GB/T 46815-2025 钛合金板材超塑成形和扩散连接 工艺规范

　　ICS 77. 120.50 CCS J 32

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 46815—2025

　　钛合金板材超塑成形和扩散连接

　　工艺规范

　　Superplastic forming anddiffusion bonding oftitanium alloy sheets—

　　Technologicalspecifications

　　2025-12-31发布 2026-07-01实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 46815—2025

　　目 次

　　前言 Ⅲ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4 总体要求 1

　　5 模具 3

　　6 超塑成形和扩散连接工艺 5

　　7 过程与成品检验 、记录 8

　　参考文献 10

　　Ⅰ

　　GB/T 46815—2025

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1. 1—2020《标准化工作导则 第 1部分 :标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

　　本文件由全国锻压标准化技术委员会(SAC/TC74)提出并归 口 。

　　本文件起草单位 : 中国航空制造技术研究院 、中国机械总院集团北京机电研究所有限公司 、北京星航机电装备有限公司 、西北有色金属研究院 、哈尔滨工业大学 、宝钛集团有限公司 、武汉理工大学 、太原理工大学 。

　　本文件主要起 草 人 : 李 志 强 、韩 秀 全 、许 慧 元 、韩 晓 宁 、曲 海 涛 、王 西 昌 、金 红 、刘 太 盈 、辛 社 伟 、王国峰 、李晓华 、李光丽 、王静霖 、魏巍 、冯军宁 、强菲 、华林 、王斌 、陈一哲 、韩建超 。

　　Ⅲ

　　GB/T 46815—2025

　　钛合金板材超塑成形和扩散连接

　　工艺规范

　　1 范围

　　本文件规定了钛合金板材超塑成形和扩散连接的总体要求 、模具 、超塑成形和扩散连接工艺以及过程与成品检验 、记录 。

　　本文件适用于 TA15、TA32和 TC4钛合金板材的超塑成形和扩散连接的工艺活动 ,其他钛合金板材参照使用 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款 。其中 , 注 日期的引用文件 ,仅该日期对应的版本适用于本文件 ;不注日期的引用文件 ,其最新版本(包括所有的修改单) 适用于本文件 。

　　GB/T 3375 焊接术语

　　GB/T 3623 钛及钛合金丝

　　GB/T 3624 钛及钛合金无缝管

　　GB/T 4842 氩

　　GB/T 6026 工业用丙酮

　　GB/T 8541 锻压术语

　　GB/T 9452 热处理炉有效加热区测定方法

　　GB 13318 锻造生产安全与环保通则

　　GB/T 22865 牛皮纸

　　GB/T 45135 钛合金板材超塑成形和扩散连接件 通用技术规范

　　3 术语和定义

　　GB/T 3375、GB/T 8541和 GB/T 45135界定的以及下列术语和定义适用于本文件 。 3. 1

　　隔离剂 stop-off

　　用于阻止模具与钛合金板材 、板材与板材之间发生粘连或扩散连接的涂料 。

　　4 总体要求

　　4. 1 人员

　　操作人员应接受超塑成形和扩散连接的基础技术及操作技能培训 ,并通过考核 。

　　4.2 设备

　　4.2. 1 超塑成形和扩散连接设备应包括但不限于液压系统 、加热系统和气源系统 。

　　1

　　GB/T 46815—2025

　　4.2.2 应根据超塑成形和扩散连接模具的尺寸和最大气胀压力选用液压系统 。

　　4.2.3 加热系统中加热炉的最高使用温度应不低于 950 ℃ ,并应具有均匀保温功能 。加热系统的升温速率宜为 60 ℃/h~ 150 ℃/h。

　　4.2.4 加热炉的温度均匀性应不超过 ±10 ℃ ,加热炉应进行初始测定和周期测定 ,测定方法和所用热电偶及测温仪表应符合 GB/T 9452的要求 。

　　4.2.5 气源系统所供给的最大气压应不低于 4 MPa,气压控制精度应达到 ±0. 01 MPa。气源系统应配备抽真空功能 ,真空度应不大于 10- 1 Pa。

