「吹糖人」助力大國之翼

【文/ 科工力量專欄作者 高航】

近日，某央企的一則公開報道引起了大家的關注。報道稱，某工廠接到為某項目配套的S型排氣管的尾段的研發製造工作之後，克服了該零部件體型碩大、結構複雜、內膽內腔成型要求高以及工裝剛性不足等諸多困難，最終圓滿完成了預定任務。

這是我國首次試製成功此類大型複雜零部件，不僅完成了某項目的配套任務，還顯著提升了我國在此領域的研發製造能力。該零部件的形狀和結構大致如下圖所示。

這是典型的S型排氣管

那麼如此龐大複雜的鈦合金薄壁結構是怎麼製造出來的呢？該報道只是語焉不詳的提到了「先製造出分段，再用激光焊連接成成品」，而對分段是如何製造隻字未提。然而只要對公開資料稍加查閱便可知道，生產製造此類大型複雜鈦合金薄壁零部件，最高效而又廉價且能做到近乎無餘量製造的方法便是「吹糖人」——也就是採用超塑成形/擴散連接（以下用英文縮寫SPF/DB表示）技術。

所謂超塑成形(SPF)，就是利用材料的超塑性(superplasticity)，用模具擠壓材料，實現型腔成型的一種製造技術。早在上世紀20年代，人們便發現某些合金材料在特定溫度下有著異乎尋常的伸長率（也就是可以容忍非常巨大的變形而不發生破壞），而普通金屬材料在此情況下不是被拉斷，就是產生明顯的縮頸效應而無法使用，這就是所謂的超塑性。

事實上，對於幾乎所有的金屬材料，只要具備特定的顯微組織，並且溫度和變形速率滿足一定的要求，超塑性是普遍存在的。但是對於大多數金屬而言，出現超塑性的溫度範圍太窄，無法實際應用。但是鈦合金卻是一個例外，而它正好又是航空航天工業廣泛應用的材料，因此從上世紀60年代開始，鈦合金的超塑成形技術就開始了蓬勃發展。

超塑成形原理示意圖

而所謂的擴散連接(DB)，是指相互接觸的材料表面在溫度和壓力的作用下局部發生塑性變形，原子產生相互擴散，在界面接觸處產生擴散層，從而實現連接的技術。通俗一點說，包餃子或者包包子的收口工作就是典型的擴散連接。而擴散連接的這一特性，使得它成為了超塑成形技術的最好搭檔，比如當製造多層結構的時候，可以一層一層的超塑成形，然後每層之間使用擴散連接固定在一起，這樣既能提高效率，又能有效降低整個結構重量（我們的一個鄰國的航空航天產品之所以擺脫不了傻大笨粗的形象，一個關鍵的原因就是因為他們沒有掌握大型複雜零部件的SPF/DB技術，從而無法大幅降低多層結構的重量）。所以這兩種技術通常情況下是聯用的，SPF/DB也就成了一個專有名詞。

之所以要用「吹糖人」來形容SPF/DB，就是因為吹糖人之所以可以實現，正是利用了麥芽糖在一定溫度下的超塑性，從而使得操作者可以隨意塑造出各種形象，並且利用擴散連接原理把需要連接的地方粘合上。

當然，鈦合金的「吹糖人」技術肯定比麥芽糖的要複雜很多，尤其是對於大型複雜零部件的製造更是如此，需要克服的技術難題包括但不限於超塑成形模具設計和製造、工裝設計、尺寸精度控制和表面質量控制等。

因此，真正掌握該技術的國家寥寥無幾。美國和英國在上世紀70年代就掌握了該技術，F-15和F-22等多種型號的飛機上都大量使用了鈦合金SPF/DB零部件，美國和英國的多型先進航空發動機的鈦合金風扇葉片也採用了SPF/DB工藝。而我國從上世紀70年代開始便致力於SPF/DB技術的研發及其產業化工作，先後有十幾所高校和科研機構投身其中，最終，哈爾濱工業大學團隊的SPF/DB技術成功產業化，成為了我國製造技術進步的重要推手。

雖然起步稍晚，但經過四十餘年的長足發展，我國的SPF/DB技術已經躋身世界先進行列。如航天科工集團飛航技術研究院下屬的航星公司已經能做到一模兩件的生產模式，在生產效率翻番的情況下，生產成本降低了30%以上，並且因為SPF/DB成型時間較短，受熱時間也較短，因此產品基本上不會出現晶粒粗化，並且可以有效控制回彈變形，尺寸1500mm左右的大型薄壁零部件的尺寸精度可控制在0.3mm以內。

為了滿足某高新飛行器的研發製造配套要求，航星公司還牽頭研發了國內首台大工作檯面超高溫柔性數控三工位超塑成形設備並於2017年取得成功。

該設備的工作台尺寸達3000mm×2000mm（世界第二，僅次於美國的3600×2400mm），最高工作溫度達1200℃，最大成型公稱力達20MN。此前此類大型核心設備只有美國掌握（英國用美國設備），且對我禁運，因此這一設備的研發成功使得我國的SPF/DB設備達到了世界一流水平，打破了美國在該領域的壟斷。

航星公司自主研發的超塑成形設備（圖片轉載自航天科工集團飛航技術研究院官方微信公眾號）

而此次我國成功製造出大型鈦合金S型噴管，則標誌著我國的SPF/DB技術再上層樓，擁有了對更複雜的零部件的加工能力。

更為值得一提的是，SPF/DB技術不光在航空航天製造領域大放異彩，在民用製造領域也同樣可以大顯身手。我國高鐵車體的鋁合金「瓦楞紙」三層結構便是SPF/DB的傑作，這樣的結構在保證強度的情況下大幅降低了結構重量，從而做到了整個車體的輕量化。在此需要指出的是，鋁合金的超塑性溫度範圍遠比鈦合金的要窄，因此鋁合金的SPF/DB技術一直是國際工業界的難點和痛點。這就是目前世界上只有我國有能力製造出如此輕量級的高鐵車體的原因。

而在為某「一帶一路」沿線國家的首都定製地鐵車輛的項目中，對方提出車廂內的複雜形狀裝飾品要使用鈦合金製造（以彰顯該國的經濟實力），其他競標企業對此都無能為力，唯有中車集團憑藉SPF/DB技術輕鬆中標，拿下了這一大單。

如今，從航空到航天，從高鐵到汽車，SPF/DB這一「吹糖人」技術正在越來越多的助力我國的產業升級。這一系列重大成就，讓我們對我國的SPF/DB技術從世界先進水平發展到世界領先水平的那一天充滿期待。

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