超塑成形/擴散連接技術在航空航天上的應用

張向輝

（中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009）

0 引言

隨著科學技術的進步，飛行器的性能越來越高，對結構件的各項要求也越來越高，采用傳統的鉚接、焊接方式制造的裝配件已不能滿足總體的需要。20世紀70年代問世的超塑成形/擴散連接技術（SPF/DB），能夠大幅減輕結構件重量，降低成本，具有較高的強度和剛性，并且通過減少零件和連接環節提高系統的可靠性，從而廣泛應用于航空航天領域。本文主要介紹了超塑成形/擴散連接技術（SPF/DB）的原理、特點以及在航空航天領域的應用。

1 超塑成形/擴散連接技術原理

1.1 超塑成形/擴散連接的概念

1.1.1 超塑性（SPF）

超塑性通常是指材料在拉伸條件下表現出異常高的延伸率也不產生縮頸與斷裂現象。當延伸率大于100%時，即可稱為超塑性。按照實現超塑性的條件和變形特點的不同，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。實際生產中應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、細小的等軸晶粒和較好的熱穩定性。

1.1.2 擴散連接（DB）

擴散連接是把2個或2個以上的固相材料(包括中間層材料)緊壓在一起，置于真空或保護氣氛中加熱至母材熔點以下溫度，對其施加壓力使連接界面微觀凸凹不平處產生微觀塑性變形達到緊密接觸，再經保溫、原子相互擴散而形成牢固的冶金結合的一種連接方法。通常把擴散連接分為3個階段(見圖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，原子開始相互擴散并交換電子，形成金屬鍵連接。第二階段為擴散、界面遷移和孔洞消失。連接界面的晶粒生長或再結晶以及晶界遷移，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散，速度比較慢，通常需要幾十分鐘到幾十小時才能使晶粒穿過界面生長，原始界面完全消失。

圖1 擴散連接的三階段模形

1.1.3 超塑成形/擴散連接（SPF/DB）

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

1.2 超塑成形/擴散連接的技術原理

超塑成形工藝按成形介質可分為氣壓成形、液壓成形、無模成形、無模拉拔；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，在航空航天領域中，應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。通過設計制造專用模具，在模具與板料中間形成一個封閉的壓力空間，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。目前超塑成形技術最廣泛的應用是與擴散連接技術組合而成的超塑成形/擴散連接組合工藝技術（SPF/DB），利用金屬材料在一個溫度區間內兼具超塑性與擴散連接性的特點，一次成形出帶有空間夾層結構的整體構件。按照成形構件初始毛坯數量不同可以分為單層、兩層、三層及四層結構形式（見圖2）。

圖2 超塑成形/擴散連接的基本形式

用于SPF／DB組合工藝的擴散連接方法主要有三種：小變形固態擴散連接、過渡液相擴散連接和大變形／有限擴散連接。在擴散連接過程中應采用惰性保護氣體或真空，以防止氧化層的形成和生長。對于常使用的鈦合金而言，超塑成形和擴散連接技術條件和工藝參數具有兼容性，因此有可能在構件研制中把兩種工藝組合在一個溫度循環中，同時實現成形和連接。在采用SPF／DB組合工藝進行多層結構的生產中，可以先擴散連接后超塑成形(DB／SPF)，也可以先超塑成形后擴散連接(SPF/DB)。

DB／SPF工藝過程中，構件的芯板結構由板面的止焊劑圖案而定，構件生產可在一次加熱循環中完成，也可分為兩道工序。一道工序的特點是零件在生產過程中無需開模。兩道工序則有以下優點：擴散連接可用氣壓或機械壓力，也可選用其他連接技術；超塑成形前可對擴散連接質量進行檢測；擴散連接和超塑成形的溫度可各自優化，氣壓更易控制；可同時連接幾個部件，提高加工經濟性。

