超塑型金屬是什麼？

超塑型金屬是指在特定條件下（通常是在高溫和低應變速率下）能夠表現出極高延伸率（通常超過 100%，甚至達到 1000% 或更高）而不發生頸縮或斷裂的金屬或合金。這種特性使它們能被加工成極其複雜的形狀。

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主要超塑型金屬及合金類別

1. 鈦合金

• 最著名且應用最廣的超塑型金屬
• 典型代表：Ti-6Al-4V（航空領域最常用鈦合金），在約 900°C 時展現優異超塑性。
• 應用：航太引擎部件、機身結構件、醫療植入物（如髖關節、膝關節）。

2. 鋁合金

• 需細晶粒狀態＋特定溫度/應變速率才能表現超塑性。
• 典型代表：
  • 2000 系：Supral 100（Al-6Cu-0.4Zr）、7475（Al-5.6Zn-2.5Mg-1.6Cu-0.23Cr）
  • 5000 系：5083（經特殊處理後）
  • 7000 系：7075
• 應用：飛機艙門、汽車車身部件、3C 產品外殼。

3. 鋅鋁合金

• 在較低溫度（約 250°C）即具超塑性，成本低廉。
• 典型代表：Zn-22Al（最常見商業化超塑性合金）。
• 應用：教學模型、藝術鑄件、低強度工程零件。

4. 鎂合金

• 輕量化需求推動其超塑性研究。
• 典型代表：AZ31（Mg-3Al-1Zn）、ZK60（Mg-5.5Zn-0.5Zr）、WE43（Mg-4Y-3RE）。
• 應用：航太/汽車輕量化部件、薄壁電子外殼。

5. 鎳基超合金

• 在接近服役高溫（>1000°C）時表現超塑性。
• 典型代表：IN718、IN100、Udimet 700。
• 應用：噴射引擎渦輪盤、葉片等複雜高溫部件。

6. 銅合金

• 研究較少，應用有限。
• 典型代表：Cu-Al 合金、Cu-Zn-Al 合金。

7. 鋼鐵

• 工業應用較少，因條件嚴苛（高溫/模具成本高）。
• 典型代表：微合金鋼、奧氏體不鏽鋼。

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超塑性關鍵要素

要素	說明
細晶粒	晶粒尺寸 <10 微米，需添加 Zr、Sc 等穩定元素或特殊加工技術（如 ECAP）。
高溫	變形溫度 ≥ 0.5 Tm（熔點絕對溫度）。
低應變速率	通常介於 10⁻⁵ ~ 10⁻³ s⁻¹ 範圍。
變形機制	以晶界滑移為主，由擴散或位錯蠕變協調。

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應用技術與價值

利用 超塑性成型（SPF） 或 SPF/擴散接合（SPF/DB） 技術，可實現：
✅ 一體成型極複雜薄壁結構
✅ 解決傳統加工（沖壓、鑄造）無法達成的幾何形狀
✅ 航太、高階汽車領域的關鍵減重工藝

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超塑型金屬特性總表

合金類別	典型代表	超塑溫度 (°C)	延伸率 (%)	主要應用領域
鈦合金	Ti-6Al-4V	~900	500-1000+	航太結構件、醫療植入物
鋁合金	7475	450-520	300-1000	飛機面板、汽車部件
鋅鋁合金	Zn-22Al	~250	1000-2000+	教學模型、低強度工程件
鎂合金	AZ31	300-450	300-800	輕量化結構件、3C 外殼
鎳基超合金	IN718	>1000	200-500	噴射引擎高溫部件
銅合金	Cu-Zn-Al	500-700	200-500	研究階段
鋼鐵	奧氏體不鏽鋼	800-1000	200-500	特殊高溫元件

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