超塑成形技术在航空中的应用

杨磊

【摘 要】超塑性成型技术利用超塑性材料在特定稳定和应变速率下可达到较大变形量的特性，能够在一次成型过程中成型难成型材料和含复杂结构细节的零部件，成型后的零件性能较好，能够较大的减少生产费用和达到良好的减重效果。本文介绍了超塑性成型技术在航空中的应用，为后续开展相关研究做了基本的铺垫。

【关键词】超塑性；航空；应用

1 超塑成形技术

超塑性是指材料在一定的温度范围内或一定的组织条件下，以很低的应变速率进行变形时不发生宏观颈缩，表现出抗力小和应变大的特性。其材料的本构关系可用Norton-Hoff公式定义：

式中：

？滓：等效应力，一般采用von Mises等效应力；

K：材料性能参数；

m：应变速率敏感系数；

n：材料硬化系数。

一般的，上式可以在不考虑超塑性材料的硬化性能（即n=0）的情况下简化为：

简化后需确定的材料性能参数为K和m。以上两个参数一般通过以下公式计算得到：

一般的，超塑性有以下特性：

——在断裂前的大变形；

——在低应力水平下的低变形速率。

超塑性是由晶界滑动、晶内位错运动及扩散运动等多种极值组合共同实现的[4]，已经在金属材料（尤其是铝合金和钛合金）、金属间化合物和陶瓷材料等材料中实现。超塑成型技术（SuperPlastic Forming，SPF）利用材料的超塑性来成形零件，可用来制造具有较好力学性能的复杂大变形零件。作为一种近净成形技术，在航空、航天、交通和医疗等领域获得了广泛的应用。

在实际应用中，气压成形是最能体现超塑成形全部特点的一种新工艺，适用于用板材加工制造复杂形状的空心零件。通常采用超塑性气压胀形来制造难变形材料复杂零部件。与常规方法相比，可减轻构件重量，显著降低制造成本，目前在航空航天等领域有着广泛的应用。然而，超塑性气压胀形加工的时间长，零件在高温下的变形过程十分复杂，容易出现孔洞、壁厚分布不均匀、晶粒长大等缺陷[5]。

2 超塑成型技术的优势与劣势

2.1 超塑性成型技术的优势

超塑性成形技术对复杂零件的制造有其非常明显的优势。它可在一次成形过程中获得具有如加强细筋等结构细节的零件，具有较高的成型性能和良好的设计适应性（图 1），最终成型的零件具有较高的外形精度，回弹量小，几乎无残余应力，且可在大幅降低零件加工次数的同时减少装配结构的零件数。

B737登机门采用Al7475铝合金制造，如图 2所示。在采用超塑性成型技术来制造该登机门后，与传统装配技术相比，超塑性成型技术由于一体化成型从而大幅度减少了功能件安装，减少了75%的装配费用[13]。

超塑性下的低水平应力可以用来成型在常规加工方式难以加工的硬材料。该技术还可与扩散焊接工艺（Diffusion Bonding，DB）相结合，该方法称为超塑性成型-扩散焊工艺（SPF-DB），可用来实现较多零部件集合而成的复杂零件，如图3所示。

2.2 超塑成型技术的劣势

为能采用超塑成型技术，需要成型材料本身具有较高的应变速率敏感系数。为满足以上要求，材料一般需要晶粒大小小于10？滋m，同时具有较为稳定的等晶轴结构。这些微观条件在大部分材料中都不满足，需要通过一定的热加工处理或其他工艺方式处理来得到，这些处理常常会增加材料的成本和降低材料的经济性[8]。

超塑性成型技术能够获得较大变形量的最终成型零件，其成型过程限制在较小的参数范围内，主要是应变速率和温度的要求。为了获得所需超塑性性能，在成型过程中应变速率被控制在m>0.3的范围下，一般为小于10-3s-1，从而使得成型时间较传统加工方法大为增加。

除了将应变速率控制在所需范围内外，还需要配合合适的成型温度（图4）。一般超塑性成型所要求的成型温度在50%～75%的绝对融化温度，在该温度下一般需要复杂的温度控制和设备冷却系统，同时还需要有保护性气体来解决氧化問题。

超塑性材料没有加工硬化效应，如果用一般常规方法拉深，其效果还不如一般的金属冲压。因此，要提高超塑性材料的拉深性能，必须采用特殊的拉深方法[7]。

以上的劣势一般通过减少加工和装配的费用及极大的降低装配件的数量来补偿。

3 超塑成形技术在航空中的应用

在航空工业中，一般对年批量50～1000件左右的零件采用超塑性成型技术较为经济[2]。

民机中的超塑性成型零件典型的有机翼口盖、尾椎舱和维修口盖等。

美国的远程战斗机B-1B的机翼上下壁板蒙皮采用超塑性成型技术中的蠕变老化成型方式（Creep age forming， CAF），该机翼蒙皮长15.2m，在靠近翼根内端宽2.7m，厚度从内向外由63.5mm逐渐过渡到2.5mm[6]。

A380飞机的机翼蒙皮用AA7055铝合金制造，长度为33m，最宽的地方为2.8mm，且为双曲率气动表面，如图5所示[6]。

Boyer总结了航空工业中的钛合金使用情况[10]。钛合金由于其较好的比强度和优秀的抗腐蚀性能，是航空业中常用的超塑性材料。Ti6Al4V是其中最常用的材料，它的晶粒大小约在8？滋m，常用超塑性成型温度为900～920℃。在上世纪90年代后期，日本NKK公司开发了称为SP700的钛合金，其成型温度降低至760℃。所示的B757飞机舱门下限位角原来采用Ti6Al4V，在2000年时选用了SP700[11]。

Hefti系统展示了超塑性技术SPF和SPF-DB技术在美国部分飞机上的应用[14]。该方面技术早期的应用主要在军用飞机上。图9所示为F-15E飞机上应用SPF和SPF-DB技术所生产的部分零部件，这也是SPF-DB技术首次应用于飞机主要结构件上。通过采用超塑性相关成型技术，F-15E飞机实现了15%的成本缩减和44%的减重效果。endprint

在民机方面，B737飞机APU舱门（参见图2）采用SPF技术，将部件数量由31个降为6个（降低81%），紧固件数量从237个减至137，减少42%。反推腹板采用SPF技术，将镍合金改为超塑性钛合金材料，达到了减重40%、节省费用17%的效果，同时该方案将零部件数量从32个减少至3个（缩减91%），紧固件数量从816个降低至596个（降低了27%）[14]。

随着研究的深入和技术的发展，SPF技术在航空方面的应用越来越多。采用SPF-DB技术成型的融合式翼梢小翼，费用节省23%，减重效果达到38%[14]。

【参考文献】

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[5]刘洁，何耀民.超塑性气压胀形有限元模拟.塑性工程学报，第15卷第3期，56-60，2008年.

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[10]R.R. Boyer. "An overview on the use of titanium in the aerospace industry，"Materials Science and Engineering A213 （1996） 103-114.

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[13]S. Hori， M. Tokzane and N. Furushiro， Superplasticity in Advanced Materials （ICSAM-91）， Osaka： JSRS， 1991.

[14]Larry D. Hefti. Using Superplastic Forming as a Means of Achieving Cost Benefits as Well as Enhancing Aircraft Performance. In "High performance metallic materials for cost sensitive applications"， edited by F. H. Froes， E. Chen， R.R. Boyer et al.， 2002.

[责任编辑：张涛]endprint