CN111139413A - 提高超塑性成形件使用性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高超塑性成形件使用性能的方法。所述方法包括：(1)对合金材料进行处理使其具有超塑性；(2)将具有超塑性的合金材料加工成坯料；(3)坯料超塑性成形获得半成品；(4)直接等静压处理半成品获得成品零件，或者先对半成品进行机械加工再等静压处理获得成品零件，或者先对半成品等静压处理再进行机械加工获得成品零件。本发明通过等静压处理的方法提高超塑性成形件致密性，减小甚至消除超塑性成形过程中产生的空洞，显著提高超塑性成形零件的强度、韧性、疲劳寿命等力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高超塑性成形件使用性能的方法，属于金属塑性加工技术领域。
背景技术
超塑性成形技术一般是指将合金或陶瓷通过高温强时效、强应变轧制以及等通道角挤压等形变热处理后获得超细晶(晶粒尺寸小于10μm)组织，从而实现超塑性，然后利用材料的超塑性成形常温条件下无法成形的零件。超塑性成形技术广泛应用于航空航天、军事、通信、交通运输等领域，譬如，利用8090铝锂合金制造出了F-15B鹰战斗机的整流罩(尺寸为3.66m×406mm×305mm)；Ti-4.5Al-3V-2Fe-2Mo钛合金制作ISAS卫星上球形燃料箱[Sato,Eiichi,et al.Superplastic titanium tanks for propulsion system ofsatellites.Materials science forum.Vol.551.Trans Tech Publications,2007.]；工业AA5083铝合金制作高铁车头覆盖件[王国峰等.轨道交通用工业AA5083铝合金快速超塑性成形技术研究[J].塑性工程学报,2019,26(02):37-42.]；AZ80A镁合金制作汽车轮毂[李更新.镁合金汽车轮毂预制坯超塑性成形研究[J].锻压技术,2014,39(06):71-74.]；以及钛合金制作直升机上的撑杆、歼击机上的整体锻造钛接头锻件等。超塑性成形技术的应用能够减轻零件质量的同时提高其性能，简化工艺，降低加工成本，此外还具有能够精密成形形状复杂和结构特殊的零件等优点。
晶界滑移是超塑变形的重要机制，晶界滑移会引起局部应力集中，阻碍晶界滑移的进一步发生，当应力集中无法借助位错运动消除时，空洞就会形核，随着变形程度增加，空洞长大。因此空洞被认为是材料在高温下超塑性成形中普遍存在的组织变化。超塑性成形零件中空洞的存在，不仅造成其致密性的降低，最主要的是严重影响零件的机械性能，特别是强度和断裂韧性。
目前，防止超塑性成形件空洞产生的方法主要有：(1)降低成形加工温度。虽然降温抑制晶粒长大能够降低空洞的形成，但是温度降低将提高材料的屈服强度，降低了塑性韧性，造成超塑性成形时所需的外力提高，超塑性成形时延伸率达不到预期，形成开裂等缺陷。(2)添加合金元素。通过第二相元素在高温下对晶界和位错的钉扎，抑制热变形过程中再结晶的发生，从而减小空洞形成[Z Liang,Q pan et al.Effect of minor Sc and Zraddition on microstructures and mechanical properties of Al-Zn-Mg-Cualloys.Transactions of Nonferrous Metals Society of China17.2(2007):340-345.]。该方法存在着第二相元素改变材料本身的性质，同时限制可使用的合金种类问题。(3)优化工艺及模具。设计分步加工工艺，生产工艺复杂性提高，生产周期及加工成本都相应提高。优化模具结构的方式需要设计者有丰富的加工经验，而且需要通过多次试模，优化等工艺，增加了生产周期及成本。此外该方法只能减小空洞形成，无法完全消除。(4)在静水压力下超塑性成形[Bampton,C.C.et al.Control of superplastic cavitation byhydrostatic pressure.Metallurgical Transactions A 14.8(1983):1583-1591.]。静水压力会降低空洞形核和长大的速度，但该方法需要保证超塑加工在密闭空间进行，在高温超塑性成形的同时需要严格的高温密封，加工环境要求较高，而且适于该方法下的加工方法较少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高超塑性成形件使用性能的方法。该方法通过等静压的方法，减小或消除超塑性成形件空洞，提高超塑性成形件服役性能。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
