» » Современное состояние практического применения сверхпластичности
27.01.2015

Сверхпластичность сплавов считается в настоящее время хорошо изученным явлением. Выяснены многие факторы, контролирующие сверхпластическую деформацию, благодаря чему стало возможным практическое использование этого явления. Следствием такого прогресса явилось то, что большее число известных металлических сплавов рассматривается в настоящее время как сплавы потенциально сверхпластичные. Значительно вырос объем информации о практическом использовании сверхпластичности в ряде отраслей промышленности.
В данном обзоре практических приложений эффектов сверхпластичности основное внимание уделено только одной особенности сверхпластичных сплавов — сверхмелкому зерну. Эта особенность, несомненно, самая важная характеристика микроструктуры сверхпластичных сплавов.
В статье рассмотрены характерные признаки сверхпластичности и методики измерения очень малых зерен и обсуждаются методы формоизменения и перспективы использования сверхпластичности в промышленности.
Сверхмелкое зерно

Важнейшей характеристикой микроструктуры сверхпластичных сплавов является очень мелкое зерно (порядка нескольких микрон или меньше). Установлено, что большое значение имеют также форма зерен и их распределение. Зерна в двухфазном сплаве должны быть равноосными и равномерно распределенными. Для обеспечения максимальных удлинений объемное соотношение фаз в двухфазном сплаве должно быть близким к 1:1. He менее важна и относительная стабильность размера зерна в процессе деформации при повышенных температурах. Сохранение мелкого зерна возможно при наличии дисперсных частиц на границах зерен, затрудняющих миграцию последних.
Наряду с очень мелким зерном необходимо наличие очень большой площади поверхности границ зерен. Такое соотношение следует из геометрических соображений, но при этом нe совсем ясно самостоятельное значение большой площади границ зерен.
В сверхпластичном сплаве можно выделить три типа внутренних границ, которые в той или иной степени оказывают влияние на общий процесс сверхпластичности: мало- и высокоугловые границы в однофазном материале и высокоугловые некогерентные межфазные границы между различными фазами в многокомпонентных сплавах. Для таких сплавов наличие всех трех типов границ не является необычным (см. рис. 1).
При оценке относительной важности того или иного типа границ можно встретить чрезвычайно большие экспериментальные трудности вследствие очень малых размеров исследуемых зерен. Анализ указанной проблемы может быть облегчен в результате изучения сверхпластичности чистых металлов (без межфазных границ) или в некоторых эвтектических сплавах, имеющих только межфазные границы. Другая проблема, обусловливаемая присутствием трех типов границ, связана с определением и измерением «размера зерна».
Современное состояние практического применения сверхпластичности

Хотя относительный вклад каждого типа внутренней границы в общую сверхпластическую деформацию еще не выяснен, имеющиеся данные указывают на то, что межфазные и высокоугловые границы играют главную роль в скольжении по границам зерен. В этом отношении весьма показательно металлографическое исследование сверхпластично деформированного образца сплава. Перед деформацией на полированную внешнюю поверхность образца была нанесена сетка прямых линий. Выступы и искривления линий сетки на межфазных границах четко указывают на сильное вращение и скольжение зерен, происходящее в процессе сверхпластической деформации (рис. 2).
Одним из самых важных моментов, полученных в экспериментах по скольжению границ зерен, является четкая прямизна линий сетки поперек зерен после деформации. Это указывает на заметное отсутствие деформации внутри зерен. Прерывистость линий сетки на границах четко показывает, что большая часть деформации приходится на долю пограничных зон. Кроме вращения зерен, происходит значительное скольжение по границам зерен; результирующие сдвиги (перемещения) на поверхности образца выявляются очень контрастно при использовании стереоскопических изображений или сканирующей электронной микроскопии (рис. 3).
Современное состояние практического применения сверхпластичности

О правильности предположения вращения зерен на межфазных границах можно судить по изменению кривизны контуров границ зерен в сплаве Аl+78% (по массе) Zn до и после деформации (рис. 4). После закалки и отжига микроструктура сплава характеризуется резко выраженной прямизной контуров межфазной границы. После сверхпластической деформации границы почти полностью скруглены. Такое изменение конфигурации границ очень важно в связи с теми механизмами, которые постулируют удаление геометрических препятствий для скольжения зерен или их вращения.
Современное состояние практического применения сверхпластичности