　　4.3 材料

　　4.3. 1 原材料应符合 GB/T 45135的要求 。

　　4.3.2 辅助材料的用途和技术要求应符合表 1 的规定 。

　　表 1 辅助材料的用途和技术要求

　　序号

　　材料

　　用途

　　技术要求

　　1

　　白绸布或细纹白布

　　表面清理擦拭

　　应干净无污染 ,且不起毛

　　2

　　牛皮纸

　　包装保护

　　表面应光滑平 整 , 无 杂 质 或 化 学 物 质 残 留 ; 技 术 指 标 应符合 GB/T 22865的要求

　　3

　　丙酮

　　隔离剂稀释 ,清洁剂

　　应符合 GB/T 6026的要求

　　4

　　氩气

　　防 氧 化 保 护 , 气 胀 加 压介质

　　应符合 GB/T 4842的要求 ,纯度不小于 99. 99%

　　5

　　钛焊丝

　　钛合金板材或钛管焊接

　　直径为 1 mm~ 3 mm ,成分应符合 GB/T 3623的要求

　　6

　　钛管

　　进排气

　　材料 宜 采 用 TA1、TA16、TA18 等 钛 合 金 , 直 径 为6 mm~ 8 mm ,成分应符合 GB/T 3624的要求

　　7

　　隔离剂

　　阻止模 具 与 钛 合 金 板 材 、板材 与 板 材 之 间 发 生 粘连或扩散连接

　　溶质 :Y2 O3 或 BN等 ,纯度不低于 99. 95% 。

　　溶剂 :有 机 溶 剂 , 如 醋 酸 乙 酯 、聚 甲 基 丙 烯 酸 甲 酯 、丙酮等 。

　　搅拌均匀后应无团聚结块现象 ,干燥后不脱落

　　4.4 环境、安全与防护

　　4.4. 1 应采取作业场地安全 、卫生防护技术措施 ,并应符合 GB 13318的要求 。

　　4.4.2 钛合金板材的组坯应在独立空间进行 ,空间内应保持清洁 ,温度应为 15 ℃ ~ 30 ℃ ,相对湿度不应大于 60% 。对于扩散焊 合 率 要 求 大 于 95%的 钛 合 金 板 材 超 塑 成 形 和 扩 散 连 接 件(以 下 简 称 “连 接件 ”) ,空间内空气洁净度宜优于 GB/T 25915. 1 中规定的 ISO 9级 。

　　4.4.3 采用涂刷或印刷方式在钛合金板材 上 制 备 隔 离 剂 图 形 时 , 其 空 间 环 境 要 求 宜 与 组 坯 时 保 持 一致 。采用喷涂方式制备隔离剂图形时 ,宜在配备除尘和强制排风系统的独立空间内进行 。

　　4.4.4 氩气气源不应与加热炉的炉门直接相对 ,与加热炉和取件区域的距离宜大于 3 m。

　　4.4.5 丙酮应储存在阴凉 、通风 、干燥处 ,远离火源 、热源和氧化剂的专业化学品库房或安全柜中 。操作人员应经过专业培训 , 了解丙酮的危害 、防护措施 、安全操作规程及应急处置等事项 ,熟悉工作场所应急预案 。操作时应穿戴个人防护装备 ,如防静电工作服 、防毒面具 、防护眼镜和防护手套等 。操作现场应保持良好通风并配备必要的消防设施 。

　　2

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　　5 模具

　　5. 1 通则

　　5. 1. 1 应根据连接件和模具材料的热膨胀量偏差设计模具尺寸 ,计算方法见公式(1) 。

　　Ld = Lp (1+ αj · Δt)/(1+ αm · Δt) ……………………( 1 )

　　式中 :

　　Ld — 模具的名义尺寸 ,单位为毫米(mm) ;

　　Lp — 连接件的名义尺寸 ,单位为毫米(mm) ;

　　αm — 在成形温度时模具的热膨胀系数 ,单位为每摄氏度(1/℃) ;

　　αj — 在成形温度时连接件的热膨胀系数 ,单位为每摄氏度(1/℃) ;

