钛合金舵体超塑成形_扩散连接工艺研究

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超塑性成形资料

1.1超塑性的概念超塑性是指材料在特定条件下，表现出异常高的塑性而不产生缩颈与断裂的现象。

但至今还没有从物理本质上确实切定义。

有的以拉伸试验的延伸率来定义，认为 >200%即为超塑性；有的以应变速率敏感性指数m来定义，认为m>0.3，即为超塑性；还有的认为抗颈缩能力大，即为超塑性。

1.2超塑性的分类根据目前世界上各国学者研究的成果，按照实现超塑性的条件〔组织，温度，应力状态等〕可将超塑性分为三类：1.微晶组织超塑性〔即恒温超塑性或构造超塑性〕一般所指超塑性多属这类，它是国内外研究最多的一种。

当材料是微细的等轴晶粒组织，间距为0.5一5μm，温度大于该材料熔点温度的一半，应变速度为10-4一10-1/s之间时，材料拉伸断裂将呈现超塑性变形的能力。

2.相变超塑性〔变温超塑性或动态超塑性〕将材料在相变温度附近进展热循环，利用相变过程，每一次热循环奉献一小的应变，从而在屡次热循环过程中获得大的延伸率。

3.内应力超塑性和相变超塑性一样进展热循环，利用材料的热膨胀系数的差异产生内应力，内应将有助于基体的塑性流动，从而使材料获得超塑性。

1.3超塑性的特点金属塑性成形时宏观变形有几个特点:大延伸、无缩颈、小应力、易成形。

〔1〕大变形：超塑性材料在单向时延伸率极高，有的可以到8000%说明超塑性材料在变形稳定性方面要比普通材料好很多。

这样使材料的成形性能大大改善，可以使许多形状复杂，一般难以成形的材料变形成为可能。

〔2〕无紧缩：超塑性材料的变形类似于粘性物质的流动，没有〔或很小〕应变硬化效应，但对应变速率敏感，当变形速度增大，材料会强化。

因此，超塑性材料变形时初期有紧缩形成，但由于紧缩部位变形速度增大而发生局部强化，而其余未强化局部继续变形，这样使紧缩传播出去，结果获得巨大的宏观均匀变形。

超塑性的无紧缩是指宏观上的变形结果，并非真的没有紧缩。

〔3〕小应力：超塑性材料在变形过程中，变形抗力可以很小，因为它具有粘性或半粘性流动的特点。

第二章扩散焊

工件为普通材料，其熔焊、钎焊的焊接性均较好。但因其结构复杂，用熔焊有困难，用钎焊时也会因钎料流布不均匀或因钎料流失而造成结构性能恶化，此时采用扩散焊就可获得满意的结果。
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一、工件待焊表面的制备和清理
1．表面机加工
2．除油污和表面侵蚀
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二、中间层材料的选择
中间层的作用是：
改善表面接触，从而降低对待焊表面制备质量的要求，降低所需的焊接压力。 2) 改善扩散条件，加速扩散过程，从而可降低焊接温度，缩短焊接时间。 3) 改善冶金反应，避免（或减少）形成脆性金属间化合物和不希望有的共晶组织。 4) 避免或减少因被焊材料之间物理化学性能差异过大所引起的问题，如热应力过大，出现扩散孔洞等。
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三、热等静压扩散焊设备
Nhomakorabea
1-电热器 2-炉衬 3-隔热层 4-电源引线 5-惰性气体管道 6-安全阀组件 7-真空管道 8-冷却管 9-热电耦
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第五节扩散焊接头质量及检验
扩散焊工艺过程较易控制，重复性好。
生产中主要靠控制工艺过程中各参数来保证质量，同时采用随机抽样进行金相检查，并配以超声等无损检测手段，但到目前为止，还无十分可靠的非破坏性检测手段
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二、异种材料扩散焊
异种材料扩散焊是指异种金属或金属与陶瓷，
石墨等非金属的扩散焊。进行这种类型的扩散焊时，可能出现下列现象： 1由于膨胀系数不同而在结合面上出现热应力。 2在结合面上由于冶金反应而产生低熔点共晶组织或者形成脆性金属间化合物。 3由于扩散系数不同而在接头中形成扩散孔洞。 4由于两种金属的电化学性能不同，接头易出 9 现电化学腐蚀
度、漏气率均会影响扩散焊接头质量．常用保护气体是氩气，常用真空度为(10 ～20) X 10-3Pa．

