第二章-等温成形与超塑性成形

教学内容：等温与超塑性成形基础知识、超塑性成形的特点及设备选择、工艺实例分析。 教学目的：掌握等温与超塑性成形基本概念、基本原理， 掌握等温与超塑性成形特点及应用范围，初步掌握超塑性成形工艺规范及工艺方案制定。 教学重点：等温与超塑性成形工艺特点、超塑性成形工艺方案制定。 教学难点：等温与超塑性成形锻造力的计算、超塑性成形工艺方案制定。 教学手段：多媒体、板书和组织课程讨论相结合。 学时分配： 3.1超塑性成形的特点与适用范围 0.5学时 3.2等温与超塑性成形的材料与工艺规范 0.5学时 3.3等温与超塑性成形的变形力计算及设备选择 0.5学时 3.4 等温与超塑性成形的摩擦与润滑 0.5学时 3.5 等温与超塑性成形的成形工艺与应用 0.5学时 3.6 等温与超塑性成形的工艺实例 0.5学时,本章的基本情况,在常规成形条件下，一些较难成形的金属材料，如钛合金、铝合金、镁合金、镍合金、合金钢等，成形温度范围比较狭窄，流动性比较差，伸长率大多也不高。在锻造具有薄的腹板、高筋的零件件时，毛坯的热量迅速从模具散失，变形抗力很快增加，塑性急剧降低，不仅需要大幅度提高设备吨位，也易造成锻件开裂等缺陷。因此，不得不增加锻件厚度和机械加工余量，从而降低了材料利用率，提高了制件成本。在成形形状复杂的壳体零件时，往往需要较多的工序，在受到材料塑性限制时，成形就更加困难。,第一节 等温锻造与超塑性锻造的特点与应用,1 超塑性的定义 超塑性是指材料在一定的内部（组织）条件（如晶粒形状及尺寸，相变等）和外部（环境）条件下（如温度、应变速率等），呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能（例如大的延伸率）的现象。,2 等温成形的特点 2. 1 等温成形的基本特点 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）模具温度稍低于毛坯温度。,等温锻造特别适合于那些锻造温区窄的难变形材料，例如高温合金、钛合金、粉末高温合金等。等温锻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。,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）模具温度稍低于毛坯温度。,3 超塑性成形的基本特点,微细晶粒超塑性具有三个条件，即材料具有等轴稳定的细晶组织时可呈现超塑性。此时，材料具有低的流动应力超高的延伸率，良好的流动性与复写性，晶间滑移变形的比例大幅度提高。超塑性成形分为锻造和板材成形两类超塑性锻造和等温锻造的区别在于前者要求材料其有等轴细品的组织，而后者并不要求这一条件共同点是两者均在等温状态下进行锻造,3 主要应用,1、超塑性气胀成形,2、板料超塑性气压成形,3、超塑性体积成形 超塑性体积成形包括不同的方式（例如模锻、挤压等），主要是利用了材料在超塑性条件下流变抗力低，流动性好等特点。一般情况下，超塑性体积成形中模具与成形件处于相同的温度，因此它也属于等温成形的范畴，只是超塑性成形中对于材料，对于应变速率及温度有更严格的要求。,第二节 等温锻造与超塑性成形的材料与工艺规范,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。,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。,2.2 等温闭式模锻与超塑性闭式模锻的工艺特点 闭式模锻在等温锻造与超塑性锻造中获得了远比在常规锻造中广泛的应用。常规锻造中的闭式模锻主要用于轴对称锻件，而等温闭式模锻与超塑性闭式模锻可用于长轴类锻件与异形锻件，如叶片。 闭式模锻也可分为精模锻与粗模锻，精模锻锻件一般不需后续机械加工或仅需少量机械加工；但某些薄腹件，考虑成形的需要和避免在顶出时发生翘曲，宜增加机械加工余量，采用粗模锻。 闭式模锻为无飞边模锻，其高度方向（即加载方向）的尺寸取决于坯料大小，故下料重量公差较严。,2.3 等温成形与超塑性成形的材料及工艺规范 采用等温锻造和超塑性成形的常规材料包括认合金、铝合金、铁合金、合盘钢、高温合金、双相不锈刚等等温成形和超塑性成形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模具材料的承受能力。材料在等温状态卜的流动应力受温度、应变和应变速率的影响，既具有应变硬化特性又具有应变速率强化特性依材料钻种、成形温度和应变速率不同，下述两种特性彼此消长材料的塑性也同样受上述因素的影响。,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,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： F=pA/1000 式中 F 变形力 p单位变形力 A锻件的总变形面积,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,等温锻造与超塑性锻造均在低速下进行，一般采用液压机。,液压机需满足条件,可调速：工作行程的速度调节范围在10.1mm/s。 可保压：工作滑块在额定压力下可保压30min以上。 