　　Δt— 成形温度与室温的温差 ,单位为摄氏度( ℃) 。

　　5. 1.2 模具的外廓尺寸和安装尺寸应符合液压系统参数要求 。

　　5. 1.3 在保证模具强度 、刚度和加工余量的前提下 ,宜尽量减小模具的闭合高度及质量 。

　　5. 1.4 模具的压力中心宜靠近模具投影面中心 ,应采取措施减少侧向力 。

　　5. 1.5 上 、下模具之间应设置导向装置 。

　　5. 1.6 模具上应设置测温点,测温点处的热电偶孔深度应大于 5 倍的孔直径 。测温点间隔宜为模具边长的 1/4~ 1/3,且对应设置在上 、下模具侧面的不同方向 ,每个方向至少布置 1 个测温点 。 当模具投影尺寸大于 1 000 mm×1 000 mm 时 ,宜在上 、下模具投影中心位置设置测温点 。

　　5.2 模具材料

　　超塑成形和扩散连接模具材料宜选用耐热铸钢 、高温合金和陶瓷等 。模具材料推荐性能参数及常用材料牌号见表 2。

　　表 2 超塑成形和扩散连接模具材料推荐性能参数及常用材料牌号

　　推荐性能参数

　　常用材料牌号

　　使用温度℃

　　1 000 ℃ 抗氧化性能

　　g/(m2 · h)

　　1 000 ℃ 抗拉强度

　　MPa

　　1 000 ℃ 持久强度(200h)

　　MPa

　　ZG3Cr24Ni7SiN

　　≥950

　　≤0. 25

　　≥80

　　≥30

　　5.3 模具结构

　　5.3. 1 超塑成形和扩散连接模具的结构要素包括分模面 、型面 、密封埂 、进(排)气孔和槽 、热电偶孔 、定位结构 、吊装结构等 ,模具典型结构和推荐尺寸见图 1。

　　3

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　　标引序号说明 :

　　1— 排气孔 ;

　　2— 上模 ;

　　3— 型面 ;

　　4— 吊装耳 ;

　　5— 分模面 ;

　　6— 下模 ;

　　7— 热电偶孔 ;

　　8— 定位销 ;

　　9— 进气槽 。

　　图 1 超塑成形和扩散连接模具典型结构

　　5.3.2 分模面宜选择与零件的最大投影方向垂直的平面或随连接件外形的曲面 ,应方便取件 ,上 、下模具各处质量宜尽量均匀并最小化 。

　　5.3.3 型面不应有砂眼 、气孔 、划痕或走刀纹等缺陷 ,如加工过程中发现有砂眼 、气孔等缺陷 ,可采用补焊后重新加工进行修复 。模具型面的表面粗糙度和尺寸公差应根据连接件设计要求确定 ,表面粗糙度Ra 宜不大于 1. 6 μm ,尺寸公差宜不低于 ±0. 1 mm。

　　5.3.4 密封埂截面宜为梯形或方形 ,高度应小于接触板料的厚度 ,宽度宜不大于 2 mm。 当承受压强较大或材料硬度高时 ,可适当加宽 。密封埂应设计在连接件有效区以外 , 高度方向宜沿型面法向随形变化 。难密封或密封要求较高时 ,可采用单面多条密封埂或双面多条密封埂方案 。

　　5.3.5 模具进(排)气道直径应小于进(排)气管直径 2 mm~4 mm ,进气道与模具型腔连通孔(进气孔)的直径宜不大于 5 mm。 当模具型腔较大 、进气量较多时 ,则选择直径较大值 。进气孔宜设计在连接件有效区以外 。排气道与型腔连通孔(排气孔) 的直径宜尽量小 ,一般不大于 2 mm。排气孔宜设置在板料最后贴模区 ,如在型腔底角处或最深处 , 当有多处低点时 ,可设置多个排气孔 。

　　5.3.6 对上 、下模具之间或模具与毛坯之间有定位要求时 ,应设计相应的定位(导向) 结构(如定位销或导向块) 。定位销的直径应根据模具大小适当调整 ,宜不大于 60 mm。定位销与销孔宜采用间隙配合 。