化学与国防论文

浅析钛合金在军事上的应用摘要：军用新材料是新一代武器装备的物质基础，也是当今世界军事领域的关键技术。

而军用新材料技术则是用于军事领域的新材料技术，是现代精良武器装备的关键，是军用高技术的重要组成部分。

钛合金具有超塑性的功能特点，一直是军事工业中应用广泛的金属结构材料，是武器轻量化理想的轻质结构材料。

关键词：军用新材料钛合金军事工业一、军用新材料在军事领域的地位军用新材料是军用高技术的基础，谁能更快地开发和应用具有特定性能的新材料，谁就拥有最强大的技术潜力。

因此世界各国军事部门都把军用新材料的研究开发放在特殊的地位，各国的军用高技术计划无不以新材料作为其重要的内容之一。

当前新材料的发展重点是具有优异性能的结构材料和具有特殊功能的功能材料。

结构材料包括金属材料和复合材料。

二、钛合金的现状和发展钛元素发现于1789年，1908年挪威和美国开始用硫酸法生产钛白，1910年在试验室中第一次用钠法制得海绵钛，1948年美国杜邦公司(DUPONT)才用镁法成吨生产海绵钛，这标志着海绵钛即钛工业化生产的开始。

反应过程如下：TiO2+Cl2→TiCl4TiCl4+Mg→Ti钛合金具有较高的抗拉强度（441~1470兆帕），较低的密度（4.5g/cm3），优良的抗腐蚀性能和在300~550o C温度下有一定的高温持久强度和很好的低温冲击韧性，是一种理想的轻质结构材料。

钛合金具有超塑性的功能特点，采用超塑成形－扩散连接技术，可以以很少的能量消耗和材料消耗将合金制成形状复杂和尺寸精密的制品。

钛合金在航空工业中的应用主要是制作飞机的机身结构件、起落架、支撑梁、发动机压气机盘、叶片和接头等；在航天工业中，钛合金主要用来制作承力构件、框架、气瓶、压力容器、涡轮泵壳、固体火箭发动机壳体及喷管等零部件。

50年代初，在一些军用飞机上开始使用工业纯钛制造后机身的隔热板、机尾罩、减速板等结构件；60年代，钛合金在飞机结构上的应用扩大到襟翼滑轧、承力隔框、起落架梁等主要受力结构中；70年代以来，钛合金在军用飞机和发动机中的用量迅速增加，从战斗机扩大到军用大型轰炸机和运输机，它在F14和F15飞机上的用量占结构重量的25%，在F100和TF39发动机上的用量分别达到25%和33%；80年代以后，钛合金材料和工艺技术达到了进一步发展，一架B1B飞机需要90402公斤钛材。

超塑性固态焊接研究进展

固态焊接是在低于材料熔化温度和一定的压力
作用下，使相互接触的材料表面紧密接触，并通过原
性焊接、超塑性扩散焊接、超塑性摩擦焊接等新技术已经成为研究的热点，一些以超塑性固态连接为基
础的新工艺，如超塑成形／扩散连接组合技术（ＳＰＦ／
中图分类号：ＴＧ４５７．１１文献标志码：Ａ
ＲｅｓｅａｒｃｈＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＳｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃＳｏｌｉｄ — ｓｔａｔｅＷｅｌｄｉｎｇＳＯＮＧＸｉａｏｂｏ，ＤＵＳｕｉｇｅｎｇ，ＪＩＡＮＧＺｈｅ
ｗｅｒｅａｌｓｏｒｅｖｉｅｗｅｄ，ｔｈｅｃｏｍｍｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃｓｏｌｉｄ — ｓｔａｔｅｗｅｌｄｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｗｅｒｅｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏ — ｐｉｎｇｔｒｅｎｄｓｏｆｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃｓｏｌｉｄ — ｓｔａｔｅｗｅｌｄｉｎｇｗｅｒｅｆｏｒｅｃａｓｔｅｄ．Ｉｔｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｆｕｒｔｈｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ

