超塑成形/擴散連接(Superplastic Forming / Diffusion Bonding,SPF/DB)技術可以使復雜薄壁零件整體化,在降低飛行器結構重量、提高結構完整性和承載效率方面具有獨特的技術優勢。
超塑成形是利用某些材料在特定條件下具有極好的變形能力這一特性而發展起來的一種成形工藝,采用超塑成形工藝能夠制造出常規工藝難以成形的復雜結構,而且沒有回彈,能夠保證成形零部件的精度,加工重復性好[4]。擴散連接是利用被連接材料的表面在不足以引起塑性變形的壓力和低于被連接工件熔點的溫度條件下, 使接觸面通過原子間相互固態擴散而形成連接的方法。
對于鈦合金而言,材料的超塑成形溫度和擴散連接溫度接近,可以在一個熱循環中完成成形和連接2個工藝過程,從而制造出復雜外形曲面、內筋加強的空心整體構件。與傳統鉚接結構和螺接結構相比,SPF/DB 結構大大減少了零件和工裝數量,并有效消除了緊固孔引起的裂紋源,從而使其結構耐久性和損傷容限有了大幅度的提高和改善。
超塑成形/擴散連接整體構件的基本結構形式都可按照設計要求進行適當改進,以滿足特殊零件的制造要求。在典型的三層和四層超塑成形整體結構工藝制造過程中,內層芯板先根據構件加強要求的形式進行封邊焊接,然后面板和芯板沿周邊擴散連接并氣壓成形,最后在超塑成形溫度和壓力下,完成芯板之間以及芯板與面板之間的擴散連接。整個過程只需一個成形模,不需要中間退火或其他熱處理,大大減少了工裝和零件制造、裝配的工作量,同時達到明顯減重、降低制造成本的目的。超塑成形整體構件的內部結構形式和尺寸可通過止焊劑圖形的調整來改變,從而使得結構設計靈活、自由。
SPF/DB技術在國外航空航天領域的應用
從20 世紀60 年代開始,由于超音速巡航飛機計劃的刺激和推動,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。
美、歐等國的大型國防研究計劃對于SPF、SPF/DB 技術的發展起到了至關重要的作用,促使鈦合金超塑成形整體結構在飛機、發動機、導彈、艦艇等工業領域的應用不斷擴大,顯示出旺盛的生命力。
在民用飛機結構制造方面,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。