　　5.3.7 吊装结构宜采用吊装耳 、吊装螺栓等方式 。上 、下模具各设置 4个 ,采用对称分布设计 。对于不规则形状模具 ,应围绕模具重心对称分布 。对于与设备平台有吊装连接要求的 ,应按照相关尺寸要求进行设计 。

　　5.3. 8 超塑成形和扩散连接多层结构成形时 ,应在模具相应位置加工出沟槽 。进排气槽设计宜尽量平直 ,避免太长或折弯 。 宽度宜不超过 8 mm~ 10 mm ,深度宜不大于 3 倍的料厚 , 与型面相接的部分应圆滑过渡 。

　　4

　　GB/T 46815—2025

　　6 超塑成形和扩散连接工艺

　　6. 1 典型结构与工艺原理

　　连接件的典型结构形式见 GB/T 45135,不同夹层结构的超塑成形和扩散连接工艺原理见图 2。

　　步骤 1 扩散连接 步骤 2 超塑成形

　　a) 二层板加强结构

　　步骤 1 扩散连接 步骤 2 超塑成形

　　b) 三层板夹层结构

　　步骤 1 外层超塑成形 步骤 2 内层扩散连接

　　步骤 3 内层超塑成形 步骤 4 内外层扩散连接

　　c) 四层板夹层结构

　　图 2 钛合金板材超塑成形和扩散连接工艺原理

　　6.2 工艺参数选择

　　6.2. 1 超塑成形工艺参数

　　6.2. 1. 1 超塑成形温度宜选择 0. 5倍 ~0. 7倍的原材料熔化温度(绝对温度) 。

　　5

　　GB/T 46815—2025

　　6.2. 1.2 超塑成形气胀压强可根据钛合金板材的超塑性变形性能和厚度 , 以及连接件的外形复杂程度进行调整 ,最大压强宜为 0. 5 MPa~4 MPa。

　　6.2. 1.3 超塑成形宜采用均匀加压的方式进行 :

　　a) 连接件的最大材料减薄率不大于 50%时 ,加压速率宜不大于 0. 2 MPa/min;

　　b) 连接件的最大材料减薄率大于 50%时 ,加压速率宜不大于 0. 1 MPa/min。

　　6.2. 1.4 常用钛合金板材超塑成形工艺参数见表 3。

　　表 3 常用钛合金板材超塑成形工艺参数

　　材料牌号

　　温度℃

　　最大气胀压强MPa

　　加压速率MPa/min

　　TA15

　　≥850~ 930

　　≥1~ 3

　　≥0. 05~ 0. 2

　　TA32

　　≥850~ 930

　　≥1~ 3

　　≥0. 05~ 0. 2

　　TC4

　　≥800~ 920

　　≥0. 5~ 2

　　≥0. 05~ 0. 2

　　6.2. 1.5 加压到工艺最大气压后 ,宜继续保压 0. 5 h~ 1 h。如果有局部难成形外形特征时 ,可适当增加保压时间 。

　　6.2.2 扩散连接工艺参数

　　6.2.2. 1 钛合金板材扩散连接温度宜高于钛合金再结晶温度 ,但不超过相变温度 。

　　6.2.2.2 扩散连接压力宜采用气胀加压或模具接触加压 ,扩散压强宜为 1 MPa~4 MPa。

　　6.2.2.3 扩散连接过程中应始终保持扩散连接压力 。保压时间应根据钛合金板材的连接性能及扩散连接时的温度和压力确定 ,宜为 1 h~2 h;确需延长保压时间时 ,宜不超过 4 h。

