与超塑性成形的变形力计算 及设备选择 • 一、等温锻造与超塑性锻造的变形力
• 二、等温锻造与超塑性锻造的设备 第17页/共64页
一 等温锻造与超塑性锻造的变形力
• 等温锻造与超塑性锻造的变形力受坯 料组织状态、锻造温度、速度、方式、润 滑状况、锻件形状、复杂程度等诸多因素 影响。通常，采用下式估算变形力：
第12页/共64页
2.1 成形材料
采用等温锻造的常规材料包括钛合金、铝合金、镁 合金、合金钢等。等温锻造工艺规范的确定以材料 流动应力低、塑性高、氧化少为原则，并要兼顾到 模具材料的承受能力。材料在等温状态下的流动应 力受温度、应变和应变速率的影响，即具有应变硬 化特性，又具有应变速率强化特性，依材料品种、 成形温度和应变速率不同，上述两种特性彼此消长。 而材料的塑性也同样受上述因素的影响。
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四种焊接方法的区别：
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。
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。
THANK YOU
SUCCESS
2019/7/2
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。
超塑成形/扩散连接技术 (SPF／DB)
BY 机电123班31至39号学生来自 &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
&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。
·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。
扩散连接的特点：
①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。 ②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。 ③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。
THANK YOU
SUCCESS
2019/7/2
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。