超塑性与超塑成形

超塑性或恒温超塑性，也称为微细晶粒超塑性或第一类超塑性。一般超塑性多属于此类，其特点是具有微细的等轴晶粒（常指
１０ｕｍ以下）组织、在一定温度区间（不低于０．５Ｔｍ）和一定应变速率（１０一～１０～ｓ）下呈现超塑性。
（１）接４．２节（ｂ）之后
（ｃ）如果已经知道钢箔的碳扩散系数的表达式（它应当是温度和碳浓度的函数），那么测定系数值的工作就会更为简捷。
过程如下：
①按２节所述，用传统方法进行钢箔渗碳试验，并用精密天平测定出钢箔的最终平均含碳量（试验值）； ②按３节所述，在预先设定系数值和碳扩散系数的表达式的情况下，用数值计算法模拟上述的钢箔试验过程并计算出钢箔的最终平均含碳量（计算值）； ③根据优选法程序可知，当（计算值）与（试验值）最接近时所对应的系数的最佳设定值，正是我们所要测定的碳传递系
超塑性（Ｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ）是材料在特定条件下的一种特殊现象。具有超塑性的材料能伸长若干倍、几十倍甚至上百倍，不出
现缩颈，也不会断裂。目前超塑性可定义为多晶体材料在断裂之前，表现出均匀大延伸率（断后伸长率）的能力，通常延伸率超过２００％。超塑性现象早在２０世纪２０年代已发现，７０年代超塑性成形技术开始进人工业应用。现已发现除了常见的一些合金、高温合金、Ａｌ合金和Ｍｇ合金外，很多新材料如纳米材料（电沉积Ｎｉ基纳米复合材料）、超细晶陶瓷材料、 — Ａ１金属问化合物Ｎｂ．ｓｉ — Ｆｅ耐熔合金、大块非晶等等均有超塑性现象。至今，超塑成形技术的应用范围不断扩大，从早期的航空航天领域日益扩展到汽车、高速列车、建筑、电子等行业。根据实现超塑性的条件（组织、温度、应力状态等），超塑性可分为以下几种：组织

钛合金在飞机上的应用_杨健

NEW OBSERVATION新观察航空制造技术２００６年第１１期当今要求航空材料具有质轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、抗氧化和加工成形性好等良好的综合性能，既要保证飞机机体和发动机零件在受力、高温、腐蚀和其他作用条件下有较强的工作能力，又要使飞机达到高的技术品质。

钛合金由于比强度高、耐腐蚀、耐热等良好的综合性能和结构效益高而被广泛用于航空领域，多用于制造航空发动机中要求强度高与耐热性好的重要零部件和飞机机体结构件，尤其适用于大马赫数飞行的飞机。

随着航空工业的进一步发展，钛合金在飞机上的使用将越来越多。

随着飞机更新换代的加速，对飞机性能要求不断提高，而飞机性能的改进首先需要从材料入手，既要选用先进材料来降低机体重量，又要考虑材料的可靠性和经济性。

基于这样的背景需求，铝合金在飞机上应用的主导地位开始被削弱，逐渐被满足高性能要求的新材料所代替，其中，钛合金为飞机设计者所青睐。

机承力构件。

通过添加Ｓｉ元素使该合金在中温保持较高强度，优于Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ。

该合金板材可在室温下进行超塑性成形，是Ｆ－２２战斗机的主要材料，用于制造飞机下部龙骨翼弦锻件。

固溶时效后拉伸强度可达１２００ＭＰａ，屈服强度１１００ＭＰａ，拉伸及压缩模量比Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ高８％，裂纹扩展速率与高纯Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金相当，固溶处理后的成形性比退火态好，成为最佳选用材料。

Ｔｉ－１０Ｖ－２Ｆｅ－３Ａｉ（ＴＢ６）是２０世纪７０年代后期发展的一种高强、高韧近β型钛合金。

该合金具有比强度高、断裂韧性好、淬透面积大、各向异性小、锻造性能好和抗腐蚀能力强等优点，兼有亚稳β钛合金的诸多优点而不丧失α－β钛合金的固溶特性，能满足损伤容限设计需要和高结构效益、高可靠性及低成本要求，最高工作温度３２０℃。

该合金主要产品有棒材、锻件、厚板和型材，用于制造飞机机身、机翼和起落架结构钛合金锻件，包括梁、框、短舱接头、襟翼滑轨等。

在不考虑刚度的情况下，用该目前，国内外军民机上应用的典型钛合金有：Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ（ＴＣ４）是２０世纪６０年代初期研制的一种中等强度α－β型钛合金，具用优良的综合性能，誉称万能合金，是最早最广泛用于飞机结构的通用钛合金，包括板材、棒材和锻铸件等。