Наличие процессов скольжения и вращения зерен в течение сверхпластической деформации свидетельствует о действии механизмов аккомодации, что позволяет образцу удлиняться без деформации внутри зерен. Препятствиями легкому вращению зерна могут быть выступы на границах зерен, острые края на стыках трех зерен или определенные типы микроструктур (такие как пластинчатые структуры). Механизм (или механизмы) аккомодации, устраняющий препятствия к скольжению или вращению зерен, должен, по-видимому, зависеть от скорости деформации, хотя соответствие (экспериментальных данных) основному механизму аккомодации еще не означает его универсальности.
Джифкинс рассматривает различные диффузионные механизмы, которые контролируют скольжение по границам зерен, например диффузионную ползучесть вдоль границ или атомио-вакаyсионное течение через выступы границ зерен. Олден также предлагает диффузионный механизм течения вокруг «выгибов» на границах зерен, согласно которому скольжение сопровождается дифaузионным течением на неровных областях границ. Ишида и Браун высказали предположение, что скольжение по границам зерен происходит при движении нерасщепленных дислокаций в плоскости границы посредством переползания и скольжения. Механизм аккомодации с помощью скольжения будет сглаживать неровные границы или края зерен, которые могли бы препятствовать дальнейшему скольжению.
Любое деформационное упрочнение, обусловленное таким процессом аккомодации, должно быть быстро снято возвратом, который происходит мгновенно в металлах с мелким зерном, или за счет динамического возврата, который играет главную роль при сверхпластической деформации эвтектоидных сплавов Al—Zn (рис. 5).
Современное состояние практического применения сверхпластичности

Очевидно, что механизмы аккомодации, применяемые к сверхпластической деформации, должны сильно зависеть от структуры границ зерен. Внутризеренной диффузии или диффузии по межфазным границам способствует «пористая» структура границ. Такая структура обычно рассматривается в атомных моделях высокоугловых некогерентных границ.
Так как пористость увеличивается при атомном несоответствии на границах, отдельные атомы на границе требуют большой свободы для движения внутри высокоугловой границы. В предельном случае атомы будут иметь неограниченную свободу перемещения.
Современное состояние практического применения сверхпластичности

Это может быть причиной отсутствия микропор в сверхпластично-деформированных сплавах, так как любое нарушение границы зерна можно быстро исправить.
Вестбрук в работе показал (рис. 6), что эффективная ширина границы зерна значительно больше (около 80 мкм), чем обычно принимаемые два — три межатомных расстояния. Более того, на фотографиях микроструктур полированных и протравленных образцов сверхпластичных сплавов часто обнаруживают растравленные пояски вокруг зерен вместо математически тонких линий — контуров границ. Наличие поясков вокруг зерен можно рассматривать как результат наличия градиента вакансий от границы зерна к соседним зернам. Если эти пояски представляют собой действительно эффективные области границ зерен, то объем материала границ зерен в мелкозернистых сплавах весьма значителен [до 10% (объемн.)]. В сущности можно считать, что зерна окружены толстым слоем пористого или «аморфного» материала границ зерен, и это обстоятельство следует учитывать при объяснении сверхпластичного скольжения по границам зерен или эффектов внутреннего трения.
Известно, что при высоких и низких скоростях деформации действуют различные механизмы деформации. При высоких скоростях деформации и низких температурах доминирует механизм сдвига, а при низких скоростях деформации и высоких температурах основным механизмом является диффузионная ползучесть. Между этими случаями имеется переходная область, в которой преобладающим механизмом деформации становится скольжение по границам зерен. Этот переход происходит в относительно узком интервале скоростей деформации и температур для чистых металлов и в значительно более широком интервале — в случае сплавов
Современное состояние практического применения сверхпластичности