SPF／DB工藝過程中，首先根據構件加強要求形式涂止焊劑或焊接，然后外層板和芯板沿周邊擴散連接并氣壓成形，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散連接。該工藝的主要問題是輔助擴散連接比主要擴散連接困難，擴散連接只能靠氣壓提供壓力，另外，氬氣中的雜質和經過超塑成形后脫落的止焊劑容易導致擴散連接連接質量下降。

2 超塑成形/擴散連接的優缺點

超塑成形/擴散連接技術的優點：

1）可以使以往由許多零件經機械連接或焊接組裝在一起的大構件成形為大型整體結構件，極大的減少了零件和工裝數量，縮短了制造周期，降低了制造成本；

2）可以為設計人員提供更大的自由度，設計出更合理的結構，進一步提高結構承載效率，減輕結構件質量；

3）采用這種技術制造的結構件整體性好，材料在擴散連接后的界面完全消失，使整個結構成為一個整體，極大的提高了結構的抗疲勞和抗腐蝕特性；

4）材料在超塑成形過程中可承受很大的變形而不破裂，所以可成形很復雜的結構件，這是用常規的冷成形方法根本做不到或需多次成形方能實現的。

超塑成形/擴散連接除了具有以上優點，同時也存在以下的幾點不足：

1）對零件待焊表面的制備和裝配的要求較高；

2）焊接熱循環時間長，生產率低。在某些情況下會產生一些副作用，例如母材晶粒可能過度長大；

3）設備一次性投資較大，而且焊接工件的尺寸受到設備的限制；

4）對焊縫的質量尚無可靠的無損檢測手段。

3 超塑成形/擴散連接技術的研究方向

超塑成形/擴散連接技術雖然已進入工程應用階段，并已展示出巨大的技術經濟效益，但鈦合金超塑性應用領域仍以航空航天等軍工業為主，與其他新興技術一樣，仍然需要不斷開發其在其他工業領域中的應用。近年來，國內外超塑成形/擴散連接研究發展趨勢主要由以下幾個方面。

3.1 超塑成形結構要素研究

主要針對超塑成形技術中存在的兩個主要問題，即壓力-時間加載曲線和實際最小厚度預測進行研究。利用塑形力學和超塑性力學的基本原理對載荷、應力、應變、時間和應變速率等進行分析，并通過五種結構要素進行驗證和修正，通過理論曲線與試驗結果相比較，為SPF技術提供了一定的理論依據和合理的壓力-時間加載曲線設計方法。

3.2 典型構件制造技術研究

主要針對飛機結構的幾種結構形式，研究其高溫、高溫密封；進氣方法；脫模工藝；曲線毛坯制備方法；典型構件的制造方法及工藝流程、工藝參數的選用；隔離劑圖形的設計制備等。這些制造方法的研究，能夠為典型構件的研制提供一整套可選用的方法，并為設計部門提供了重要的設計依據。

3.3 超塑成形/擴散連接前后材料的力學性能變化研究

主要包括常溫性能、高溫強度、疲勞性能等。為設計部門提供重要承力構件的設計依據，并通過此研究向材料生產廠家提出合理的訂貨技術要求，為在我國制定生產超塑成形專用材料的正式標準提供有價值的參考。經過超塑成形/擴散連接熱循環后的板材，由于晶粒長大及氫氧含量變化和材料表面狀態變化等原因，使其力學性能發生變化。因此，在工藝過程中嚴格控制加熱溫度、時間，合理的設計加載曲線，采取必要的表面保護措施是非常重要的。

3.4 超塑性材料研究

增加超塑性材料品種，開發現有材料的超塑性。如Ti基復合材料、金屬間化合物等材料超塑性的開發；納米材料超塑性的實用化研究和高應變速率超塑性合金的研究。

4 超塑成形/擴散連接技術在航空航天上的應用

從20世紀60年代開始，受到先進飛行器的刺激和推動，國外航空工業率先開展超塑成形技術研究。70年代早期，美國洛克威爾公司首先將超塑成形技術應用于飛機結構件制造中，使鈦合金制造工藝發生了技術變革。隨后，歐美將鈦合金SPF、SPF／DB技術列為重點研究項目，促使超塑成形整體結構在飛機、發動機、導彈、衛星、艦艇等工業領域的應用不斷擴大，顯示出旺盛的生命力，在已獲得的工程應用領域內產生了巨大的技術經濟效益：F-15E后機身結構采用SPF／DB整體結構后，減少了726個零部，并取消了10000多個緊固件；聯合戰斗機（JSF）的后緣襟翼和副翼、F-22后機身隔熱板等重要結構均采用了鈦合金超塑性成形／擴散連接的整體結構。