钛合金在航天飞行器上的应用和发展

关键词：钛合金；高强度；高韧性；粉末冶金；塑性成形超中图分类号：ＴＩ６２Ｇ４．３文献标识码：Ａ文章编号：１７６４—３６（０１００２０９２２１）６— ０８— ５
ＡｐｐｉａｉｎａｖｌｐｍｅｔｏｔｎｕｌｃｔｏｎｄＤｅｅｏｎｆＴｉａｉｍ
ａｒｓａｅｒｆｓｃｓｏｄｒｔｌｒｙｔｃｎｑｅａｄｓｐｒｌｔｒｎ／ｉｕｉｏｄｎｃｎｌ（Ｐ／Ｂ，ｅｏｐｃｃａ，ｕｈａｗｅａｕｇｈｉｕｎｕｅａｉｆｍｉｇｄｆｓｎｂｎｉｇｔｈｏｇＳＦＤ）ｌｐｍｅｌｅｐｓｅｏ，ｆｏｅｏｙ
以替代合金ＴＡ４。高强高韧钛合金Ｔ６２２的优良ｉ１Ｖ６ｉ２Ｓ２
力学性能使其在 × × 机和Ｆ２战斗机以及各种导弹上样２
得到广泛的应用。
收稿日期：２１０１—０３—０３通信作者：张绪虎，男，１６９６年生，研究员
了美国和俄罗斯的粉末冶金技术发展现状和我国粉末钛合金技术在多种型号产品研制中的应用情况。同时指出超塑成形／散扩连接新技术为克服钛合金成形昂贵又难以加工而受到限制的问题提供了新途径。
我国虽然开展高强钛合金的研究比较早，如在２０世纪６Ｏ年代初期北京有色金属研究院就研制出了

第四章扩散焊

4.3扩散焊工艺参数
图９-１５压力对接头弯曲强度的影响
4.3扩散焊工艺参数
3、焊接时间
又称保温时间，需要的保温时间与温度、压力、中间扩散层厚度、接头成分及组织均匀化要求密切相关，也受材料表面状态和中间层材料的影响。
4.3扩散焊工艺参数
图９-１３扩散连接时间对铜／钢接头性能的影响
4.3扩散焊工艺参数
4.5典型材料的扩散焊及其应用 4.5.4陶瓷扩散焊
陶瓷材料的扩散连接
１.陶瓷扩散连接的主要问题２.SiC陶瓷的扩散连接３.Al2O3陶瓷与金属的扩散连接
4.5典型材料的扩散焊及其应用
１.陶瓷扩散连接的主要问题
(１)界面存在很大的热应力陶瓷与陶瓷、陶瓷与金属材料连接时，由于陶瓷与金属的线膨胀系数差别很大，在扩散连接或使用过程中，加热和冷却时必然产生热应力，由于热应力的分布极不均匀，使接合界面产生应力集中，造成接头的承载性能下降。 (２)容易生成脆性化合物由于陶瓷与金属的物理化学性能差别很大，连接时除存在着键型转换以外，还容易发生各种化学反应，在界面生成各种碳化物、氮化物、硅化物、氧化物以及多元化合物。
图９-９典型结构的超塑性扩散连接 a)单层加强构件 b)双层加强结构 c)多层夹层结构(三层) 1—上模密封压板 2—超塑性成形板坯 3—加强板 4—下成形模具 5—超塑性成形件 6—外层超塑性成形板坯 7—不连接涂层区(钇基或氮化硼) 8—内层板坯 9—超塑性成形的两层结构件 10—中间层板坯
11—超塑性成形的三层结构件
4.5典型材料的扩散焊及其应用
陶瓷扩散连接的主要问题
(３)界面化合物很难进行定量分析在确定界面化合物时，由于一些轻元素(Ｃ、Ｎ、Ｂ等)的定量分析误差较大，需制备多种标准试件进行标定。 (４)缺少数值模拟的基本数据由于陶瓷和金属钎焊及扩散连接时，界面容易出现多层化合物，这些化合物层很薄，对接头性能影响很大。

