超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)在航空航天上的應(yīng)用

張向輝

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471009）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，飛行器的性能越來(lái)越高，對(duì)結(jié)構(gòu)件的各項(xiàng)要求也越來(lái)越高，采用傳統(tǒng)的鉚接、焊接方式制造的裝配件已不能滿足總體的需要。20世紀(jì)70年代問(wèn)世的超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)（SPF/DB），能夠大幅減輕結(jié)構(gòu)件重量，降低成本，具有較高的強(qiáng)度和剛性，并且通過(guò)減少零件和連接環(huán)節(jié)提高系統(tǒng)的可靠性，從而廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。本文主要介紹了超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)（SPF/DB）的原理、特點(diǎn)以及在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)原理

1.1 超塑成形/擴(kuò)散連接的概念

1.1.1 超塑性（SPF）

超塑性通常是指材料在拉伸條件下表現(xiàn)出異常高的延伸率也不產(chǎn)生縮頸與斷裂現(xiàn)象。當(dāng)延伸率大于100%時(shí)，即可稱為超塑性。按照實(shí)現(xiàn)超塑性的條件和變形特點(diǎn)的不同，目前一般將超塑性分為以下幾類：組織超塑性、相變超塑性和其他超塑性。實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的是組織超塑性。獲取這種超塑性一般要求材料具有均勻、細(xì)小的等軸晶粒和較好的熱穩(wěn)定性。

1.1.2 擴(kuò)散連接（DB）

擴(kuò)散連接是把2個(gè)或2個(gè)以上的固相材料(包括中間層材料)緊壓在一起，置于真空或保護(hù)氣氛中加熱至母材熔點(diǎn)以下溫度，對(duì)其施加壓力使連接界面微觀凸凹不平處產(chǎn)生微觀塑性變形達(dá)到緊密接觸，再經(jīng)保溫、原子相互擴(kuò)散而形成牢固的冶金結(jié)合的一種連接方法。通常把擴(kuò)散連接分為3個(gè)階段(見(jiàn)圖1)：第一階段為塑性變形使連接界面接觸。在金屬緊密接觸后，原子開(kāi)始相互擴(kuò)散并交換電子，形成金屬鍵連接。第二階段為擴(kuò)散、界面遷移和孔洞消失。連接界面的晶粒生長(zhǎng)或再結(jié)晶以及晶界遷移，使金屬鍵連接變成牢固的冶金連接。最后階段為界面和孔洞消失。在這一階段中主要是體積擴(kuò)散，速度比較慢，通常需要幾十分鐘到幾十小時(shí)才能使晶粒穿過(guò)界面生長(zhǎng)，原始界面完全消失。

圖1 擴(kuò)散連接的三階段模形

1.1.3 超塑成形/擴(kuò)散連接（SPF/DB）

SPF/DB是一種把超塑成形與擴(kuò)散連接相結(jié)合用于制造高精度大形零件的近無(wú)余量加工方法。當(dāng)材料的超塑成形溫度與該材料的擴(kuò)散連接溫度相近時(shí)，可以在1次加熱、加壓過(guò)程中完成超塑成形和擴(kuò)散連接2道工序，從而制造出局部加強(qiáng)或整體加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)件以及構(gòu)形復(fù)雜的整體結(jié)構(gòu)件。如鈦合金的超塑成形溫度為850～970℃，擴(kuò)散連接溫度為870～1280℃，由于在超塑成形溫度下也可進(jìn)行擴(kuò)散連接，因此有可能把這2種工藝結(jié)合，在1次加熱、加壓過(guò)程中完成超塑成形和擴(kuò)散連接2道工序。這種只需1次加熱、加壓過(guò)程的SPF／DB工藝常見(jiàn)于板料的吹脹成形和擴(kuò)散連接。體積成形(如超塑性模鍛)與擴(kuò)散連接相結(jié)合的SPF／DB工藝往往需要將超塑成形和擴(kuò)散連接分開(kāi)進(jìn)行，先超塑成形后再擴(kuò)散連接或者先擴(kuò)散連接后再超塑成形，視具體工藝情況而定。

