秦中環(huán)，徐柄桐，李保永，劉 奇，徐 凱，葉志雄

(北京航星機器制造有限公司，北京 100013)

隨著軌道交通體系的不斷發(fā)展和日臻完善，美觀、環(huán)保、高速和節(jié)能已成為了現(xiàn)代化軌道交通的重要標志，這也對車輛組成部件設計制造方法提出了更高的要求，以輕量化為主體的先進車輛材料技術已成為未來發(fā)展趨勢.大量采用鋁合金材料是提高車輛輕量化的最有效的途徑，采用大型薄壁、中空擠壓型材，鋁合金板材等輕質(zhì)合金加工制造高速列車、地鐵、輕軌等軌道交通車輛用車體結構件(如圖1所示)，以及采用鋁合金制造的包括車窗框架、座椅支架、通風管、復雜形狀的面板、內(nèi)部裝飾板、水箱等列車內(nèi)設備及其它結構件，具有重量輕、耐腐蝕、美觀和防涂寫等優(yōu)良性能[1].然而，由于鋁合金與傳統(tǒng)鋼板相比，冷成形回彈大，成形精度低，可變形量小，制約了鋁合金的應用，利用材料在超塑狀態(tài)下優(yōu)異變形能力發(fā)展起來的超塑成形技術是解決鋁合金成形問題的有效方法之一[2-3].超塑成形可以在小噸位設備上成形形狀復雜、其他塑性加工工藝難以或不能成形的零件，可以實現(xiàn)近凈成形，滿足軌道車輛鋁合金零件的成形需要[4-6].目前，國內(nèi)外超塑成形技術主要應用于航空航天領域，軌道車輛民用大尺寸復雜金屬結構件制造技術仍不成熟，國內(nèi)超塑構件民用化進程還很緩慢，快速超塑成形技術還未取得關鍵性突破[7].

1 超塑成形簡介

1.1 超塑成形原理

超塑性是材料在特定條件下的一種特殊現(xiàn)象，材料在斷裂之前表現(xiàn)出均勻大延伸率的能力，不出現(xiàn)頸縮，也不會斷裂，延伸率超過200%即認為其具有超塑性[8-10]，如圖2所示[11].超塑成形是指在一定的溫度和變形速率條件下，材料呈現(xiàn)超塑性時施加壓力使材料產(chǎn)生變形.超塑成形的材料多為板材，施加的壓力多為氣體壓力.一般地，超塑成形需滿足平均晶粒尺寸小于10 μm、溫度大于0.5Tm(合金熔點)、應變速率介于10-5～10-1s-1之間等條件[12-13].

圖1 世界各國軌道交通車輛

圖2 TA12A鈦合金超塑拉伸結果[11]

Fig.2 Superplastic tensile results of TA12A titanium alloy[11]

同其他的塑性加工方法相比，超塑成形具有一次成形、成形精度高、成形性好、變形抗力低、設計靈活、成形后鍛件無回彈和殘余應力、能加工塑性差的材料、材料利用率高、減少后續(xù)加工過程等優(yōu)點[14].但超塑變形對晶粒尺寸和應變速率敏感，很大程度上造成了材料成本的增加和生產(chǎn)效率的降低[15].超塑成形通常為減薄成形，壁厚分布不易控制[16].

1.2 超塑成形過程

超塑成形可以用于制造大型薄壁復雜構件，能大大減少螺栓、鉚釘?shù)染o固件的使用數(shù)量，減少裝配時間和困難程度[17-18].板材超塑成形包括氣脹成形、超塑拉深和超塑成形-擴散連接等形式.超塑成形利用氣體壓力的變化使板材在模具上貼膜，僅需單個型面模具就可以完成成形.典型超塑成形過程為：備料→模具升溫→板材預熱→加壓密封→充氣成形→放氣卸壓→開模取件，如圖3所示.利用超塑成形方法，可以制造具有復雜幾何形狀的零件，鋁合金超塑成形典型產(chǎn)品如圖 4所示.

