超塑性成形101

介绍

超塑性材料是多晶固体,当它们在有限的条件范围内变形时,可以在失效前承受异常大的拉伸应变。 单轴拉伸下的许多金属材料可以显示 300 – 1000% 或更多的伸长率。

Macrodyne Superplastic Forming Press
图 1:Macrodyne 400 吨加热液压 SPF 压机

超塑性

超塑性是指某些金属合金和其他材料能够承受非常大的塑性应变而颈缩最小。 当材料以每秒 0.0001 – 0.001 的相对较慢的应变速率变形时,材料的变形速度是材料的 0.5 倍熔点。 这些变形条件与低流动应力以及相对较高的塑性流动均匀性有关。 由于这一特性,合金可以拉伸成更大的尺寸,生产具有复杂几何形状的高强度、轻质部件。 超塑性在多种材料中被广泛观察到,例如钛、铝镁和镍基合金、金属间化合物和陶瓷。

图 2:铝制 A5083 狗骨标本单轴 Instron 机器在 450oC 下以 0.001/秒的应变速率拉伸。 图像显示了开始和结束时的试样长度。

超塑性成型 (SPF) 工艺

超塑性成形是指利用超塑性的冶金现象,形成复杂的、高度轮廓的钣金件的一种金属成形工艺。 在 SPF 工艺过程中,细晶粒板中的金属材料或合金在高温下被气压吹入模具,以制造具有所需厚度的几何复杂形状。 一些 SPF 工艺可能使用带有氩气的真空系统,而其他工艺可能使用带有或不带有真空的空气。 可变气压时间曲线用于实现所需的成型速度和零件厚度。 SPF 工艺广泛用于汽车、航空航天和生物医学行业的各种应用。

图 3:从开始到结束步骤 1 到步骤 4 的超塑性成型过程。 加压气体用作成型工具,将加热的板材拉伸成型到成型模具表面,从而形成成型零件。

SPF工艺的主要优点

  • 在单个零件中形成多个组件,从而节省成本
  • 一次操作可生产多个组件
  • 有能力生产更大、更强、更轻的零件,无需接头和焊缝
  • 小春回来
  • 需要一种工具

SPF工艺的主要缺点

  • 工作温度高
  • 在较高应变率下运行时厚度分布不均匀
  • 与冲压、温成型和液压成型相比,制造过程相对较慢
  • 加热成型的材料,例如铝,容易磨损或磨损

超塑性材料的种类

对于表现出超塑性行为的材料,它必须能够被加工成细晶粒等轴显微组织,该显微组织将在超塑性变形温度下保持稳定,其中晶界滑动机制是超塑性流动的一个重要特征。 超塑性存在于各种材料中,包括金属和合金、陶瓷和石英玻璃。 今天,铝合金 AA5083 是一种相对便宜的材料,广泛用于生产 450 o – 480 o摄氏度的汽车面板。 镁合金 AZ31 是最轻的结构金属材料,用于在425摄氏度下生产汽车面板。 钛合金 Ti-AI- 4V在摄氏 900 度下加工,因其特殊的高温强度而广泛用于航空航天应用。 还出现了在较低温度下表现出超塑性的新合金。 带有 SPF 成型风扇叶片的喷气发动机示例。

图 4:航空发动机中由钛合金 Ti6Al4V 和 Ti6Al2Sn4Zr2Mo 以及其他钛基合金制成的超塑性成形零件。

超塑性材料的应用

如今,铝 AA5083、镁 AZ31 和钛 Ti-AI-4V 等材料合金广泛用于汽车和航空航天工业。

SPF 最显着的优势之一是能够生产出比传统成型工艺更大、更坚固、更轻的零件,并且接头和焊缝更少。

SPF 组件的高强度重量比和耐腐蚀性使它们成为航空航天和汽车工业应用的理想选择。 SPF 用于一些世界上最广泛的商用飞机项目,以生产机翼部件、发动机外壳、叶片和方向舵。 SPF 还广泛用于汽车项目,以生产车身面板、车门、车顶、挡泥板和举升门。 SPF 还用于医疗器械、建筑面板,甚至高尔夫球杆头。