1.2 超塑成形/擴(kuò)散連接的技術(shù)原理

超塑成形工藝按成形介質(zhì)可分為氣壓成形、液壓成形、無(wú)模成形、無(wú)模拉拔；按原始坯料形式可以分為體積成形、板材成形、管材成形、杯突成形等等。其中，在航空航天領(lǐng)域中，應(yīng)用最為廣泛的超塑成形方法是板材氣壓成形，也稱吹塑成形。吹塑成形是一種用低能、低壓獲得大變形量的板料成形技術(shù)。通過(guò)設(shè)計(jì)制造專用模具，在模具與板料中間形成一個(gè)封閉的壓力空間，板料被加熱到超塑性溫度后，在氣體作用下，坯料產(chǎn)生超塑性變形，逐漸向模具形面靠近，直至同模具完全貼合形成預(yù)定形狀。具備超塑性的材料包括鈦合金、鋁合金、鎂合金、高溫合金、鋅鋁合金、鋁鋰合金等。目前超塑成形技術(shù)最廣泛的應(yīng)用是與擴(kuò)散連接技術(shù)組合而成的超塑成形/擴(kuò)散連接組合工藝技術(shù)（SPF/DB），利用金屬材料在一個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)兼具超塑性與擴(kuò)散連接性的特點(diǎn)，一次成形出帶有空間夾層結(jié)構(gòu)的整體構(gòu)件。按照成形構(gòu)件初始毛坯數(shù)量不同可以分為單層、兩層、三層及四層結(jié)構(gòu)形式（見(jiàn)圖2）。

圖2 超塑成形/擴(kuò)散連接的基本形式

用于SPF／DB組合工藝的擴(kuò)散連接方法主要有三種：小變形固態(tài)擴(kuò)散連接、過(guò)渡液相擴(kuò)散連接和大變形／有限擴(kuò)散連接。在擴(kuò)散連接過(guò)程中應(yīng)采用惰性保護(hù)氣體或真空，以防止氧化層的形成和生長(zhǎng)。對(duì)于常使用的鈦合金而言，超塑成形和擴(kuò)散連接技術(shù)條件和工藝參數(shù)具有兼容性，因此有可能在構(gòu)件研制中把兩種工藝組合在一個(gè)溫度循環(huán)中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)成形和連接。在采用SPF／DB組合工藝進(jìn)行多層結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)中，可以先擴(kuò)散連接后超塑成形(DB／SPF)，也可以先超塑成形后擴(kuò)散連接(SPF/DB)。

DB／SPF工藝過(guò)程中，構(gòu)件的芯板結(jié)構(gòu)由板面的止焊劑圖案而定，構(gòu)件生產(chǎn)可在一次加熱循環(huán)中完成，也可分為兩道工序。一道工序的特點(diǎn)是零件在生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)需開(kāi)模。兩道工序則有以下優(yōu)點(diǎn)：擴(kuò)散連接可用氣壓或機(jī)械壓力，也可選用其他連接技術(shù)；超塑成形前可對(duì)擴(kuò)散連接質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)；擴(kuò)散連接和超塑成形的溫度可各自優(yōu)化，氣壓更易控制；可同時(shí)連接幾個(gè)部件，提高加工經(jīng)濟(jì)性。

SPF／DB工藝過(guò)程中，首先根據(jù)構(gòu)件加強(qiáng)要求形式涂止焊劑或焊接，然后外層板和芯板沿周邊擴(kuò)散連接并氣壓成形，最后在超塑溫度和壓力條件下，完成芯板之間以及芯板和外層板之間的擴(kuò)散連接。該工藝的主要問(wèn)題是輔助擴(kuò)散連接比主要擴(kuò)散連接困難，擴(kuò)散連接只能靠氣壓提供壓力，另外，氬氣中的雜質(zhì)和經(jīng)過(guò)超塑成形后脫落的止焊劑容易導(dǎo)致擴(kuò)散連接連接質(zhì)量下降。

2 超塑成形/擴(kuò)散連接的優(yōu)缺點(diǎn)

超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：

1）可以使以往由許多零件經(jīng)機(jī)械連接或焊接組裝在一起的大構(gòu)件成形為大型整體結(jié)構(gòu)件，極大的減少了零件和工裝數(shù)量，縮短了制造周期，降低了制造成本；

2）可以為設(shè)計(jì)人員提供更大的自由度，設(shè)計(jì)出更合理的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)承載效率，減輕結(jié)構(gòu)件質(zhì)量；

3）采用這種技術(shù)制造的結(jié)構(gòu)件整體性好，材料在擴(kuò)散連接后的界面完全消失，使整個(gè)結(jié)構(gòu)成為一個(gè)整體，極大的提高了結(jié)構(gòu)的抗疲勞和抗腐蝕特性；

4）材料在超塑成形過(guò)程中可承受很大的變形而不破裂，所以可成形很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，這是用常規(guī)的冷成形方法根本做不到或需多次成形方能實(shí)現(xiàn)的。

超塑成形/擴(kuò)散連接除了具有以上優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在以下的幾點(diǎn)不足：