　　6.2.2.4 常用钛合金板材扩散连接工艺参数见表 4。

　　表 4 常用钛合金板材扩散连接工艺参数

　　材料牌号

　　温度℃

　　最大扩散压强MPa

　　保压时间h

　　TA15

　　≥890~ 930

　　≥1. 0~ 2

　　≥1~ 2

　　TA32

　　≥890~ 930

　　≥1. 0~ 2

　　≥1~ 2

　　TC4

　　≥890~ 920

　　≥1. 0~ 2

　　≥1~ 2

　　6.2.2.5 进行扩散连接时 ,扩散界面应保持真空状态或防氧化保护状态 ,真空度宜不大于 10- 1 Pa,防氧化保护气压宜不大于 0. 02 MPa。

　　6.3 工艺流程

　　6.3. 1 工艺流程图

　　钛合金板材超塑成形和扩散连接工艺的主要流程见图 3。超塑成形和扩散连接可在一个热循环中完成 ,也可在两个热循环中分别完成 。

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　　图 3 超塑成形和扩散连接工艺流程图

　　6.3.2 下料

　　按工艺设计图纸对钛合金板材和配件进行切割或加工 。对加工好的板材和配件的相关尺寸进行检测和记录 ,合格后转后续工序 。

　　6.3.3 工艺准备

　　6.3.3. 1 对钛合金板材 、配件进行除油清洗 ,除油清洗后板材表面应光滑 、具有金属光泽或呈银白色 、灰白色 ,不应有油污 、手印 、印章痕迹和笔迹 。

　　6.3.3.2 将处理干净的钛合金板材 、配件用洁净牛皮纸包好存放 ,存放期不宜超过 7 d,超期应重新清洗 。不应直接接触已经清洗干净的钛合金板材 ,不应在钛合金板材上留有手印 、汗迹 。

　　6.3.3.3 制备隔离剂图形 时 , 操 作 间 应 符 合 4. 4. 2 的 要 求 , 制 备 后 的 图 形 轮 廓 应 清 晰 、无 毛 边 、连 续 均匀 , 隔离剂干燥后应不起皮 、不脱落 ,粘接牢固 。

　　6.3.3.4 将制备完隔离剂图形的钛合金板材和其他钛合金板材及配件按顺序叠放 ,采用钨极氩弧焊工艺对毛坯进行封焊 ,毛坯封焊后 ,在气道处焊接气管 ,进行气密性检测 。宜采用专业真空检漏仪对毛坯气密性进行检测 ; 当不具备专业真空检漏设备条件时 ,可采用观察法进行检测 , 即利用真空泵对毛坯抽真空至真空度小于 10- 1 Pa后停止 ,观察连接的真空表指针 30 s 内不向回偏转则判为合格 。

　　6.3.4 装炉

　　6.3.4. 1 应将模具型面清理干净 ,去除模具表面的多余附着物 ;应清理进 、排气管路 ,并检查模具管路的连通性和气密性 。

　　6.3.4.2 在模具型腔和毛坯表面应均匀涂覆隔离剂 , 隔离剂干燥后应不起皮 、不脱落 ,粘接牢固 。

　　6.3.4.3 合模时应保证毛坯与模具 , 以及上 、下模具之间定位准确 ,合模到位 。

　　6.3.4.4 应在模具上布置不少于 2 根热电偶 。

　　6.3.4.5 将毛坯和模具的气管与气源柜或设备气源连接 ,并对毛坯再次进行气密性检测 。

　　6.3.5 加热升温

　　6.3.5. 1 毛坯内部应采用抽真空或抽真空后通入氩气进行防氧化保护 。

　　6. 3.5.2 开启设备加热系统进行升温 。模具升温速率宜不超过 80 ℃/h,升温过程中模具各测温点的温度差应小于 100 ℃ 。

　　6.3.5.3 加热升温过程中 ,模具平均温度达到(300±50) ℃时 ,宜在上 、下模腔中通入流动氩气对毛坯表面进行防氧化保护 。

　　6.3.5.4 当温度接近工艺温度时 ,如果各测温点对工艺温度的最大温差大于 10 ℃ ,应调节加热系统 ,使加热炉温度均匀化 。 当温差不大于 10 ℃时 ,开始超塑成形和扩散连接 。

　　6.3.6 超塑成形和扩散连接

　　6.3.6. 1 设备压力

　　设备压力应比连接件成形气压作用力高 30 kN~ 300 kN ,在模具接触面上产生的压力宜小于模具材料在最高工艺温度下屈服强度的 80% 。成形过程中 ,设 备 压 力 应 随 着 成 形 气 压 作 用 力 变 化 而 调 节

