工藝驅(qū)動飛行 || Processing Defines Aerospace?

上一期小編只是順帶提了一下超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)，沒想到當(dāng)我翻看留言時，發(fā)現(xiàn)有粉絲讓小編詳細(xì)介紹一下此技術(shù)。

好！滿足大家！這期咱們就來討論討論超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)。

介紹這項(xiàng)技術(shù)之前，首先要了解一下什么是金屬的超塑性。一般來說，常見金屬的塑性不會超過60%，即使高溫下也難以達(dá)到100%，而有些金屬在某個特定溫度區(qū)間和組織條件下，以低應(yīng)變速率變形時，會呈現(xiàn)出抗力小而應(yīng)變大的一種現(xiàn)象，此即為金屬的超塑性（圖1）[5]。

目前對超塑性機(jī)理的解釋，廣為接受的是擴(kuò)散蠕變和晶界滑移協(xié)調(diào)變形理論（A-V理論）[1]，其由阿什布(Ashby)和維羅(Verrall)提出。該模型是由一組平面的4個六方晶粒組成(圖2)。

在二維平面中，一組六邊形晶粒受到向上的拉應(yīng)力，由原始狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g狀態(tài)，最后變成最終狀態(tài)，晶粒重排過程中，只發(fā)生了位置變化并未改變形狀。通過大量的實(shí)驗(yàn)確實(shí)發(fā)現(xiàn)在超塑變形的過程中存在著晶界滑移、晶粒轉(zhuǎn)動和換位等行為，證明了 A-V理論，但也存在局限性，該模型僅在二維平面內(nèi)考慮晶粒的相對位置變化，并沒有考慮到晶粒本身是三維結(jié)構(gòu)。

既然叫做超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)，那么肯定少不了擴(kuò)散連接。擴(kuò)散連接指的是在一定溫度、壓力下，保溫一段時間，使金屬間的相互接觸面發(fā)生局部塑性變形，并實(shí)現(xiàn)接觸面間材料的原子擴(kuò)散，從而達(dá)到材料連接的工藝過程。看到這里我們可能會聯(lián)想到焊接過程，沒錯，并且有過之而無不及！

該技術(shù)成形的零件精度高，接頭性能接近甚至與母材（同種材料連接時）相同，并且在連接界面處不會產(chǎn)生氣孔、宏觀裂紋等缺陷，也幾乎不存在殘余應(yīng)力，還可以實(shí)現(xiàn)難焊材料的連接！其過程大致可由下圖（圖3）表示[2]。

擴(kuò)散連接的實(shí)現(xiàn)靠的是固態(tài)晶體中原子克服位壘，移動至相鄰位置的微觀過程。打一個不恰當(dāng)?shù)谋扔鳎?dāng)你去購物時，只有你付的錢達(dá)到了商品的價格，雙方才能達(dá)成交換，而促銷時的打折就像在反應(yīng)過程中加入了某些條件，降低了克服位壘所需要的能量。

美國是最早研究超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)的國家，并運(yùn)用于航空領(lǐng)域。截至1986年，已有12家公司具有能力運(yùn)用該技術(shù)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)件，其應(yīng)用情況如下表（表1）所示[3]。

隨后，英國、法國、德國及日本等國也加入其中，發(fā)展迅速，并將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于“狂風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)身框架、發(fā)動機(jī)止推座、隔熱罩、熱交換導(dǎo)管等部位。雅克42客機(jī)的發(fā)動機(jī)檢修艙門也涉及到此技術(shù)。

相比國外，國內(nèi)對該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用還是相對落后的，相關(guān)的研究單位并不是很多，但也有了一定的成果。開發(fā)的鈦合金口蓋（兩層）、腹鰭（四層）、發(fā)動機(jī)整流葉片[4]（圖4）等輕量化整體結(jié)構(gòu)已在我國飛機(jī)、發(fā)動機(jī)上得到了應(yīng)用, 并且有效地減輕了重量，降低了制造成本，提高了系統(tǒng)可靠性和耐久性，為促進(jìn)航空航天技術(shù)進(jìn)步做出了突出貢獻(xiàn)。

（投稿作者：阿政）

• 參考文獻(xiàn)

[1]M.F Ashby, R.A Verrall, Diffusion-accommodated flow and superplasticity, Acta Metallurgica, 1973, 21(2):Pages 149-163.

[2]方洪淵, 馮吉才. 材料連接過程中的界面行為[M]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社[等], 2005:134.

[3]王向民,喬宦文.鈦合金SPF/DB技術(shù)在航空工業(yè)中的應(yīng)用[J].鈦工業(yè)進(jìn)展,1998(01):8-11.

[4]李志強(qiáng),郭和平.超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展和發(fā)展趨勢[J].航空制造技術(shù),2010(08):32-35.

[5]彭鵬. Mg-Gd-Y-Zn-Zr稀土鎂合金蜂窩結(jié)構(gòu)超塑成形/反應(yīng)擴(kuò)散連接成形工藝研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2020.

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原文已于2023年2月3日發(fā)布于同名公眾號平臺。?

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