航空航天工业中领先的飞机、航天和国防制造商的 SPF 示例,其中 Ti-6AI-4V 合金用于制造单个组件的机舱中心梁框架,作为八元素和 96 元素的替代品以前需要的紧固件——同时使用 SPF 和扩散粘合,节省了 55% 的成本和 33% 的重量。 SPF还可用于制造喷气发动机部件,如压气机叶片、进气锥、风扇叶片、风扇导管、油箱、电厂外壳、进气环、压气机导管、管道部件、塔架面板、排气锥、排气导管、热盾牌等。

金属薄板的超塑性吹塑成型

单片吹塑成型

吹塑成型可以将单片合金制造成高度复杂的形状,这些形状具有艺术风格或设计用于结构支撑。 这一过程在一个操作中完成,从而减少了所需的连接操作次数。 基于对超塑性片材施加气压差,导致材料变形为特定模具配置。 通过注入空气或氩气施加高达 450 psi 的压力。 模具在热压机内保持在接近恒定的温度。 施加在板材上的气压使板材形成模具的下部。 在成型过程中,板材将最初位于下模腔内的气体排放到大气中。 下模腔可以保持在真空或一些背压下。 该工具通常设计有密封件,可防止板材滑动并确保密封性以防止成型气体泄漏。 板材在成型气压的作用下被拉伸到模腔中。 该过程一直持续到变形板接触下模腔,该模腔决定了成形零件的形状。 在较深的拉伸零件中,厚度变化更为明显。

图 5:加热的单片材料超塑性吹塑成型为下半模,形成成型零件。

空心成型

空心腔成型开始于一个管子,两端焊接在一起以形成一个封闭的空腔。 然后将气体入口连接到这些端部以允许氩气流动,然后施加内部压力循环。 插入模具成型腔并升温后,制成复杂的最终形状。

多片成型 SPF 和扩散粘合 DB

扩散接合 (DB) 是一种低压接合方法,两种材料在高温下紧密接触。 多片成型是 SPF 与 DB 相结合的地方,可提供额外的工艺优势,例如蜂窝组件等高刚度多片结构。 重量和成本的节省通常是通过减少要组装的零件数量来实现的,但提高了零件的一致性和互换性。

DB 用于核工业和航空航天工业,在真空或惰性气体环境中将多个片材粘合在一起。 固态扩散过程允许片材的分子在高温和高压下整合,同时保留大多数单个金属或合金的固有特性。

快速塑性成型 (QPF)

快速塑性成型 (QPF) 是通用汽车公司为汽车行业开发的一种热吹成型工艺,可在 3-6 分钟的成型时间内快速批量生产铝合金和镁合金汽车面板。 该工艺利用干润滑剂、工具表面涂层、毛坯快速预热、自加热工具、快速自动化机器人辅助材料处理系统、工具毛坯界面的压力密封以及预编程的压力时间曲线。 QPF 能够制造铝或镁合金制成的单个集成汽车面板,其几何形状比使用多个冲压钢件可实现的更复杂。 如今,QPF 工艺用于制造由 A5083 铝和 AZ31 镁制成的轻质汽车部件,例如车门、挡泥板、行李箱盖、举升门、车顶和车身侧板。

Superplastic Forming Auto Part
图 6:在 450oC 下由 Hydro A5083 合金制成的车身左侧面板

建立工艺参数

汽车行业吹塑单片的 SPF 工艺通常使用铝合金 A5083,在 450 o在 425 形成的 C 或镁合金 AZ31 o C. 两种合金都可以使用传统的 SPF 工艺非常缓慢地制造成非常复杂的几何形状的面板,或者可以在 3-6 分钟的生产周期内显着更快地制造成汽车面板,但使用 QPF 工艺制造不太复杂的几何形状的面板。 如果工具没有自加热系统,SPF 和 QPF 工艺需要一个带有内置气流控制系统和加热炉的四柱液压机。

航空航天工业中吹塑成型单片的SPF工艺通常使用在900℃下成型的钛合金Ti- 6AI -4V或其他钛和镍合金。 钛合金板通常使用 SPF 工艺以 2-12 小时的生产周期制造。 该工艺需要一台内置压机炉、真空系统和气体流量控制系统的四柱液压机。

压力机的尺寸与制造零件的尺寸有关,可以从 60 吨(研发压板尺寸 85 x 85 mm 2 )到数千吨的重型工业压机和压板尺寸高达 5000 x 3000 mm 2不等。 . 压机加热板通常分为多个加热区,每个区单独控制温度。