高的封闭高度与足够的工作台面：为安装模具、加热装置、冷却板、隔热板等工装和便于操作需要较大的封闭高度与工作台面，最好带有活动工作台。 带顶出装置：应具有足够的顶出行程与顶出力。 有控温系统：工作部分的加热温度控制是必需的。,第四节 等温锻造与超塑性锻造的摩擦与润滑,一、等温锻造与超塑性锻造的摩擦与润滑特点及要求 二、等温锻造与超塑性锻造摩擦系数测定 三、等温锻造与超塑性锻造的润滑剂,一、等温锻造与超塑性锻造的摩擦与润滑特点及要求,等温锻造与超塑性锻造的摩擦与润滑具有如下特点： 模具的高温：模具在高温时增强了变形金属与模具接触面上的相互扩散作用，提高了摩擦系数，使变形金属易发生向模具表面的转移，脱模也更加困难。 应变速率低：应变速率降低使解除表面的咬合与润滑剂的挤出更容易，导致摩擦系数增加。 变形时间长：延长变形时间为金属的氧化和接触面扩散提供了有利条件。,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。,润滑剂应能满足下述要求：,等温锻造与超塑性锻造的润滑剂,第五节 等温模锻与超塑性模锻,等温模锻与超塑性模锻对于模具和加热的要求基本一致，但与常规模锻有所不同 一、等温模锻与超塑性模锻的锻模及其加热装置 二、等温闭式模锻与超塑性闭式模锻的工艺特点,一、等温模锻与超塑性模锻的锻模及其加热装置,（一）加热装置 （二）锻模结构及材料,一、加热装置,等温模锻与超塑性模锻都需要能在变形过程中保持恒温的加热装置。通常采用感应加热与电阻加热。,锻模结构及材料,等温模锻与超塑性模锻又分为开式模锻（有飞边模锻）和闭式模锻（无飞边模锻），开式与闭式模锻锻模设计方面，有同有异： 模膛结构 导向 飞边槽 模锻斜度 顶出机构 收缩值 模具材料,模膛结构,闭式锻造用模具多采用镶块组合式结构，便于模具加工与锻件顶出。开式锻模多用整体式结构。,导向,闭式模锻多用模口导向，间隙研配为0.100.12mm。开式模锻可用导柱导向，导柱高径比不大于1.5，导柱与导向孔的双面间隙，依导柱直径不同，取0.080.25mm,飞边槽,开式锻模带有飞边槽。在等温状态下，不存在飞边冷却问题，在飞边槽尺寸相同时，桥部阻力不小于常规模锻。,模锻斜度,闭式模锻无拔模斜度，开式模锻拔模斜度同闭式模锻。,顶出机构,闭式模锻必须设顶出机构，开式模锻可根据情况决定顶出机构的取舍。,收缩值,在等温状态下，锻件收缩值取决于模具材料与锻件材料线膨胀系数的差异，收缩值可计算后加以模具线尺寸上。,模具材料,铝合金与镁合金锻模可采用热模具钢。钛合金和钢锻模用高温合金制造，国内常用GH类材料与K3、K5合金。镍基高温合金在钛合金锻造范围内有抗蠕变性能差和强度陡降的特点。,二、等温闭式模锻与超塑性闭式模锻的工艺特点,闭式模锻在等温锻造与超塑性锻造中获得了远比在常规锻造中广泛的应用。常规锻造中的闭式模锻主要用于轴对称锻件，而等温闭式模锻与超塑性闭式模锻可用于长轴类锻件与异形锻件，如叶片。 闭式模锻也可分为精模锻与粗模锻，精模锻锻件一般不需后续机械加工或仅需少量机械加工；但某些薄腹件，考虑成形的需要和避免在顶出时发生翘曲，宜增加机械加工余量，采用粗模锻。 闭式模锻为无飞边模锻，其高度方向（即加载方向）的尺寸取决于坯料大小，故下料重量公差较严。,第六节 等温锻造与超塑性锻造工艺实例,一、钛合金涡轮盘的超塑性锻造,一）零件 二）工艺条件 三）模具 四）设备 五）润滑 六）锻模过程,零件,涡轮盘材料为TC4 。直径101.6mm。带有72个轴向小叶片，通常间隙1.8mm，叶片高度有3.2mm与6mm两种。零件净重125g，下料重486522g，材料利用率约25.废品率较高，刀具消耗量大。由于上述情况，采用超塑性锻造工艺成形。 该件的机械加工难点在叶型部分（占部总机械加工工时的90%以上），所以叶型部分不留加工余量，锻后喷砂。其余部分，如叶片顶面、盘体、轴套凸台等部分，留有适当的余量。,工艺条件,TC4的超塑性锻造规范： 等轴细晶的+双相组织，晶粒尺寸小于5m 在+相区（900950）锻造 锻造速率较低（0.11mm/min)在上述条件下，TC4的单位拉伸伸长率为500%1750%，流动应力为1010MPa,模具,1.模具材料： 选用K3镍基铸造高温合金 2.模具制造： 模坯精铸而成，加工余量1mm左右，叶型部分用电火花及线切割加工 3.模具结构与尺寸： 模具成形部分的尺寸应考虑收缩值，收缩值为负，说明模具冷尺寸应小于锻件冷尺寸。 4.加热： 采用感应加热，可控硅变频器为100kw/1.0kHz，使用功率850kW升温，1012kW保温，频率360480Hz。上下模温差可接近0，且模具开启时也可加热，降温少。,设备,成形设备为Y32-200型四柱液压机，该机台面大，封闭高度大，下液压缸顶出，工艺性灵活。,润滑,采用BR-14润滑剂，毛坯预热300后匀涂。锻后喷砂去除涂层，在模腔内残留物少，可连续成形20件不必清理模具。,模锻过程,坯料：TC4经大变形锻造后，制成101.6mm×7mm的坯料 喷涂润滑剂：坯料预热至300后，在专用旋转工装上喷涂 锻前加热：900，5min，氩气保护，装模后均热515min调整模温 锻造：速度0.11mm/min，压力5001200kN，保压36min 顶出：顶出力50200kN,顶出前对易变形部位冷却 后处理：在石棉