浅谈超塑成形&扩散连接技术

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上一期小编只是顺带提了一下超塑成形/扩散连接技术，没想到当我翻看留言时，发现有粉丝让小编详细介绍一下此技术。

好！满足大家！这期咱们就来讨论讨论超塑成形/扩散连接技术。

介绍这项技术之前，首先要了解一下什么是金属的超塑性。一般来说，常见金属的塑性不会超过60%，即使高温下也难以达到100%，而有些金属在某个特定温度区间和组织条件下，以低应变速率变形时，会呈现出抗力小而应变大的一种现象，此即为金属的超塑性（图1）[5]。

目前对超塑性机理的解释，广为接受的是扩散蠕变和晶界滑移协调变形理论（A-V理论）[1]，其由阿什布(Ashby)和维罗(Verrall)提出。该模型是由一组平面的4个六方晶粒组成(图2)。

在二维平面中，一组六边形晶粒受到向上的拉应力，由原始状态转变为中间状态，最后变成最终状态，晶粒重排过程中，只发生了位置变化并未改变形状。通过大量的实验确实发现在超塑变形的过程中存在着晶界滑移、晶粒转动和换位等行为，证明了 A-V理论，但也存在局限性，该模型仅在二维平面内考虑晶粒的相对位置变化，并没有考虑到晶粒本身是三维结构。

既然叫做超塑成形/扩散连接技术，那么肯定少不了扩散连接。扩散连接指的是在一定温度、压力下，保温一段时间，使金属间的相互接触面发生局部塑性变形，并实现接触面间材料的原子扩散，从而达到材料连接的工艺过程。看到这里我们可能会联想到焊接过程，没错，并且有过之而无不及！

该技术成形的零件精度高，接头性能接近甚至与母材（同种材料连接时）相同，并且在连接界面处不会产生气孔、宏观裂纹等缺陷，也几乎不存在残余应力，还可以实现难焊材料的连接！其过程大致可由下图（图3）表示[2]。

扩散连接的实现靠的是固态晶体中原子克服位垒，移动至相邻位置的微观过程。打一个不恰当的比喻，当你去购物时，只有你付的钱达到了商品的价格，双方才能达成交换，而促销时的打折就像在反应过程中加入了某些条件，降低了克服位垒所需要的能量。

美国是最早研究超塑成形/扩散连接技术的国家，并运用于航空领域。截至1986年，已有12家公司具有能力运用该技术生产结构件，其应用情况如下表（表1）所示[3]。

随后，英国、法国、德国及日本等国也加入其中，发展迅速，并将该项技术应用于“狂风”战斗机的机身框架、发动机止推座、隔热罩、热交换导管等部位。雅克42客机的发动机检修舱门也涉及到此技术。

相比国外，国内对该技术的实际应用还是相对落后的，相关的研究单位并不是很多，但也有了一定的成果。开发的钛合金口盖（两层）、腹鳍（四层）、发动机整流叶片[4]（图4）等轻量化整体结构已在我国飞机、发动机上得到了应用, 并且有效地减轻了重量，降低了制造成本，提高了系统可靠性和耐久性，为促进航空航天技术进步做出了突出贡献。

（投稿作者：阿政）

• 参考文献

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

[2]方洪渊, 冯吉才. 材料连接过程中的界面行为[M]. 哈尔滨工业大学出版社[等], 2005:134.

[3]王向民,乔宦文.钛合金SPF/DB技术在航空工业中的应用[J].钛工业进展,1998(01):8-11.

[4]李志强,郭和平.超塑成形/扩散连接技术的应用进展和发展趋势[J].航空制造技术,2010(08):32-35.

[5]彭鹏. Mg-Gd-Y-Zn-Zr稀土镁合金蜂窝结构超塑成形/反应扩散连接成形工艺研究[D].哈尔滨工业大学,2020.

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原文已于2023年2月3日发布于同名公众号平台。 

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