**章绪论
热挤压技术作为一种精密塑性成形技术，可实现异型复杂结构产品的整体化、高性能、高精度、高效能、低成本制造，能更好地满足新型高性能航天产品研制及批量化生产要求，是航天产品构件制造的优异技术途径，在航天领域具有广阔的应用前景。本章重点介绍热挤压技术的分类及特点、国内外发展现状，及其在航天产品制造中的应用情况与需求，让读者对挤压技术及其应用情况有一个概括性的了解。
1.1热挤压技术分类及特点
1.1.1热挤压技术分类热挤压是利用冲头或凸模对放置在凹模中的金属坯料在一定温度下施加外力，使之产生塑性流动，从而获得相应于模具型腔或者凸凹模形状的挤压制品的塑性成形方法。一般可以按照挤压方向、挤压温度的不同进行分类。
1.按挤压方向不同分类
（1）立式热挤压：一般指主要工作部件的运动方向及挤压制品的流出方向与地面垂直的挤压方式，本书所述的立式热挤压包括正向热挤压与反向热挤压。
（2）卧式热挤压：一般指主要工作部件的运动方向及挤压制品的流出方向与地面平行的挤压方式，本书所述的卧式热挤压主要指连续热挤压。
（3）多向热挤压：一般指同时或按顺序在轴向和横向(侧)加压，即在封闭的型腔内，对坯料同时进行两个或两个以上方向的挤压，从而获得形状比较复杂的精密成形件的挤压工艺。该方法可以成形出具有不同方向空腔结构的复杂零件。
2.按挤压温度差别分类
（1）温挤压：将坯料加热到金属再结晶温度以下、回复温度以上的某个适当温度范围进行的挤压。温挤压一般适用于材料低温流动性好且成形过程中变形量较小的构件。铝合金的温挤压温度一般在350℃以下。
（2）热挤压：将坯料加热至金属再结晶温度以上某个温度范围进行的挤压。热挤压一般适用于材料成形温度范围宽、结构复杂，且成形过程中变形量较大的构件。铝合金的立式热挤压温度在450℃左右，连续热挤压温度一般在500℃以上；钛合金的热挤压温度一般在800℃以上。
（3）等温挤压：挤压过程中，模具与坯料温度相同且恒定不变，坯料在恒温下发生变形的挤压。等温挤压一般适用于材料成形温度范围窄且对组织性能要求高的构件。等温挤压*大限度地降低了金属变形阻力，能很好地保持金属流动的均匀性，从而获得金属流线完整且沿挤压件几何形状合理分布、组织均匀、性能良好、几何形貌与尺寸精度很高的挤压件。
1.1.2热挤压工艺特点热挤压同冷挤压相比，坯料处于高温状态，材料的变形抗力大幅降低，可成形结构更为复杂的构件，并可部分替代轧制工艺挤压薄壁金属型材等复杂结构件。热挤压与轧制工艺相比有以下优点：①小批量生产或加工非标准件时比轧制法更经济；②挤压模具较为简单，不同金属型材生产切换只需更换挤压模具即可，生产便捷；③能够加工一些难以轧制的低塑性合金，适用范围更广。热挤压与普通锻造工艺相比有如下优点：①挤压可实现少余量或无余量加工，提高材料利用率；②批量生产时比普通锻造生产效率高；③可制造形状更为复杂的产品，且质量一致性好。
热挤压成形较适于复杂及薄壁构件的批量化生产，在材料成形的变形能力、产品的综合质量、生产的灵活性与多样性、生产效率与成本等方面具有诸多优势。
（1）提高金属的变形能力。金属在挤压时主要变形区处于三向压应力状态，有助于提高其塑性，获得更大的变形量。例如，纯铝的挤压比(挤压坯料截面面积与制品截面面积之比)可以达到500，纯铜的挤压比可以达到400，钢的挤压比可以达到40～50。
（2）制造流程短、成本低。相对于航天复杂构件采用的传统的铸造、框架蒙皮钣焊、机加等工艺，热挤压成形可有效减少后续切削加工量和切削设备占用时间以及焊接工作量，具有工艺简单、制造流程短、占用设备少等优点，综合制造成本显著降低。
（3）产品综合质量高。与铸造、锻造等成形方法相比，热挤压产品的尺寸精度高、表面质量好，并具有优良的力学性能，同时便于实现整体成形，能大幅度减少焊缝数量，降低焊接缺陷的产生。特别是对于一些具有形变强化特性的材料，其挤压产品在固溶时效后，纵向(挤压方向)力学性能远高于其他加工方法生产的同类产品。
