超塑性材料加工(plastic working of superplastic metallic materials)

利用某些金属材料所具有的超塑性(见金属的超塑性)进行成形的金属塑性加工。超塑性指金属材料在一定条件下具有特大的变形能力和特小的变形抗力(流动应力)的性能。因此，超塑性成形的重要特点是可在较小的变形力下只需1～2道成形加工就能获得形状复杂的或薄壁的零部件；主要缺点是加工成形速度慢。超塑性成形主要用于加工薄壁的、形状复杂的或其他成形方法很难加工的制品和一些飞行器用零部件。对超塑性材料除了可以进行薄板成形、锻造、挤压、拉延等普通方法成形外，还可以进行超塑性成形和扩散焊接等复合成形。

薄板超塑性成形

薄板超塑性成形它分气压成形(吹塑胀形)、真空成形及模压成形，主要用于Zn-22％A1、Zn-5％Al、Al-6%Cu-0.5％Zr、钛合金等的超塑性板料的成形。

气压成形法  是一种特殊的吹塑胀形工艺，与利用机械法、液压法或爆炸法实现的高压高能的胀形不同，它是一种低压(一般0.3～2MPa)、低能量消耗的一次可获得大变形量的胀形技术。在此种胀形过程中，被成形金属是自由的，摩擦损失很小。按照使用的模具结构不同，气压超塑性成形分为凸模成形法和凹模成形法。前者用于内表面尺寸精度高、形状准确、深宽比较大、脱模困难的成形零件；后者用于外表面的尺寸精度高、形状准确、深宽比较小、脱模较易的成形零件。

真空成形法  是成形压力只有0.1MPa的气压成形，它也分为凸模成形法和凹模成形法。

模压成形法  是把板料放在耦合模间的成形，它与一般冲压不同的是成形温度高，模压的速度慢。

关键：在超塑性薄板气压成形中，零件壁厚变薄不均匀的控制是关键。

控制壁厚变薄不均匀的有效措施有：

1.对模腔内的毛料先进行预反向成形后再进行正向成形；

2.用不均匀加热法在毛料上形成不同的温度场，使变形困难部位的温度高于变形容易部位的温度；

3.在毛料上预先涂一层厚度不同的易升华的物质，由于其受热挥发的吸热反应，在毛料上形成不均匀的温度场；

4.局部改变毛料的晶粒组织，即利用在超塑性条件下晶粒大小对金属及合金的成形性能有明显影响的特性，对毛料进行预成形；

5.采用变厚度的毛料，使易变薄部位的毛料厚些，造成整个毛料在超塑成形过程中较均匀地变薄。

应用：超塑性薄板成形可用于制作带有各种浮雕的金属工艺品、飞行器用薄壁球形容器及其他零部件、汽车外壳及车门内板、仪表及家用电器的外壳、底座、盖板等。

超塑性模锻及挤压

在最佳超塑性温度和变形速度范围内的等温压缩变形过程，又称超塑性等温模锻及超塑性等温挤压。它们的优点是变形力低，仅是一般热压缩变形的几分之一到几十分之一；一次成形可获得大变形量的、形状复杂的零部件；成形零件内组织均匀、无残余应力、质量好。等温模锻和等温挤压过程是在封闭的模具内进行的，为使金属能充满零件的精细或很薄的筋条和棱角，需要有相当时间的成形保压过程。

具有超塑性的Zn-Al合金、铝合金、铜合金、钛合金等均可采用以上的超塑性压缩成形制造各种用途的零部件及模具，如对钛合金进行超塑性模锻，制造涡轮盘、叶片等飞行器及兵器用零部件，对锻铝合金进行一次超塑性等温挤压，制造自行车整体轴皮，对Zn-22％Al合金进行超塑性等温挤压，制造三维型面的塑料成形模、形状复杂的冲裁凹模等。

 超塑性拉延

 在超塑性变形温度及变形速度下的拉延过程。在常规的拉延中，单次拉延的最大杯深和杯直径的比值(极限拉延比)约0.75，而超塑性拉延时达11以上，可得到相当常规拉延比约15倍的杯形件。

超塑性拉延时，除了如Sn-37％Pb合金等常温下具有超塑性的材料外，均需施加径向辅助推力(由高压油产生)作用在毛料的周边，把材料推向中心，这时凸模的作用是引导材料流入凹模，而拉延筒壁的作用很小，这样就克服了在拉延过程中零件筒壁的破裂问题，使拉延顺利进行。对高温超塑性材料如Zn-22％Al合金等，通常采用差温拉延法，它使毛料凸缘部位处在超塑性温度下变形，与凸缘接触部位的材料受冷却强化，在整个拉延件的径向上形成温度梯度，使主要变形部位的材料处在超塑性温度下，而筒壁部位保持接近常温状态，这样大大地改善了超塑性材料的拉延变形，使之获得比非超塑性材料大得多的拉延比。

 无模拉拔

 利用超塑性材料对温度及应变速率的敏感性，对变形部位的材料进行局部加热，使之处在超塑温度下被拉拔成形。超塑性无模拉拔时，将被加工的超塑性材料的一端固定，另一端加载荷，中间设有可移动的感应线圈，当线圈通电时，材料被加热处在超塑性状态下，通过控制线圈移动速度V₁与工件的拉拔速度V₂，可制造出指定断面的棒材、管材等。在拉拔变形过程中，工件的断面收缩率φ(％)为：

φ=100V₁/(V₁+V₂)

超塑性成形一扩散焊接 包括先进行超塑性成形后进行扩散焊接、先进行扩散焊接后进行超塑性成形或两者同时进行的组合成形技术。超塑性成形是金属材料在超塑性温度及变形速度下的加工成形。扩散焊接是指固态扩散连接。对于同种或非同种金属或金属与非金属材料，利用高温下材料贴紧的表面上发生的互扩散作用，产生原子量级的结合，从而取得连接表面牢固结合的整体件的加工技术。超塑性成形一扩散焊接技术已在生产航空航天飞行器零部件等方面获得应用。