На рис. 7 показаны характерные кривые, полученные при наличии широкой области перехода. Основная экспериментальная кривая представляет зависимость напряжения от скорости деформации в логарифмических координатах. Индекс чувствительности напряжения к скорости деформации — показатель степени m—может быть получен из наклона этой кривой. Максимальное значение показателя от соответствует наибольшему эффекту сверхпластичности.
Пунктирная кривая показывает отношение сдвига по границам зерен к общей деформации. Характерной особенностью этой кривой является то, что ее максимум близок к максимуму на кривой m=f(ε), а величина r=εсдвига/εобщ (%) снижается при высоких, а также низких скоростях деформации. При рассмотрении данных, приведенных на рис. 7, можно сделать вывод о том, что при определенных условиях испытаний (при оптимальной для сверхпластичности скорости деформации) более 60% общей деформации приходится на сдвиг по границам зерен.
Расширение этой переходной области может быть вызвано действием не одного, а нескольких механизмов. Сдвиг, скольжение пo границам зерен и диффузионная ползучесть не всегда обеспечивают сопоставимые вклады в деформацию в определенных интервалах скоростей деформации. Более того, при достижении определенных температур и скоростей деформации один из указанных механизмов дает основной вклад в общую деформацию, тогда как действие других механизмов будет ослабевать.
Современное состояние практического применения сверхпластичности

Были предложены два механизма, вызывающие вращение и скольжение групп зерен. Болл и Хатчисон предложили модель скольжения групп зерен вдоль благоприятно ориентированной границы зерна, причем скольжение происходит до тех пор, пока оно не будет заблокировано неблагоприятно ориентированным зерном, как это показано на рис. 8. Образование нагромождений дислокаций приводит к появлению обратного напряжения, которое предотвращает дальнейшее скольжение. После ухода дислокаций посредством переползания к границам зерен скольжение возобновляется. Предложенный авторами работы механизм весьма интересен, но нагромождения дислокаций не наблюдались экспериментально, по крайней мере, в тонких фольгах, приготовленных из образцов после сверхпластической деформации. При динамических условиях возможна ситуация, описанная Боллом и Хатчисоном.
Современное состояние практического применения сверхпластичности

Другое предположение для движения групп зерен основано на двумерной модели, предложенной первоначально для роста зерна. На рис. 9 показана четырехстадийная последовательность перехода по механизму миграции границ зерен путем «искажения в результате продвижения границ». Результатом такого перехода является образование новой конфигурации зерен с 43%-ным удлинением их размера. Окончательная форма зерна остается неизменной по сравнению с начальной конфигурацией зерен. Если же вместо механизма «искажения в результате продвижения> рассматривать скольжение (или вращение) двух нижних слева зерен относительно двух верхних правых зерен, то придем к той же конечной конфигурации зерен. Таким образом, можно получить указанные удлинения в результате движения группы зерен, но без требующихся промежуточных изменений в форме зерен. Последний процесс лучше согласуется с экспериментальными наблюдениями.
Преимущества формоизменения металла в сверхпластичном состоянии

Сверхпластическая деформация имеет определенные преимущества перед другими способами формоизменения металлов, которые касаются процесса формоизменения, а также характеристик конечной микроструктуры. Наиболее очевидным преимуществом является высокая деформируемость сплавов, что позволяет значительно расширить пределы обычных методов формоизменения. Интенсивное пластическое течение обеспечивает значительно лучшее воспроизводство формы таких сложных изделий, как диски и фланцы, что дает возможность уменьшить или полностью исключить дорогостоящие операции механической обработки и уменьшить расход металла.
Число операций при обработке металла должно также уменьшиться, так как возможно получать за одну операцию формы заготовок, близкие к чистовому размеру. Изделия определенной формы во многих случаях могут быть получены только с помощью сварки отдельных частей, а при сверхпластической деформации — из одной заготовки, что снова снижает стоимость и исключает возможную потерю структурной стабильности в сварных швах.
Во многих случаях конструктору нежелательно лимитировать пластичность материала в конструкциях наиболее эффективной геометрической формы. Конечно, нет необходимости использовать весь запас пластичности сверхпластичного сплава. Часто требуется только небольшой процент от общего запаса пластичности для получения изделий сложной формы, которые нельзя изготовить обычными способами.
Важным преимуществом является также снижение рабочих усилий для деформирования сверхпластичных сплавов. При оптимальных условиях сверхпластичный сплав будет деформироваться и течь при очень низких приложенных напряжениях. Поэтому можно увеличить размеры обрабатываемых заготовок без опасения перегрузки существующего оборудования. Это, в свою очередь, снижает затраты, идущие на изготовление нового металлообрабатывающего оборудования. Меньшие усилия дают большую гибкость при выборе способа деформации. Например, практически показана возможность использования способа вакуумного формования (применяемого обычно в производстве пластмасс) для вытяжки листа из некоторых сверхпластичных сплавов. Снижение рабочих нагрузок при деформации и низкая сопротивляемость деформированию сверхпластичных сплавов позволят уменьшить износ инструмента и снизить стоимость штампов.
При сверхпластической деформации в металле фактически не сохраняется запасенная энергия или упругие остаточные напряжения, как в случае холодной деформации, поскольку для этих условий характерны непрерывный динамический возврат, скольжение по границам и вращение зерен. В случае отсутствия запасенной энергии сверхпластично деформированные детали должны быть более стабильными в коррозионных средах по сравнению с деталями, полученными по общепринятым методам обработки. Более того, из-за отсутствия остаточных упругих напряжений обеспечивается высокая стабильность размеров изделий после термической обработки. Отсутствие упругих деформаций важно, например, при гибке титановых сплавов.
Другим преимуществом сверхпластической деформации является хороший контроль микроструктуры и механических свойств в готовом изделии. Равноосная мелкозернистая микроструктура, сохраняющаяся после сверхпластической деформации, показана на рис. 4 В результате обычной деформации получается наследственная направленность формы зерен (рис. 10). Важным преимуществом равноосной микроструктуры зерен является то, что такая структура обеспечивает изотропность механических свойств. Многие детали, полученные обычными способами обработки, имеют низкую ударную вязкость и сопротивление усталости в поперечном направлении из-за анизотропии микроструктуры. Подобным образом, низкое сопротивление коррозии под напряжением имеют материалы с микроструктурой «end—on—grain», а при сверхпластичном формоизменении такая микроструктура не образуется.
Современное состояние практического применения сверхпластичности