2 超塑成形在軌道交通上的應用

2.1 國外研究現(xiàn)狀

2.1.1 快速超塑成形材料制備方法

超塑性材料制備困難和成形效率不高是其市場化應用的主要限制因素.例如，對于鋁合金，超塑成形應變速率一般需小于1×10-3s-1.為促進鋁合金等輕質(zhì)合金商業(yè)化，研究者們致力于實現(xiàn)高應變速率超塑成形(≥10-2s-1).研究表明當鋁合金晶粒尺寸處于亞微米范圍內(nèi)且存在大角度晶界時，可以顯著提高超塑變形能力.鋁合金晶粒細化方法主要包括添加合金元素、機械熱處理和大塑形變形等等.Mikhaylovskaya A V等人[19]在Al-(3.5-4.5)Zn-(3.5-4.5)Mg-(0.7-0.9)Cu合金中加入合金化元素Ni和Zr， Zr對晶界的釘扎作用和Al3Ni共晶顆粒的形成促進晶粒再結晶、抑制晶粒長大.合金在溫度380～480 ℃和應變速率2×10-3～1×10-1s-1范圍內(nèi)呈現(xiàn)超塑性，m值大于0.5，延伸率達到400%～800%.在大塑性變形法中等通道角擠壓(ECAP)應用最為廣泛，但其所用坯料通常為長方形或圓形棒料，不適用于軌道交通用超塑成形板材的制備.基于此Nikulin等人[20]將等通道角擠壓和等溫軋制相結合，制備了平均晶粒尺寸1.4 μm、存在67%大角度晶界的7055鋁合金板材.該材料在應變速率大于10-2s-1下延伸率可達到670%，對應的應變速率敏感性指數(shù)m在0.44左右.隨著大角度晶界分數(shù)的增加，超塑性能也有所提高.Talebanpour等人[21]開發(fā)出了通道為T形的雙等通道側向擠壓法(DECLE).Fakhar等人[22]利用DECLE法獲得細晶(1 μm)和超細晶(200 nm)AA5083鋁合金，經(jīng)過單道次處理后鋁合金的m值即可獲得相當大的提高，最高可達0.43.

圖3 超塑成形原理示意圖(a)成形前(b)成形中(c)成形后

圖4鋁合金超塑成形典型產(chǎn)品(a)地鐵車頭(b)汽車前翼子板(c)發(fā)燒級音響(d)飛機艙門

Fig.4 Typical products of Superplastic forming aluminum alloy; (a) the head part of metro; (b) the front fender of car; (c) professional accdio equipment; (d) aircraft door

2.1.2 超塑成形設備及主要產(chǎn)品

在軌道交通應用水平、大規(guī)模生產(chǎn)及工業(yè)化方面，國外工業(yè)發(fā)達國家總體上領先于我國，多家外國公司已具備設計、研發(fā)和批量生產(chǎn)軌道交通用超塑構件的能力[23]，而擁有先進超塑成形設備是生產(chǎn)大型復雜民用構件的基本條件.隨著超塑成形技術的發(fā)展，超塑成形機臺面尺寸也越來越大，加壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)也越來越先進.國外超塑成形機制造商主要有法國ACB、美國ERIE公司、美國Savage公司、加拿大Accudyne Engineering & Equipment 公司、英國Rhodes Interform Limited公司和瑞士Form Tec AG公司等等[24].工作溫度、臺面尺寸、成形噸位、自動化控制系統(tǒng)先進程度是衡量超塑成形能力的關鍵指標，壓力、溫度、位移的精確控制對保證產(chǎn)品質(zhì)量至關重要，圖 5為ACB公司制造的超塑成形機，可用于鈦合金和鋁合金的超塑成形和超塑成形/擴散連接.

圖5 ACB公司制造的超塑成形機

Fig.5 Superplastic forming machine made by ACB company

借助于先進超塑成形設備優(yōu)勢，國外已形成較大軌道交通車輛超塑部件生產(chǎn)規(guī)模.圖6為法國阿爾斯通(Alston)公司使用厚度為1.2 mm的5083鋁合金超塑成形出的座椅，使用超塑性鋁合金成形出的座椅重量輕，強度高，且具有良好的防火性能.加拿大龐巴迪(Bombardier)公司使用2 mm厚的5083 鋁合金板料超塑成形出了地鐵車廂通風板零件.世界上著名的高速列車，如法國的TGV，德國的ICE等列車車體結構均采用鋁合金制造，如圖 7所示.法國地鐵最先把鋁合金材料用于鐵道客車的窗框上，英國也采用鋁合金制作鐵路電動車的外墻板和內(nèi)部裝飾材料.作為全球領先的超塑產(chǎn)品設計制造公司，英國Superform公司已生產(chǎn)多種鐵路用超塑構件，圖 8為Superform 公司利用鋁合金超塑成形出面板、側窗、門立柱等零件，不僅能很好的滿足工業(yè)設計要求，同時保持防火、輕量級和碰撞要求.