从模具中取出成型零件的技术是:

  1. 操作员使用铁匠式火钳打开前门后手动移除,直接从炉子的热区移除成型的板材。
  2. 移动台板技术,其中隔热并具有台板内部加热系统的压力炉下部放置在梭子上,以便将板材移出加热区。
Superplastic Forming
图 7:Macrodyne 600 吨加热液压 SPF 压机

下图概括了 SPF 的一些工艺参数

表 1 – SPF 的工艺参数

示例
SPF 压机的吨位规格取决于模具和部件的尺寸。 压力机实际上是夹紧机构,速度与常规压力机操作不同。 除了打开压力机所需的 500 psi 压力外,吨位必须更高以提供适当的夹紧效果。

如果零件的尺寸为 50 英寸 x 30 英寸,则零件面积将为 1,500 平方英寸。 取 1500 平方英寸乘以压力:500 psi 相当于 750,000 磅的力(或 375 吨)。 理想情况下,压机吨位应为450~500吨,快合速度为每分钟50英寸左右,快回速度为每分钟50英寸,每分钟压机1~5英寸。

必须确保材料在整个片材区域具有均匀的厚度,以确保保持均匀的拉伸强度。 该过程还必须适应回弹的影响,一旦在生产过程中释放压力,就会发生回弹。

同样,当存在摩擦和粘附时会发生磨损,这会导致局部粗糙和其他表面缺陷。 当铝被加热到超塑性状态并受到压缩力时,情况尤其如此。 为防止中间材料粘附在模具上,从而在拉伸时导致材料流动发生变化,请使用高温润滑来限制摩擦并降低磨损风险。

液压 SPF 压力机设计

专为 SPF 应用设计的液压机是任何 SPF 操作的核心。 SPF 印刷机的几个关键功能将对过程结果产生影响:

准确且可重复的氩气压力和多区温度控制。 这些是成功的 SPF 操作的关键要素。 为了最大限度地提高这些系统的效率,需要灵活且可重复的印刷机控制。 精密气流管理系统包括用于在排气过程中冷却热气的热交换器,并提供准确且可重复的氩气压力。

创新的液压和控制功能允许压机吨位与氩气压力升高成比例增加,反之亦然,以最大限度地减少模具密封件的负载。

高效隔热罩和陶瓷绝缘材料是 Macrodyne SPF 压机的标准配置,可为工艺过程中产生的高温提供最佳绝缘,同时确保较长的部件寿命和操作员安全。

专门的柱塞导向装置由中央柱塞型导向组件和位于十字头中的温度补偿导向杆/防旋转装置组成,可增强对移动压板的导向。

高速数据采集系统增加了对过程变量信息的访问,并优化了印刷机和内部网络之间的数据集成。

先进的控制系统来管理过程变量,包括多区温度控制,确保成功的超塑性成型操作。

用于快速安全更换模具的滚动垫板。 它们是可定制的,可用于单向或 T 型行进的单模和双模配置。

superplastic forging press
图 8:Macrodyne 175 吨加热液压 SPF 压机

Macrodyne 压力机

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图片参考

  1. 图 1:Macrodyne 400 加热压板机
  2. 图 2:铝制 A5083 狗骨样品单轴 Instron 机器在 450 o C 下以 0.001/秒的应变速率拉伸。 图像显示了开始和结束时的试样长度。
  3. 图 3:从开始到结束步骤 1 到步骤 4 的超塑性成型过程。 加压气体用作成型工具,将加热的板材拉伸成型到成型模具表面,从而形成成型零件。
  4. 图 4:D.塞拉. 航空发动机上的超塑性成型应用。 对 ITP 制造过程的回顾。 EuroSPF08,2008 年 9 月,法国卡尔卡松。 ffhal-00359685f。 https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00359685/document
  5. 图 5:加热的单片材料以超塑性吹塑成型为下半模,形成成型零件。
  6. 图 6:普里茨拉夫、莱因哈德(2019 年,5 月 14 日)。 如何使用超塑性成型轻量化汽车。形状https://www.shapesbyhydro.com/en/manufacturing/how-you-can-lightweight-cars-with-superplastic-forming/
  7. 图 7:Macrodyne 600 加热压板机
  8. 图 8:Macrodyne 175 加热压板机