1）對(duì)零件待焊表面的制備和裝配的要求較高；

2）焊接熱循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)率低。在某些情況下會(huì)產(chǎn)生一些副作用，例如母材晶粒可能過(guò)度長(zhǎng)大；

3）設(shè)備一次性投資較大，而且焊接工件的尺寸受到設(shè)備的限制；

4）對(duì)焊縫的質(zhì)量尚無(wú)可靠的無(wú)損檢測(cè)手段。

3 超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)的研究方向

超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)雖然已進(jìn)入工程應(yīng)用階段，并已展示出巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，但鈦合金超塑性應(yīng)用領(lǐng)域仍以航空航天等軍工業(yè)為主，與其他新興技術(shù)一樣，仍然需要不斷開(kāi)發(fā)其在其他工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外超塑成形/擴(kuò)散連接研究發(fā)展趨勢(shì)主要由以下幾個(gè)方面。

3.1 超塑成形結(jié)構(gòu)要素研究

主要針對(duì)超塑成形技術(shù)中存在的兩個(gè)主要問(wèn)題，即壓力-時(shí)間加載曲線和實(shí)際最小厚度預(yù)測(cè)進(jìn)行研究。利用塑形力學(xué)和超塑性力學(xué)的基本原理對(duì)載荷、應(yīng)力、應(yīng)變、時(shí)間和應(yīng)變速率等進(jìn)行分析，并通過(guò)五種結(jié)構(gòu)要素進(jìn)行驗(yàn)證和修正，通過(guò)理論曲線與試驗(yàn)結(jié)果相比較，為SPF技術(shù)提供了一定的理論依據(jù)和合理的壓力-時(shí)間加載曲線設(shè)計(jì)方法。

3.2 典型構(gòu)件制造技術(shù)研究

主要針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的幾種結(jié)構(gòu)形式，研究其高溫、高溫密封；進(jìn)氣方法；脫模工藝；曲線毛坯制備方法；典型構(gòu)件的制造方法及工藝流程、工藝參數(shù)的選用；隔離劑圖形的設(shè)計(jì)制備等。這些制造方法的研究，能夠?yàn)榈湫蜆?gòu)件的研制提供一整套可選用的方法，并為設(shè)計(jì)部門(mén)提供了重要的設(shè)計(jì)依據(jù)。

3.3 超塑成形/擴(kuò)散連接前后材料的力學(xué)性能變化研究

主要包括常溫性能、高溫強(qiáng)度、疲勞性能等。為設(shè)計(jì)部門(mén)提供重要承力構(gòu)件的設(shè)計(jì)依據(jù)，并通過(guò)此研究向材料生產(chǎn)廠家提出合理的訂貨技術(shù)要求，為在我國(guó)制定生產(chǎn)超塑成形專用材料的正式標(biāo)準(zhǔn)提供有價(jià)值的參考。經(jīng)過(guò)超塑成形/擴(kuò)散連接熱循環(huán)后的板材，由于晶粒長(zhǎng)大及氫氧含量變化和材料表面狀態(tài)變化等原因，使其力學(xué)性能發(fā)生變化。因此，在工藝過(guò)程中嚴(yán)格控制加熱溫度、時(shí)間，合理的設(shè)計(jì)加載曲線，采取必要的表面保護(hù)措施是非常重要的。

3.4 超塑性材料研究

增加超塑性材料品種，開(kāi)發(fā)現(xiàn)有材料的超塑性。如Ti基復(fù)合材料、金屬間化合物等材料超塑性的開(kāi)發(fā)；納米材料超塑性的實(shí)用化研究和高應(yīng)變速率超塑性合金的研究。

4 超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)在航空航天上的應(yīng)用

從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，受到先進(jìn)飛行器的刺激和推動(dòng)，國(guó)外航空工業(yè)率先開(kāi)展超塑成形技術(shù)研究。70年代早期，美國(guó)洛克威爾公司首先將超塑成形技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件制造中，使鈦合金制造工藝發(fā)生了技術(shù)變革。隨后，歐美將鈦合金SPF、SPF／DB技術(shù)列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目，促使超塑成形整體結(jié)構(gòu)在飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、艦艇等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，顯示出旺盛的生命力，在已獲得的工程應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)產(chǎn)生了巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益：F-15E后機(jī)身結(jié)構(gòu)采用SPF／DB整體結(jié)構(gòu)后，減少了726個(gè)零部，并取消了10000多個(gè)緊固件；聯(lián)合戰(zhàn)斗機(jī)（JSF）的后緣襟翼和副翼、F-22后機(jī)身隔熱板等重要結(jié)構(gòu)均采用了鈦合金超塑性成形／擴(kuò)散連接的整體結(jié)構(gòu)。