（4）材料利用率高。热挤压成形通过金属在热塑性状态下的体积转移实现，属于少/无切削加工近净成形工艺方法，能大幅节约原材料，材料利用率可达80%以上。
（5）生产效率高。挤压成形具有很大的灵活性，只需更换模具就可以在同一台设备上生产形状、尺寸规格和品种不同的产品，挤压操作简便，容易掌握，生产效率高。特别是连续热挤压技术用于舱体类构件生产，可实现多个舱体坯料的一次连续挤压成形，效率极高。
（6）成形范围广。挤压产品的尺寸范围也非常广，对于连续热挤压，可以实现*小壁厚0.1mm、轮廓尺寸1mm的微小构件成形，也可实现*小壁厚3mm、轮廓尺寸达680mm的异型大尺寸薄壁零件成形。多向热挤压和复合成形技术的出现，改变了传统挤压只能成形简单结构的问题，使得挤压技术可成形形状相对复杂的构件。
立式热挤压、连续热挤压和多向热挤压具有不同的工艺特点，适合于不同的产品结构，具体如下：
（1）立式热挤压。立式热挤压成形过程中，坯料处于强烈的三向压应力状态，金属流线沿锻件外形连续分布，工件的力学性能好、精度高、表面质量好。与锻造相比，立式热挤压减少了加热和模锻工步数，生产效率高，且为近净成形，适于成形低塑性材料和复杂模锻件，可以成形具有空腔、枝丫或加强筋等结构的零件，广泛应用于航天端框、法兰、接头、壁板、支架等零件的批量化生产。
（2）连续热挤压。可一次整体连续挤压成形获得特定截面和尺寸的产品，质量一致性好、重量可控，具有极高的生产效率和极低的制造成本。复杂结构产品的连续热挤压主要以分流挤压为主，通过在重要部位合理设置分流口控制工作压力，获得满足质量要求的复杂结构产品。连续热挤压被广泛应用于铝合金、镁合金等型材的挤压成形，在航天领域适用于燃料舱、设备舱、战斗部舱等产品的整体制造，具有效率高、成本低、质量一致性好的优点，特别适合于批量化生产。
（3）多向热挤压。多向热挤压属于多向模锻领域，一次成形即可获得形状复杂的精密结构件，并可进一步提高材料利用率，减少后续切削加工量。因受多向应力作用，挤压件内部组织结构致密，材料缺陷易于弥合，流线完整，内部及产品质量好，耐应力腐蚀性能好，疲劳强度高。多向热挤压适合成形深腔、中空多向带枝丫及凸台等复杂结构的精密热构件，相对于单向模锻，拔模斜度小，加工余量小。在航天领域广泛应用于复杂端框、支架、盒类、三通等结构件生产。
1.2热挤压技术国内外发展现状由于热挤压可显著提高金属的变形能力，所成形的产品具有高性能、高质量等综合优势，热挤压技术近年来得到了快速发展，已广泛应用于建筑、交通、通信等领域，在国民经济中占有极其重要的地位，在航空航天领域的应用也日益广泛。
1.2.1热挤压成形材料铝合金、镁合金、钛合金等材料密度小、性能高，非常适合航空航天产品高性能、轻量化的制造需求，是航空航天产品的重要主体材料。另外，钢铁材料也适合热挤压成形。
1.铝合金
国际上通常将变形铝合金按其含有的主要合金元素分为8大类，分别为1000系、2000系、3000系、4000系、5000系、6000系、7000系和8000系。我国对变形铝合金按照性能与使用要求进行分类，分别为工业纯铝(L系)、防锈铝(LF系)、锻铝(LD系)、硬铝(LY系)、超硬铝(LC系)、特殊铝(LT系)、硬钎焊铝(LQ系)等。不同合金系的材料特征与挤压产品主要用途如下：
（1）1000系纯铝。热处理不可强化。具有优良的可加工性、耐蚀性、表面处理性和导电性，但强度较低。主要用于对于强度要求不高的家庭用品、电气产品、医药与食品包装材料、输电与配电材料等。
（2）2000系AlCu合金。热处理可强化。对应于国内的硬铝和部分锻铝，如2017(LY11)、2024(LY12）、2117(LY1)、2014(LD10)、2618(LD7)等。该系列具有可和钢材相媲美的强度，多用于飞机结构、弹体结构等材料。但由于Cu含量较高，耐蚀性较差，用于腐蚀环境时需要进行防腐蚀处理。