提高超塑性成形件使用性能的方法，包括如下步骤：
(1)对合金材料进行处理使其具有超塑性；
(2)将具有超塑性的合金材料加工成坯料；
(3)坯料超塑性成形获得半成品；
(4)直接等静压处理半成品获得成品零件，或者先对半成品进行机械加工再等静压处理获得成品零件，或者先对半成品等静压处理再进行机械加工获得成品零件。
本发明所述的合金材料为本领域常规使用的合金材料，可以是钛合金，铝合金，镁合金，高温合金，钢，难熔合金，以及以上述合金为基体的复合材料等。
在本发明的具体实施方式中，采用的合金材料为Nb-Si-Fe难熔合金、5083铝合金和TC4钛合金。
本发明所述的对合金材料进行处理使其具有超塑性的方法为本领域常规使用的方法，包括大变形量冷热压力加工、热处理、合金化、快速凝固技术以及微细粉末烧结等。
本发明所述的具有超塑性的合金材料是指在断裂之前表现出均匀大延伸率的能力，通常延伸率超过200％的合金材料。
本发明所述的将具有超塑性的合金材料加工成坯料的方法为本领域常规使用的方法，包括焊接、线切割和离子溅射去除氧化膜等。
本发明所述的坯料超塑性成形方法为本领域常规使用的方法，包括超塑性精锻成形、超塑性板材气胀成形、超塑性挤压成形和超塑性拉拔成形等。
本发明所述的机械加工方法为本领域常规使用的方法，包括车、铣、刨、磨、钻、镗等。
本发明所述的等静压处理为本领域常规使用的方法，包括热等静压处理和冷等静压处理等。
在本发明的具体实施方式中，采用的合金材料为Nb-Si-Fe难熔合金时，采用热等静压处理，处理条件为：将半成品在1200℃～1500℃，100MPa压力下保压3～4h。
在本发明的具体实施方式中，采用的合金材料为5083铝合金，采用冷等静压处理，处理条件为：将半成品在由水、液压油及乳化液按比例混合得到的水乳液中进行冷等静压处理，压力120MPa，保温1h。
在本发明的具体实施方式中，采用的合金材料为TC4钛合金，采用热等静压处理，处理条件为：将半成品在氩气压力100～140MPa下，加热至910℃，保温时间2～2.5h。
与现有的技术相比，本发明的优点在于：(1)降低或消除超塑性成形件的空洞，超塑性成形件抗拉强度增加25％左右，屈服强度增加30％左右；(2)提高超塑性成形件致密性，有利于提升产品安全性及可靠性，其中抗磨损能力提高20％左右，疲劳寿命提升30％左右；(3)本发明方法可加工的成形件包括超塑性精锻成形件、超塑性气胀成形件、超塑性拉拔成形件、超塑性挤压成形件等，适用的材料种类更广，降低了设备要求。
附图说明
图1是实施例1的挤压零件示意图。
图2是实施例3的单波膨胀节加工示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作详细说明。
实施例1：Nb-Si-Fe难熔合金超塑性挤压成形+热等静压
步骤一、对合金材料进行特殊处理使其具有超塑性
通过机械合金化制备形状规则、细小的Nb-Si-Fe复合粉末，再通过热压烧结的方法在1500℃制备Nb-Si-Fe难熔合金，随炉冷却至100℃以下。
步骤二、将具有超塑性的合金材料加工成原始坯料
将步骤一得到的Nb-Si-Fe难熔合金机加工成直径20mm，高度130mm的圆柱坯料。
步骤三、对原始坯料进行超塑性成形
将步骤二得到的原始坯料放在加工模具中。模具和坯料一起放入真空热压炉中，加热到1600℃并保温10min后，以2mm/min速度开始挤压。经过塑性加工成形，随后取出成形的半成品。
步骤四、对半成品件进行热等静压处理
将步骤三得到的半成品件放在热等静压机中，在1200℃～1500℃，100MPa压力下保压3～4h后随炉冷却得到致密的零件。
与不进行等静压处理的Nb-Si-Fe难熔合金超塑性成形件相比，等静压处理后成形件抗拉强度增加22％，屈服强度增加26％，疲劳寿命提升30％。
实施例2：5083铝合金超塑性锻造成形+冷等静压
步骤一、对合金材料进行特殊处理使其具有超塑性
将5083铝合金加工成15mm×15mm×60mm的ECAP试样，放入两通道的内交角Φ＝120°、外接弧角Ψ＝20°的等径弯曲通道变形模具中，在300℃下进行挤压，挤压前保温0.5h，各道次挤压之间试样不旋转，进行8道次ECAP变形。
步骤二、将具有超塑性的合金材料加工成原始坯料
将步骤一得到的ECAP试样车削成直径14mm，高度5.5mm的圆柱形坯料。
步骤三、对原始坯料进行超塑性成形
将步骤二得到的圆柱坯坯料放在锻模中并固定，一起送入加热炉中加热到550℃，保温10min后，以应变速率4.17×10-4s-1进行锻造。最终锻造成形内径12mm，高度18mm，厚度1mm的杯形半成品零件。