圖6 Alstom公司生產(chǎn)的地鐵座椅零件

圖7 列車車頭蒙皮

圖8 Superform公司生產(chǎn)的超塑成形零件

Fig.8 Superplastic forming parts produced by Superform Company

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2.2.1 超塑成形設備

超塑成形概念最初由王仲仁教授等人引入國內(nèi)[25]，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在超塑性材料的研制開發(fā)、超塑變形理論構建、超塑成形工藝改進創(chuàng)新、超塑成形過程有限元模擬、超塑成形精度控制以及超塑成形與其他成形方法有機結合等方面取得了很大進步[26-27].但隨著超塑成形民用化步伐的加快，超塑成形面臨生產(chǎn)成本和效率的雙重考驗，對成形設備也提出了更高的要求.北京航空制造工程研究所、北京機電研究所、南京航空航天大學等單位設計制造了從1 000 kN到5 000 kN的多種超塑成形機，在溫度、應變速率精度控制方面取得了較大進展.哈爾濱工業(yè)大學材料學院開發(fā)制造出了快速超塑成形機，實現(xiàn)了工藝參數(shù)和工序過程的自動化控制，提高了產(chǎn)品的快速設計制造能力、生產(chǎn)效率和設備利用率.北京航星機器制造有限公司自主研發(fā)了HX-HF1000三工位熱成形機和HX-SPF2000超高溫超塑成形機，獲評為2016年度中國工業(yè)首臺重大技術裝備示范項目，如圖 9所示.三工位熱成形機爐膛尺寸3 600 mm×2 600 mm，最高溫度1 000 ℃，擁有1個上平臺和2個下平臺，可實現(xiàn)高溫下工裝的快速換裝.超高溫超塑成形機爐膛尺寸3 600 mm×2 600 mm，最高溫度1200 ℃，可實現(xiàn)耐高溫材料的熱成形和超塑成形.這些大型成形設備的應用極大提高了我國民用復雜構件的生產(chǎn)能力，也為超塑民品的設計研發(fā)提供了保障[28-29].

2.2.2 超塑鋁合金制備及成形工藝

原始板材對超塑變形能力有很大影響，具有微細等軸晶粒組織的合金更有利于超塑性的實現(xiàn)，但實現(xiàn)細晶對材料的預處理要求很高，不利于壓縮控制生產(chǎn)成本的實際需要.因此，掌握關鍵材料處理方法，在不影響超塑性能的前提下盡可能減少處理環(huán)節(jié)，對超塑成形產(chǎn)品的民用化意義重大.東北輕合金公司[30]針對普通鋁合金中制備成板材后高溫超塑成形性能不佳及力學性能不高等問題，發(fā)明了一套制備軌道交通用鋁合金超塑性板材的方法，包括熔煉鑄錠、均勻化退火、熱軋、中間退火和二次軋制.經(jīng)處理后的板材高溫成形性能和表面質(zhì)量得到了很大提高.徐國富等人[31]利用異步軋制技術實現(xiàn)了一種Al-Mg-Sc-Zr合金的高應變速率超塑成形.經(jīng)軋制后，Al-Mg-Sc-Zr合金晶粒尺寸可達到1.5 μm，顯微組織由細晶結構、大量大角度晶界和彌散均勻的納米尺度Al3(Sc,Zr)顆粒組成.在溫度450～500 ℃和應變速率1×10-2～2.5×10-1s-1范圍內(nèi)延伸率可達1 000%以上，m值可達0.5.

圖9 北京航星機器制造有限公司自主研發(fā)的三工位熱成形機和超高溫超塑成形機

Fig.9 Three-location thermoforming machine and ultra-high temperature superplastic forming machine independently developed by the Beijing Hangxing Techology Development Co. Ltd.