（3）3000系AlMn合金。热处理不可强化。3003合金(3A21，即LF21)为其典型代表，可加工性、耐蚀性与纯铝相当，强度有较大提高，焊接性能良好。该系铝合金广泛用于日用品、建筑材料、器件等。
（4）4000系AlSi合金。热处理可强化。对应于国内的特种铝合金系列，具有熔点低(575～630℃)、流动性好、耐蚀性好等特点。主要用于建筑、机械零件锻造材料、焊接材料等，如含5%Si(质量百分比)的4043合金(LY1)常用作焊接材料。
（5）5000系AlMg合金。热处理不可强化。具有良好的耐蚀性及焊接性，通过控制Mg的含量，可以获得不同强度级别的合金，如5052(LF2)、5083(LF4)、5056(LF6)等。含Mg量少的合金主要用于装饰材料、高级器件，含Mg量中等的合金主要用于船舶、车辆、建筑材料，含Mg量高的合金主要用于船舶、车辆、航空、航天等的焊接构件。
（6）6000系A1MgSi系合金。热处理可强化。耐蚀性良好，具有较高的强度(在铝合金中属于中等)，且热加工性优良，大量用作挤压材料。据统计，6000系挤压加工材料的使用量占全世界挤压材料使用量的80％以上，在日本甚至高达90％[1]。尤其是6005A铝合金，除具有优良的挤压成形性能外，还具有良好的淬火性能，大量用于航天复杂型材结构的连续挤压生产。
（7）7000系合金。热处理可强化。包括AlZnMgCu高强度铝合金和A1ZnMg焊接构件用合金两大类，前者如7075(LC9)，后者如7003、7N01等。7075在铝合金中强度*高，主要用于飞机等航空产品与体育用品等的制造；7003、7N01为日本开发的合金，具有强度高、焊接性与淬火性优良等特点，主要用于铁道车辆焊接结构材料。7000系合金的主要缺点是耐应力腐蚀裂纹性能较差，需要采用合适的热处理工艺予以改善。
（8）8000系合金。热处理可强化。其中8090是典型的8000系挤压铝合金(AlLi合金)，其*大特点是密度低、高刚性、高强度，是各国竞相开发的材料。例如，美国空军的开发目标是使其强度等性能指标与7075相当，而刚性提高30％；美国铝业公司的开发目标是使其力学性能与7075T6或6061T6相当，而密度降低8％～9％。该系铝合金在高端装备制造领域结构件上具有良好的应用前景。
随着航空航天产品对轻量化及其他特殊性能要求的提升，为进一步满足航空航天制品的要求，自20世纪末开始，国内外相继在铝合金材料的基础上发展出了铝锂合金、铝基复合材料等新型高性能轻质材料。
2.铝锂合金
国外铝锂合金研究始于20世纪20年代，至今经过了三个阶段的发展，已经形成较为完整的合金体系、制备工艺及评价体系。通过不断优化合金成分，先后解决了合金强度低、可焊性差、各向异性、短横向断裂韧性低、热暴露后屈服强度低等问题，形成了综合性能良好的第三代铝锂合金；2195、1460等铝锂合金已实现了工业化生产，并在飞机、火箭等航空航天器上获得广泛应用，技术成熟度等级达到8～9级。铝锂合金被认为是航空航天领域*有前途的结构材料之一。
我国在铝锂合金研究方面与西方发达国家相比起步较晚。20世纪60年代初期，东北轻合金加工厂曾仿制2020铝锂合金，但该合金的塑性水平较低。“十三五”期间，我国对铝锂合金研发的重视程度大幅度提升，在军民等多领域设立项目20余项，投入数亿科研经费；工信部2019年将铝锂合金列为国家新材料生产应用示范平台建设项目；相关部门组织专家对铝锂合金现状进行了密集调研。国家、行业和地方在新材料产业规划中均将高性能铝锂合金作为重点支持方向。
3.铝基复合材料<
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