　　7

　　GB/T 46815—2025

　　变化 。

　　6.3.6.2 加压速率

　　超塑成形的加压速率按 6. 2. 1. 3选取 ;扩散连接的加压速率宜为 0. 1 MPa/min~0. 2 MPa/min。

　　6.3.6.3 超塑成形加压路径

　　应在钛合金板材超塑成形特性允许范围内 ,根据变形理论和构件尺寸预先设计 、优化压强-时间曲线(p-t曲线) 。对于不同预估减薄率的连接件 ,可设计不同的加压路径 。最大减薄率不大于 50%时 ,可采用加压速率和 保 压 时 间 组 合 的 单 段 加 压 路 径 。 最 大 减 薄 率 大 于 50%时 , 可 采 用 多 段 式 的 加 压 路径 ,在不同阶段采用不同的加压速率和保压时间组合 。

　　6.3.6.4 扩散连接

　　从开始升温至扩散连接过程结束 ,扩散连接工艺要求同 6. 2. 2。

　　6.3.6.5 卸压

　　保压结束后 ,气压应卸至 1个大气压 ,然后通入不大于 0. 02 MPa的防氧化保护气体 。

　　6.3.7 冷却出炉

　　6.3.7. 1 超塑成形和 扩 散 连 接 结 束 后 , 应 停 止 加 热,模 具 随 炉 冷 却 。 取 件 时 , 应 先 停 止 防 氧 化 保 护 气体 ,然后打开模具取出连接件 。

　　6.3.7.2 取件温度宜不超过 600 ℃ ,宜将取出的连接件吊挂或放置于保温装置内 。

　　6.3. 8 表面处理

　　6.3. 8. 1 对成形后的连接件进行表面处理 ,完全去除表面的氧化皮和 α 层 。

　　6.3. 8.2 连接件表面质量应 100%目视检查 ,表面应光滑 、具有金属光泽 ,呈银白色或灰白色 ,不应有油污 、手印等痕迹 。

　　7 过程与成品检验、记录

　　7. 1 过程检验与记录

　　7. 1. 1 应对模具的尺寸公差 、表面粗糙度进行初始测定或周期测定并记录 ,检测合格后方可投入使用 。

　　7. 1.2 应对钛合金板材的尺寸与公差 、外观质量 、厚度进行检测并记录 。

　　7. 1.3 在装炉到冷却出炉的过程 中 , 应 对 工 艺 参 数(如 温 度 、液 压 系 统 压 力 、气 压 、真 空 度 等) 、操 作 内容 、具体时间等内容进行记录 。每炉的工艺记录(表)应形成单独文件 ,并标识设备编号 、连接件质量编号 、模具编号 、操作人员 、日期等 。

　　7. 1.4 采用人工记录时 ,应每隔一段时间进行一次工艺参数记录 ,时间间隔应不大于 1 h。进行操作时应实时记录具体时间 、操作内容 、工艺参数等内容 。设备具备自动数据采集功能的 ,应对工艺全过程进行采集记录 。 出现突发异常状况时 ,应对异常状况和处置措施进行详细记录 。

　　7. 1.5 连接件出炉后 ,应对外观质量进行目视观察并记录 。

　　7. 1.6 每个连接件应有相应的工艺流程记录卡(表) ,用于记录从下料到最终检验的全过程各个工序的时间 、设备 、操作人员 、工序检测结果等 。

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　　7.2 成品检验与记录

　　7.2. 1 按照 GB/T 45135规定的方法对连接件的尺寸和公差 、外观质量 、扩散连接质量 、显微组织 、氢氧含量和力学性能进行检测 。

　　7.2.2 记录检测结果 ,并按照 GB/T 45135规定的连接件验收技术要求和检验规则对结果进行判定 。

　　9

　　GB/T 46815—2025

　　参 考 文 献

　　[1] GB/T 25915. 1 洁净室及相关受控环境 第 1 部分 :按粒子浓度划分空气洁净度等级

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