等温锻造与超塑锻造的材料性能

FMMM 2023年9月26日浏览：1529 收藏：2

采用等温锻造或超塑性锻造，不仅可以成形许多常规金属材料，而且可以成形许多常规变形方法不能加工的低塑性、难变形材料，目前已广泛应用到合金钢、钛合金、铝合金、镁合金、高温合金、金属间化合物、大块非晶、复合材料以及粉末材料的成形加工方面。等温锻造和超塑性锻造工艺规范的确定以材料流动应力低、塑性高、氧化少为原则，并要兼顾到模具材料的承受能力。材料在等温状态下的流动应力受温度、应变和应变速率的影响，既具有应变强化特性，又具有应变速率强化特性。依材料品种、成形温度和应变速率不同，上述两种特性彼此消长，而材料的塑性也同样受上述因素的影响。合理的成形工艺热力规范可以保证材料具有较高的塑性和低的变形抗力，有利于成形过程的稳定进行。不同种类的材料其应力应变曲线具有很大的差异，为了合理地确定其等温锻造和超塑性锻造工艺规范，应对不同材料的等温锻造和超塑性锻造成形性能进行具体分析。

如前所述，组织超塑性的前提是材料具有等轴细晶组织。获得该组织的途径有三种：工业供货状态即为等轴细晶组织，主要是部分钛合金（如Ti-6Al- 4V）、双相不锈钢（如0Cr21Ni5Ti）；为获得超塑性而特殊开发的材料品种，主要是在超塑性研究早期；工业牌号材料的细晶化处理。

等温锻造与超塑锻造的材料性能的图1

钛合金的等温锻造和超塑性锻造性能

钛及钛合金由于质量轻、比强度高、耐腐蚀性能突出、高温性能优良，成为航空航天等领域中非常重要的结构材料。但是，钛合金的冷变形抗力大、回弹严重、塑性不高，冷加工性能差，采用传统方法加工难度很大，其塑性加工通常是在高温下进行的，等温锻造和超塑性锻造是钛合金塑性加工的重要手段。钛合金属于组织结构、应变速率敏感性材料，其力学性能随组织结构和应变速率变化，另外，钛合金的变形抗力随温度的降低是急剧增加的，且比钢铁材料的增加速度要快得多，因此，钛合金对等温锻造和超塑性锻造工艺参数的控制要求较高。

铝合金的等温锻造和超塑锻造性能

铝合金是最重要的轻量化结构材料之一，在工业上得到了极为广泛的应用。一般来说，随着合金化程度的提高，铝合金的强度得到提高，但塑性总是降低的，并且其锻造温度范围比较窄，通常在100℃ 左右，许多高强度铝合金的成形性能差，成形温度范围更窄，其等温成形技术的开发应用具有重要意义。由于铝合金的熔点温度较低，对成形加工的时间不必加以限制，在生产效率允许的前提下，可以采用较低的温度和速度进行等温锻造或超塑性锻造，模具材料的选择范围也更宽一些。

镁合金的等温锻造和超塑锻造性能

镁合金作为最轻的实用金属材料，受到世界各国的高度重视。但是，由于具有密排六方结构，与立方结构的钢铁材料以及铝合金相比，镁合金不仅强度

低、耐腐蚀性能差，而且加工性能差，限制了其应用。镁合金在高温下有很好的组织稳定性，作为难变形材料的重要成形技术，等温锻造和超塑性锻造技术

将为镁合金的应用提供有效的手段。许多镁合金的超塑性不受10μm以下的晶粒尺寸的限制，可以不进行任何超细化处理而直接进行超塑性成形。

钢铁材料的等温锻造和超塑锻造性能

对于碳钢和合金钢，当温度高于700℃ 时，具有较高的塑性和较低的变形抗力，并且变形抗力随变形程度的变化不大，因此，碳钢和合金钢的变形温度范围是比较宽的，通常采用常规热变形方法进行成形。但是，对于形状复杂的小型零件，采用等温锻造或超塑性锻造，可以减少成形道次，获得高质量零件。

镍基合金的等温锻造和超塑锻造性能

镍基合金具有优良的高温性能，适合在高温下长时间工作，是目前制造先进航空发动机和燃气轮机叶片的主要材料。由于该合金应变硬化倾向严重、变形抗力大，冷成形困难。镍基合金在等温锻造或超塑性锻造前通常需要经过细晶化处理。另外，某些高温合金在等温锻造过程中采用高低应变速率组合变形时，低应变速率对应的流变应力较单独使用同值低应变速率的流变应力大为降低。

金属间化合物的等温锻造和超塑锻造性能

金属间化合物具有轻质、高温性能优良的特点，适合在高温下长时间工作，是制造先进发动机和燃气轮机耐热构件的理想材料。但是，该合金室温脆性高，变形抗力大，基本不可冷成形，除了铸造和粉末冶金直接成形零件外，等温锻造或超塑锻造是非常合适的近净成形工艺。金属间化合物在等温锻造或超塑性锻造前通常需要经过细晶化处理。