В этом отношении эффекты, обусловленные кристаллографической текстурой, могут быть сведены к минимуму или полностью исключены при деформировании материала в сверхпластичном состоянии. Показано, что первоначальная текстурованность эвтектоидного сплава Al—Zn заметно уменьшается при сверхпластической деформации. Более того, не обнаружено текстуры при сверхпластической деформации листового материала эвтектоидного сплава, первоначально имеющего беспорядочную текстуру.
Промышленные сверхпластичные сплавы

Перечень известных в настоящее время сверхпластичных металлов и сплавов приведен в табл. 1. Некоторые сплавы представляют только лабораторный интерес, тогда как другие являются конструкционными промышленными сплавами, используемыми в технике.
Современное состояние практического применения сверхпластичности

Явление сверхпластичности широко распространено в а+р-титановых сплавах (табл. 1). Исследователями из компании «Lockheed» описаны параметры сверхпластической деформации сплавов Ti+6% Al+4% V, Ti+ +8% Al+1 % Mo+1 % V и Ti+6% Al+2%V+4% Zr+ +6% Mo. Кривые температурной зависимости общего удлинения этих сплавов приведены на рис. 11. Ли и Бэкофен показали наличие сверхпластичности в сплавах Ti+5% А1+2,5% Sn и Ti+6% A1+4% V путем измерения скорости деформации и температурной зависимости показателя т. Для этих сплавов показано, что максимум сверхпластичности обнаружен при температурах несколько ниже температуры β-превращения, т. е. в двухфазной α+β-области, в которой мелкодисперсная микроструктура сохраняется в течение изотермической деформации. Сплав Ti+6% A1+4V имел наибольшее удлинение (около 1600%), и такое его поведение обусловлено тем, что объемное соотношение двух фаз близко к оптимальной величине 1:1.
Современное состояние практического применения сверхпластичности