步骤四、对半成品件进行冷等静压处理
将步骤三得到的杯形半成品件进行必要的表面处理后，在水、液压油(美孚535静压油)及乳化液(美孚WL32全能长寿乳化油)按比例混合得到的水乳液中进行冷等静压处理，压力120MPa，保温1h。得到最终零件。
与不进行等静压处理的5083铝合金超塑性成形件相比，等静压处理后成形件抗拉强度增加25％，屈服强度增加31％，疲劳寿命提升32％。
实施例3：TC4钛合金单波形膨胀节超塑性气胀成形+热等静压
步骤一、对合金材料进行特殊处理使其具有超塑性
将TC4板材送入加热炉中加热到950℃，保温半小时后，炉冷至100℃以下出炉。
步骤二、将具有超塑性的合金材料加工成原始坯料
将步骤一得到的板材切割成板坯尺寸为314mm×150mm，厚度为1.50mm，在剪板机上下料后，将板材在弯曲模中弯曲并固定，送入加热炉中加热到650℃，保温半小时后，炉冷至100℃以下出炉。随后将弯好的TC4板用等离子弧焊焊成圆筒。然后，对焊接变形进行矫正，最后获得外径是200mm的管坯。
步骤三、对原始坯料进行超塑性成形
将管坯和模具分别涂上高温抗氧化剂和石墨粉后装配到一起，焊上通气管后超塑性胀形。加热至927℃保温1小时后，充氩气至0.3MPa，保压30分钟，然后用压力机的压头开始缓慢往下压，同时继续加气压直到2.5MPa。当上中下模压靠后，继续加压至5MPa并保压10分钟，最后放掉氩气，抬起压力机。炉冷至室温出炉脱模。
步骤四、对半成品件进行热等静压处理
将步骤三得到的波形膨胀节车削至规定尺寸并喷砂去除内外表面的杂质。将波形膨胀节放在热等静压机中，氩气压力100～140MPa下，加热温度910℃，保温时间2～2.5h，随炉冷却到300℃以下出炉得到最终零件。
与不进行等静压处理的单波形膨胀节超塑性成形件相比，等静压处理后成形件抗拉强度增加26％，屈服强度增加25％，疲劳寿命提升28％。
Claims (10)
1.提高超塑性成形件使用性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对合金材料进行处理使其具有超塑性；
(2)将具有超塑性的合金材料加工成坯料；
(3)坯料超塑性成形获得半成品；
(4)直接等静压处理半成品获得成品零件，或者先对半成品进行机械加工再等静压处理获得成品零件，或者先对半成品等静压处理再进行机械加工获得成品零件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的合金材料为钛合金，铝合金，镁合金，高温合金，钢，难熔合金，或以上述合金为基体的复合材料。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的合金材料为Nb-Si-Fe难熔合金，5083铝合金或TC4钛合金。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的对合金材料进行处理使其具有超塑性的方法为大变形量冷热压力加工、热处理、合金化、快速凝固技术或微细粉末烧结。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的将具有超塑性的合金材料加工成坯料的方法为焊接、线切割或离子溅射去除氧化膜。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的坯料超塑性成形方法为超塑性精锻成形、超塑性板材气胀成形、超塑性挤压成形或超塑性拉拔成形。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的机械加工方法为车、铣、刨、磨、钻或镗；所述的等静压处理为热等静压处理或冷等静压处理。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用的合金材料为Nb-Si-Fe难熔合金时，采用热等静压处理，处理条件为：将半成品在1200℃～1500℃，100MPa压力下保压3～4h。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用的合金材料为5083铝合金，采用冷等静压处理，处理条件为：将半成品在由水、液压油及乳化液按比例混合得到的水乳液中进行冷等静压处理，压力120MPa，保温1h。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用的合金材料为TC4钛合金，采用热等静压处理，处理条件为：将半成品在氩气压力100～140MPa下，加热至910℃，保温时间2～2.5h。
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