在成形工藝方面，劉仁飛[32]以地鐵車輛窗體零件為對象，根據(jù)零件的形狀特征進行了超塑成形的工藝分析和模具設計，提出了基于有限元模擬的模具補償技術，獲得了可用于修正模具型腔尺寸的補償系數(shù)取值范圍，對后續(xù)開展大尺寸鋁合金件超塑成形工藝研究以及優(yōu)化模具設計具有重要的實際意義和應用價值.為解決現(xiàn)有軌道車輛用鋁合金覆蓋零件存在生產(chǎn)效率低和生產(chǎn)成本高的問題，王國峰[33]提出了一種軌道車輛用鋁合金覆蓋零件的超塑成形模具設計方法，即在鋁合金板料成形到一定位置后，再原位進行超塑氣脹成形，從而縮短成形時間，降低成本，利于改善壁厚局部減薄.中國中車唐林等人[34]通過對HMn52-2-5黃銅的超塑成形工藝研究，采用超塑性等溫成形工藝制造復雜精密零件，提高了材料利用率和使用性能，滿足了鐵路提速重載下對該種產(chǎn)品的使用要求.北京航星機器制造有限公司采用超塑成形方法制造了鋁合金異形薄壁地鐵內(nèi)飾件，鋁合金異形薄壁地鐵內(nèi)飾件成形過程如圖10所示.

圖10 鋁合金異形薄壁地鐵內(nèi)飾件制造過程

Fig.10 Manufacturing process of aluminum alloy profiled thin-wall metro interior parts

成形后尺寸精度達到±0.5 mm，外形光潔美觀，裝車效果如圖11所示.不僅實現(xiàn)了減輕結構重量，增加阻燃安全性，綠色節(jié)能環(huán)保等目的，還打破了國外同類型構件的技術封鎖，增強了我國高鐵、地鐵等高端民用產(chǎn)業(yè)的競爭實力，推動了工藝技術創(chuàng)新，是軍民融合的成功實踐.

圖11 鋁合金異形薄壁地鐵內(nèi)飾件裝車效果

Fig.11 Loading effectiveness of aluminum alloy profiled thin-wall metro interior parts

3 結語與展望

隨著超塑成形基礎理論、工藝優(yōu)化和設備改進等方面研究的深入，推進超塑成形技術民用化已成為共識.軌道交通車輛作為代表性的高端民用產(chǎn)品，車體和車內(nèi)復雜曲面結構較多、高速列車運行速度快、工作環(huán)境多變，利用傳統(tǒng)工藝成形零件往往需多次成形、成形精度差、性能指標低，超塑成形技術的發(fā)展應用為軌道交通用復雜產(chǎn)品高精度成形提供了一種有效解決方法.國外多種軌道交通用部件已進入批量生產(chǎn)階段，國內(nèi)多家研究機構對超塑成形民用化進行了一定程度的探索，但基本處于預研階段.超塑成形民用化，尤其是在軌道交通領域推廣應用，還需在以下方面進行進一步的研究.

1)研究更多滿足不同設計要求的超塑成形用鋁合金.國外根據(jù)設計要求研發(fā)多種牌號鋁合金，以滿足不同設計要求，而國內(nèi)用于超塑成形的鋁合金板材僅有5083一種牌號，并且需要向鋁材廠家進行訂購，不僅采購周期長，而且大大限制了鋁合金超塑成形的應用范圍.

2)摸索效率更高并且成本更低的超塑成形工藝方法.超塑成形的成本和周期通常是常規(guī)沖壓的數(shù)倍甚至數(shù)十倍，極大地限制了超塑成形技術的應用.往往常規(guī)沖壓不能成形的構件，寧愿采用拼焊校形的方式，犧牲產(chǎn)品精度和性能，也不會考慮超塑成形方案.

3)研發(fā)符合民用產(chǎn)品結構特點的專用超塑成形設備.超塑成形技術在航空航天領域應用較多，現(xiàn)有的超塑成形設備也主要是針對航空航天產(chǎn)品特點研制.民用產(chǎn)品和航空航天產(chǎn)品結構特點和設計要求有著顯著差別，研發(fā)符合民用產(chǎn)品結構特點的專用超塑成形設備，有利于降低超塑成形的成本和周期，拓寬超塑成形在民用產(chǎn)品的應用范圍.