Значительно труднее выявить сверхпластичность в сталях. Однако важные сведения были получены от компании «International Nickel Company», сотрудники которой разработали новую серию хромоникелевых нержавеющих сталей, способных деформироваться сверхпластично. Одна сталь — Fe+26% Cr+6,5% Ni — освоена в промышленности и имеет марку IN-744X. В отличие от обычных однофазных нержавеющих сталей с размером зерна более 50 мкм сталь IN-744X является двухфазной с размером зерна 2—3 мкм. Микроструктура этого сплава, названная «микродуплекс», состоит из мелкодисперсных выделений аустенита в ферритной матрице. Сталь IN-744X может иметь удлинение до 600 % при 982,2° С. После деформации и отжига прочностные свойства стали при комнатной температуре примерно в два раза выше, чем у обычных нержавеющих сталей после закалки.
Сверхпластичность в системе Al—Zn была изучена значительно лучше, чем в любой другой системе легирования. Эвтектоидный состав [22% (по массе) Al] обнаруживает максимальную сверхпластичность. Удлинения до 1600% в этом сплаве были получены при температурах испытания 250—270° С. Этот сплав используют в промышленности и он производится компанией «Ball Brothers Incorporation» в США и «Rio Tinto Zinc Company» в Англии.
Многие промышленные сплавы могут быть формоизменены сверхпластично, если в сплаве получена определенная микроструктура и известны параметры деформации. Титановые сплавы, нагретые в двухфазной α+β-области, должны деформироваться сверхпластично при определенных параметрах нагружения. Даже метастабильные β-сплавы могут деформироваться сверхпластично, если вначале они будут медленно охлаждены с температуры выше температуры p-превращения до α+β-области и затем продеформированы. После деформации посредством нагрева выше температуры β-превращения и закалки можно снова получить β-фазу при комнатной температуре.
Современное состояние практического применения сверхпластичности

Некоторые бериллиевые сплавы имеют идеальные для сверхпластичности микроструктуры. На рис. 12 показана микроструктура отожженного сплава локаллой [Ве+38% (по массе) Al]. Двухфазная микроструктура по своему характеру напоминает микроструктуру сверхпластичных эвтектоидных сплавов. Зерно чрезвычайно мелкое и должно быть стабильно при высоких температурах ввиду двухфазности.
Бинарные сплавы, выявляющие сверхпластичность, обычно состоят из элементов с близкими температурами плавления и близкими диффузионными характеристиками в обеих фазах. Сплавы Be-Al не соответствуют этим критериям. Однако, скорость самодиффузии в бериллии аномально высокая и очень близка к самодиффузии алюминия при любой температуре ниже точки плавления алюминия. Поэтому, вероятно, можно установить условия, при которых бериллиево-алюминиевые сплавы будут сверхпластичными.
Развитию эффектов сверхпластичности в алюминиевых сплавах препятствует невозможность сохранения мелкого зерна при повышенных температурах и низких скоростях деформации. Однако присутствие мелкодисперсных частиц второй фазы на границах зерен может сдерживать рост зерна. Такие алюминиевые сплавы, как 7075 и 7185, имеющие частицы второй фазы, можно рассматривать как наиболее перспективные в этом отношении.
Способы сверхпластичного формоизменения

Сверхпластичность можно использовать во многих современных методах обработки металла. Одним из реализованных практических приложений сверхпластичности являются операции формоизменения листового материала, хотя преимущества сверхпластичных сплавов при деформации больших сечений очевидны. По-видимому, должны быть дополнительно развиты новые способы формоизменения для использования уникальных свойств сверхпластичного состояния сплавов.
Определенные способы вакуумного или вакуумногазового прессования с механической подпрессовкой либо без нее легко применимы к вытяжке листа сверхпластичных металлов. Эти методы, развитые ранее при производстве пластмасс, не могут быть использованы в случае обычных металлов из-за высоких напряжений, требующихся для пластического течения. Чрезвычайно однородные удлинения и низкие напряжения течения в сверхпластичных сплавах позволяют успешно применять способы термопластического формоизменения пластмасс к металлическим материалам.
Некоторые общие способы формоизменения показаны на рис. 13. Окисление не играет существенной роли в формоизменении пластмасс, однако этот эффект необходимо учитывать при высокотемпературном формоизменении металлов. Использование вакуума или инертных газов дает определенные преимущества в отношении уменьшения или полного исключения окисления сверхпластичных сплавов.
Современное состояние практического применения сверхпластичности

Деформируемость сплавов при глубокой вытяжке или при формовке вытяжкой должна быть усилена в процессе нагружения в сверхпластичном состоянии. Кожуха, колпаки и конуса могут быть получены относительно легко со степенями вытяжки, превышающими обычные предельные значения. Большие равномерные удлинения и отсутствие шейки на деформируемой детали будут препятствовать утонению стенки кожуха в местах максимальных напряжений. При вытяжке заготовок в сверхпластичном состоянии повторные операции вытяжки и промежуточные отжиги могут быть исключены из технологического цикла и все операции осуществляются за один проход. Операции доводки ковкой для обеспечения равномерной толщины изделия можно также исключить.
Современное состояние практического применения сверхпластичности