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大学硕士学位论文
摘要
超塑成形/扩散连接（Superplastic forming/diffusion bonding，简称 SPF/DB）技术可以在一次成形过程中制造多层板复合整体结构，成形的多层板结构具有弯曲刚度大、承载稳定性高、表面和外形质量好、结构重量小以及良好的能量吸收和疲劳性能等优点，并且大大降低了生产成本，故目前已成为制造飞行器舵翼类零件的重要方法。然而，传统的超塑成形/扩散连接工艺存在着一系列问题，主要表现在：止焊剂涂敷困难、成形零件热暴露时间长及零件成品率低等。用激光焊接代替一部分扩散连接的方法能够解决传统工艺的不足，大大提高制件成品率及成形件的力学性能，因此开展激光焊接与超塑成形/扩散连接组合工艺的研究，具有重要意义。本文针对某 TC4 钛合金舵体零件进行深入的激光焊接、超塑成形/扩散连接的工艺研究，主要进行了如下研究：基于材料超塑成形和扩散连接的基本原理，结合相关理论，利用有限元软件 ABAQUS 对某 TC4 钛合金舵体的超塑成形过程进行了模拟，对构件的壁厚分布、应力情况做出了预测，获得了优化的等应变速率下的压力-时间曲线，为超塑成形/扩散连接工艺的气压加载提供了参考依据。在对钛合金舵体超塑成形过程进行模拟仿真分析基础上，研究了两层 0.6mm 厚的 TC4 钛合金板的激光穿透焊接工艺，确定了优化的焊接参数，并成功焊接了四层板结构的中间两层芯板。随后进行了四层结构的超塑成形/扩散连接工装准备，并进行了相关的超塑成形 /扩散连接试验，研制成功了合格的舵体样件。对舵体零件的质量检测表明：舵体零件外观形貌完好，内部加强筋完全直立，壁厚分布均匀，扩散连接区域的微观组织没有明显长大，总体焊合率达 95%以上。通过以上研究表明，本文采用的激光预焊芯板的超塑成形/扩散连接的新工艺是制造中空复合夹层结构的一种可行方法，能够解决传统超塑成形/扩散连接工艺中存在的诸多问题，具有很大优势及发展前景。关键词：TC4 钛合金舵体，激光焊接，超塑成形/扩散连接，多层结构，有限元模拟
中图分类号: TG457.19 学科分类号: 082503
论文编号：1028705 13-S225
硕士学位论文
钛合金舵体超塑成形/扩散连接工艺研究
研究生姓名学科、专业研究方向指导教师
王大刚航空宇航制造工程材料成形新技术张益华副教授
南京航空航天大学
研究生院机电学院
二〇一三年一月
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics The Graduate School College of Mechanical & Electrical Engineering
II
南京航空航天大学硕士学位论文
目录
第一章绪论 .......................................................................................................................................... 1 1.1 引言 ......................................................................................................................................... 1 1.2 超塑成形/扩散连接工艺基本理论......................................................................................... 2 1.2.1 超塑性成形技术........................................................................................................... 2 1.2.2 扩散连接技术............................................................................................................... 3 1.3 超塑成形/扩散连接工艺原理及研究进展............................................................................. 5 1.3.1 超塑成形/扩散连接工艺原理...................................................................................... 5 1.3.2 超塑成形/扩散连接工艺研究进展.............................................................................. 8 1.3.3 超塑成形/扩散连接技术发展趋势............................................................................ 10 1.4 钛合金激光焊接及超塑成形/焊接组合技术的研究进展 ................................................... 11 1.5 有限元法在超塑成形工艺中的应用 .................................................................................... 12 1.6 课题来源及主要研究内容.................................................................................................... 12 1.6.1 课题来源..................................................................................................................... 12 1.6.2 主要研究内容............................................................................................................. 13 第二章课题研究任务与总体研究方法............................................................................................. 14 2.1 课题研究任务........................................................................................................................ 14 2.2 实验材料 ............................................................................................................................... 14 2.3 总体实验方案........................................................................................................................ 15 2.4 实验设备 ............................................................................................................................... 16 2.4.1 激光焊接设备............................................................................................................. 16 2.4.2 拉伸实验设备............................................................................................................. 17 2.4.3 热成形设备................................................................................................................. 17 2.4.4 真空超塑成形/扩散连接设备.................................................................................... 18 2.4.5 超塑成形气压加载设备 ............................................................................................. 18 2.4.6 微观组织观测设备..................................................................................................... 19 2.5 实验结果分析........................................................................................................................ 19 第三章舵体内部筋条布置及芯板超塑性成形有限元模拟 ............................................................. 20 3.1 引言 ....................................................................................................................................... 20 3.2 舵体内部筋条布置方案........................................................................................................ 20