在民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)制造方面，據(jù)統(tǒng)計(jì)：飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量中8%-10%以上的結(jié)構(gòu)可以采用超塑成形整體結(jié)構(gòu)。這些應(yīng)用包括穩(wěn)定性設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)(肋、梁、框架、承壓支柱)、復(fù)雜的多板式部件(壁板、固定托架和支撐架)、復(fù)雜殼體(管道、箱體、容器)氣動(dòng)面、檢修口蓋／艙門(mén)、發(fā)動(dòng)機(jī)艙部件、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子零件、熱空氣管道以及裝飾壁板和生活設(shè)施等。歐洲空中客車公司的A310、A320、A330／340制造中，采用超塑成形／擴(kuò)散連接的鈦合金兩層超塑整體結(jié)構(gòu)替代鋁合金鉚接結(jié)構(gòu)后，取得了減重46%的效果；波音777發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)艙門(mén)采用了兩層超塑整體結(jié)構(gòu)，用以替代原來(lái)的焊接結(jié)構(gòu)，原來(lái)結(jié)構(gòu)23個(gè)零件需要70h的裝配時(shí)間，采用鈦合金超塑兩層整體結(jié)構(gòu)后減少到2個(gè)零件，裝配時(shí)間僅需6h，同時(shí)減重1.4kg。

在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，超塑成形／擴(kuò)散連接組合工藝已經(jīng)成為重要結(jié)構(gòu)制造的關(guān)鍵工藝。作為大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，英國(guó)羅·羅公司率先采用SPF／DB技術(shù)研制寬弦無(wú)凸肩空心風(fēng)扇葉片，其特點(diǎn)是利用桁架結(jié)構(gòu)取代蜂窩結(jié)構(gòu)，使葉片重量減輕了15%，大大改善了葉片的氣動(dòng)特性，先后將26片鈦合金空心寬弦無(wú)凸肩風(fēng)扇葉片應(yīng)用到遄達(dá)700和遄達(dá)800發(fā)動(dòng)機(jī)上。最近，空客A380飛機(jī)使用的遄達(dá)900發(fā)動(dòng)機(jī)，其一級(jí)風(fēng)扇直徑為295cm，整個(gè)風(fēng)扇部件包括24片采用彎掠設(shè)計(jì)的空心鈦合金風(fēng)扇葉片，大大改善了葉片的氣動(dòng)特性，在抗外來(lái)物損傷方面比早期的風(fēng)扇葉片效率更高。

此外，近年來(lái)隨著導(dǎo)彈輕量化、高強(qiáng)度要求的進(jìn)一步升級(jí)，鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接整體結(jié)構(gòu)制造技術(shù)引起了高度的關(guān)注。導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)面采用鈦合金SPF/DB技術(shù)工藝后可實(shí)現(xiàn)無(wú)余量結(jié)構(gòu)制造，省去了大量機(jī)加工時(shí)間、緊固件和裝配作業(yè)的時(shí)間。更為重要的是，SPF/DB工藝有利于整體成形出具有薄壁空心、形狀復(fù)雜、光滑表面和氣動(dòng)外形流暢的導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)。另外，采用鈦合金超塑成形／擴(kuò)散連接技術(shù)制造的薄壁夾層空心結(jié)構(gòu)還能有效實(shí)現(xiàn)埋入式結(jié)構(gòu)的功能，在一體化制造方面潛力巨大。

5 結(jié)論

超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)應(yīng)用表明：盡管材料（鈦合金）成本高，但成本效益和重量減輕對(duì)航空航天的吸引力更大；超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)在國(guó)外已廣泛應(yīng)用于飛行器零部件的生產(chǎn)中，并開(kāi)始批量生產(chǎn)；我國(guó)超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)在上世紀(jì)70開(kāi)始研究，不僅應(yīng)用于飛機(jī)的零部件，而且還在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)上廣泛應(yīng)用，有效的減輕重量，降低制造成本，提高系統(tǒng)可靠性和耐久性，為促進(jìn)航空航天技術(shù)進(jìn)步做出了貢獻(xiàn)。

［1］郭健,楊建民,劉振崗.擴(kuò)散焊技術(shù)的應(yīng)用[J].學(xué)科發(fā)展,2004.

［2］朱平.一種新形的擴(kuò)散焊連接技術(shù)[J].制導(dǎo)與引信,1999.

［3］李志強(qiáng),郭和平,等.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(shì)[J].航空制造技術(shù),2010.

［4］李志強(qiáng),郭和平.超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用[C]//2004航空航天焊接國(guó)際論壇論文集.2004.