Оригинальным способом формоизменения является бесфильерное волочение, объединяющее нагружение только растягивающими усилиями с локализованным нагревом. Этот уникальный метод волочения основан на сверхпластичном поведении материала и был предложен независимо друг от друга Вейсом и Джонсоном. Трубную заготовку (рис. 14) зажимают с одного торца, а другой — вытягивается с контролируемой скоростью v2. Индуктор нагревает локализованный участок трубы до свехпластичного состояния и перемещается со скоростью v1. Полученное обжатие определяется из простой формулы:
Современное состояние практического применения сверхпластичности

За один проход были достигнуты обжатия до 50%. Многократные проходы позволяют получить большие суммарные обжатия. Указанная схема перспективна для случаев, когда необходимо сохранить осевую симметрию при обжатии заготовок. Конические формы получаются при условии, что одна скорость будет постоянной, а другая — переменной. Аналогичным способом листы или пластины можно прокатать до любого заданного размера, при этом для локального нагрева при деформировании может быть использовано контактное сопротивление в очаге деформации.
Кроме методов формоизменения металла, основанных на использовании сверхпластичности при приложении растягивающих напряжений, имеются потенциальные возможности использования методов формоизменения при сжатии. Прессовая ковка (штамповка) в сверхпластичном состоянии дает возможность значительно увеличить деформируемость заготовок и снизить стоимость технологического процесса. Размеры пресса можно уменьшить или, наоборот, на существующих прессах могут быть прокованы заготовки большего сечения.
Повышенная способность к пластическому течению сверхпластичных сплавов позволяет получать лучшее заполнение металла в таких деталях, как фланцы и диски, и, таким образом, увеличить допустимую сложность конфигурации кованых деталей. Размеры получаемых при этом деталей более близки к чистовым размерам, а многократные операции штамповки могут быть исключены. Потери металла от механической обработки поковок будут снижены, в частности, это дает большую экономию в случае ковки титановых сплавов. Так как заготовки в сверхпластичном состоянии деформируются под действием малых усилий, штампы могут быть изготовлены из менее прочных и более дешевых материалов. Однако, штамповый инструмент должен работать при этом в условиях продолжительных выдержек при повышенных температурах. В этом отношении перспективны никелевые сплавы и даже керамики.
Сверхпластичные сплавы обладают теми же потенциальными преимуществами в случае экструзии, как и при прессовой ковке. К ним относятся меньшие размеры плунжера и входных углов, более низкая необходимая прочность инструмента и меньшая его стоимость, повышенная сложность получаемой формы и близость размеров деталей к чистовому размеру.
Перспективы применения эффектов сверхпластичности в промышленности

Вероятно, первые попытки применения сверхпластичности в производственных процессах будут сделаны в автомобильной промышленности. Компания «British Leyland Motor Corporation» использует эвтектоидный сплав Al—Zn, который получил марочное наименование «Престал», для панелей кузова автомобилей и других аналогичных деталей. Панели, показанные на рис. 15, изготавливают из листа методом вытяжки под действием низкого давления. Большинство производственных проблем, возникающих при сварке, пайке и окраске таких деталей, уже разрешено.
Современное состояние практического применения сверхпластичности

Методы формоизменения, основанные на вытяжке под действием низкого давления (вакуума) либо давления газа, были использованы компанией «Lockheed Georgia» для производства экспериментальных сложных ячеистых (сотовых) конструкций из листового сверхпластичного сплава. На рис. 16, а в качестве примера показана конструкция вафельного типа, полученная в результате вакуумной вытяжки в сверхпластичном состоянии. Ячеистые конфигурации получены соединением вафлеобразных слоев друг с другом и последующей облицовкой их листами (рис. 16,б). Очевидным преимуществом такой конфигурации над ячеистой структурой является то, что облицовочные листы прикрепляются по всей плоскости, а не к поверхностям по периметру. Такая конфигурация позволяет получать естественные каналы и исключить локальные водяные застои в теплообменниках типа радиаторов. Ячеистая геометрия может быть оптимальной формой для целого ряда технических назначений, подобно сотовым конфигурациям из пластмассовых материалов.
Современное состояние практического применения сверхпластичности