在民用飛機結構制造方面，據統計：飛機結構重量中8%-10%以上的結構可以采用超塑成形整體結構。這些應用包括穩定性設計結構(肋、梁、框架、承壓支柱)、復雜的多板式部件(壁板、固定托架和支撐架)、復雜殼體(管道、箱體、容器)氣動面、檢修口蓋／艙門、發動機艙部件、發動機轉子零件、熱空氣管道以及裝飾壁板和生活設施等。歐洲空中客車公司的A310、A320、A330／340制造中，采用超塑成形／擴散連接的鈦合金兩層超塑整體結構替代鋁合金鉚接結構后，取得了減重46%的效果；波音777發動機氣動艙門采用了兩層超塑整體結構，用以替代原來的焊接結構，原來結構23個零件需要70h的裝配時間，采用鈦合金超塑兩層整體結構后減少到2個零件，裝配時間僅需6h，同時減重1.4kg。

在發動機領域，超塑成形／擴散連接組合工藝已經成為重要結構制造的關鍵工藝。作為大涵道比渦扇發動機的關鍵部件之一，英國羅·羅公司率先采用SPF／DB技術研制寬弦無凸肩空心風扇葉片，其特點是利用桁架結構取代蜂窩結構，使葉片重量減輕了15%，大大改善了葉片的氣動特性，先后將26片鈦合金空心寬弦無凸肩風扇葉片應用到遄達700和遄達800發動機上。最近，空客A380飛機使用的遄達900發動機，其一級風扇直徑為295cm，整個風扇部件包括24片采用彎掠設計的空心鈦合金風扇葉片，大大改善了葉片的氣動特性，在抗外來物損傷方面比早期的風扇葉片效率更高。

此外，近年來隨著導彈輕量化、高強度要求的進一步升級，鈦合金超塑成形/擴散連接整體結構制造技術引起了高度的關注。導彈彈體結構、氣動面采用鈦合金SPF/DB技術工藝后可實現無余量結構制造，省去了大量機加工時間、緊固件和裝配作業的時間。更為重要的是，SPF/DB工藝有利于整體成形出具有薄壁空心、形狀復雜、光滑表面和氣動外形流暢的導彈彈體結構。另外，采用鈦合金超塑成形／擴散連接技術制造的薄壁夾層空心結構還能有效實現埋入式結構的功能，在一體化制造方面潛力巨大。

5 結論

超塑成形/擴散連接技術應用表明：盡管材料（鈦合金）成本高，但成本效益和重量減輕對航空航天的吸引力更大；超塑成形/擴散連接技術在國外已廣泛應用于飛行器零部件的生產中，并開始批量生產；我國超塑成形/擴散連接技術在上世紀70開始研究，不僅應用于飛機的零部件，而且還在航空發動機、導彈結構上廣泛應用，有效的減輕重量，降低制造成本，提高系統可靠性和耐久性，為促進航空航天技術進步做出了貢獻。

［1］郭健,楊建民,劉振崗.擴散焊技術的應用[J].學科發展,2004.

［2］朱平.一種新形的擴散焊連接技術[J].制導與引信,1999.

［3］李志強,郭和平,等.超塑成形/擴散連接技術的應用進展和發展趨勢[J].航空制造技術,2010.

［4］李志強,郭和平.超塑成形/擴散連接技術在航空航天工業中的應用[C]//2004航空航天焊接國際論壇論文集.2004.