Другим возможным применением сверхпластичности является изготовление из листа металлических ящиков для хранения инструмента. В настоящее время такие ящики изготавливают с помощью многочисленных операций штамповки. Использование сверхпластичных сплавов при производстве ящиков для хранения инструмента методом газового выдавливания за одну операцию — экономически выгодно. Экспериментальная коробка, полученная посредством формоизменения в сверхпластичном состоянии при комбинированном действии вакуумного разрежения и атмосферного давления, показана на рис. 17.
Современное состояние практического применения сверхпластичности

Использование сверхпластичности позволяет повысить пределы деформируемости при глубокой вытяжке. На рис. 18 показаны результаты испытаний на выдавливание (высаживание) колпачков из листа сплава Ti+6% Al+4% V. Все колпачки деформировались с оптимальной для сверхпластичности скоростью деформации. Однако вытяжка колпачков а и б проводилась при температурах, не соответствующих сверхпластичному состоянию, тогда как колпачок в был получен выдавливанием при оптимальной для сверхпластичности температуре и наглядно иллюстрирует резко повышенную способность к вытяжке.
Современное состояние практического применения сверхпластичности

Пример правильного выбора температуры формоизменения при изготовлении панели авиационной переборки синусоидального профиля из листа сплава Ti+6% Al+4% V показан на рис. 19. При температуре формоизменения 565° С обычно наблюдается обратное пружинение листа. Однако панель была успешно изготовлена при повышении температуры обработки до 649° С. Скорость деформации при этом достаточно низкая, что позволило использовать эффекты сверхпластической деформации. На рис. 11 показана зависимость удлинения от температуры для данного сплава. Видно, что точка А (649° С) лежит на нижнем конце пика сверхпластичного удлинения, а точка В (565,5° С) находится вне температурного интервала сверхпластичности. Этот пример показывает, что не всегда следует использовать полный потенциал сверхпластичности сплава для достижения хорошей его деформируемости.
Обычные способы формоизменения не позволяют получать панель авиационных крыльев требуемой интегральной жесткости (рис. 20). Конструкция, обеспечивающая оптимальную жесткость, требует получения продольных буртиков высотой 30,5 мм из листа сплава Ti+6% Al+4% V толщиной 0,96 мм. При обычных параметрах деформации сильные локальные утонения приводят к разрушению на кромках скругления (см. рис. 20 точка А). Обычными испытаниями на деформируемость при штамповке показано, что достаточная пластичность листового материала обеспечивается штамповкой при соблюдении параметров проявления сверхпластичности.
Современное состояние практического применения сверхпластичности

Отдел авиации фирмы «Pratt and Whitney» разработал процесс «высокой пластичности» для ковки деталей реактивных двигателей. Этот способ объединяет преимущества сверхпластической деформации при ковке жаропрочных суперсплавов на никелевой основе, ковка которых обычно затруднена. При указанном процессе используют низкие напряжения течения для высокотемпературного сверхпластического деформирования. В результате получаются поковки с очень малыми допусками. Это позволяет уменьшить массу исходной заготовки и значительно уменьшить стоимость последней механической обработки. Можно использовать менее мощные ковочные молота, так как требуются значительно меньшие усилия при ковке. Поверхность многих поковок получается такого качества, что механическая обточка исключается. Кроме того, получаемые поковки имеют однородные механические свойства. К сплавам, которые могут коваться по технологии процесса «высокой пластичности», относятся сплавы IN-100, INCO-901, А-286, астроллой, В-1900, васпаллой. Примеры, демонстрирующие сложность формы поковок, которые можно получать этим способом, показаны на рис. 21.
Современное состояние практического применения сверхпластичности

Положительные результаты, полученные недавно на прецизионных отливках кузнечных штампов из сплава инконель, позволяют считать этот материал перспективным для кузнечных штампов при ковке титановых сплавов в сверхпластичном состоянии. Штампы из никелевых сплавов сохраняют достаточную прочность в условиях продолжительной работы при повышенных температурах, что позволяет осуществлять изотермическую штамповку титановых сплавов в температурной области сверхпластичности. При этом допустимы более низкие скорости деформации по сравнению с обычной штамповкой, снижаются усилия при штамповке и достигается лучшее заполнение полостей прессформы без подготовительных операций. На рис. 22 приведены данные, свидетельствующие о повышенной способности заполнения полостей прессформы с понижением давлений при горячей штамповке и повышением температуры штамповки до параметров области сверхпластичности.