CN101028686A - 一种多层钛合金薄板组合连接方法 - Google Patents

一种多层钛合金薄板组合连接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多层钛合金薄板组合连接方法，它包括下列步骤：下料、酸洗、烘干、贴保护膜、涂阻焊剂、去除保护膜、焊工艺边、安装模具并升温成型设备、扩散连接、吹胀成型、取件和冷却、切割工艺边。本发明采用超塑成形、扩散连接组合工艺，它可以一次实现多个零件的成型和组合，具有减少零件数量、减轻结构重量约40％、缩短制作周期约50％、节约制造成本约12％的优点，简化了协调关系，提高了组件协调互换性，没有残余应力，提高产品可靠性。用本发明方法制造的多次钛合金薄板适用于航空航天的弹翼、加强蒙皮和前后缘襟翼、副翼、方向舵、腹鳍、发动机静止叶片等大型复杂部件。

Description

一种多层钛合金薄板组合连接方法
技术领域
本发明涉及一种多层钛合金薄板组合连接方法。
背景技术
自从人类1790年发现钛元素，1951年进入工业化以来，钛逐渐显示出它独特性能。它不仅具有金属结构材料的优越性能，而且蕴藏量是铜的十倍，是继铁、铝之后的“第三金属”，被称为“空间金属”。从使用钛的意义上看，一个国家用钛的多少，标志着国家的科技水平、军事实力、经济实力的强弱。所以，推广使用钛、发挥钛特性的优越作用，对促进工业发展、增强产品竞争的活力，是非常必要的，也是现化军事科技发展的方向。
航空航天制造业使用最多的结构材料是铝合金，然而随着科技的发展与进步，新一代飞行器要求飞得更快、飞得更远、搭载的有效载荷更多，这就推动了新材料的应用研究，而钛合金正是在这种需求下被推到第一线的。
钛合金在常温下加工性能较差：屈强比大，拉伸时容易断裂；弹性模量小，回弹无法定型；均匀延伸率低，弯曲能力差；冷作硬化倾向严重，缺口敏感性强，无法成型高精度复杂构件。
目前国内有色金属加工厂只能提供海绵钛、钛锭、钛棒、钛丝和单层轧制的钛板，多层结构需采用真空电子来焊接，激光焊接，自动氩弧焊接等工艺方法，但上述工艺方法都存在焊接缺陷和焊缝强度低于母材强度10％以上的缺陷，尚没人突破1000×2000mm大型多层钛板成型生产技术。
发明内容
本发明需要解决的技术问题就在于克服钛合金无法成型高精度复杂构件、无法突破1000×2000mm大型多层钛板成型生产技术的缺陷，提供一种多层钛合金薄板组合连接方法，它采用加热成型，即利用钛合金在600℃左右时的热蠕变特性，在900℃左右时的超塑特性，生产出1000×2000mm，厚度在2～10mm的多层空心钛合金结构板。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
本发明多层钛合金薄板组合连接方法，它包括下列步骤：下料、酸洗、烘干、贴保护膜、涂阻焊剂、去除保护膜、焊工艺边、安装模具并升温成型设备、扩散连接、吹胀成型、取件和冷却、切割工艺边。
本发明所述下料、酸洗、烘干步骤为选择在600℃时具有热蠕变特性、在900℃时具有超塑特性、厚度为0.2～5.0mm的钛合金板，利用高压水切割机进行下料，利用水切割下料主要是为了避免切割时产生金属共熔层，影响后工序焊接质量。将下好料的钛合金板浸入弱酸溶液中浸泡50-60分钟，并进行刷洗和清水漂洗，达到除油和清洁材料表面的目的。并在烘箱中用120℃±10℃的温度烘干上述漂洗过的板材。
本发明所述贴保护膜、涂阻焊剂、去除保护膜步骤为将烘干后的板材贴涂保护膜，涂阻焊剂，并将其烘干，去除保护膜，使激活面与外激活面及工艺边清晰分开。
本发明所述焊工艺边步骤为将3层或3层以上、0.2～5.0mm，等厚度或不等厚度已涂好阻焊剂并去除了保护膜的板材叠放，焊接工艺边，使其形成密封舱室，之后焊进气嘴和出气嘴。
本发明所述安装模具并升温成型、扩散连接、吹胀成型步骤为将已加工好的模具清洁干净，涂好润滑剂和保护剂，安装在美国ACCUDYNE公司出品的900吨超塑成型机上，该设备为四立柱式液压结构，有效工作面积为1500×2500×1100mm，电热管分区加热形式，温度均匀性为±10℃，可移出式陶瓷工作平台，最高工作温度1100℃，进行冷试模合格后，开始升温，设定温度为920℃，当炉温和模具温度均匀达到920℃±13℃时，开启炉门，将焊好工艺边的板材放入模具中，预热40分钟，之后闭合模具，在5分钟内使模具压边力达到650吨，保压保温2小时，使被激活的分子进行充分的扩散，形成同一基体，在完成扩散连接后，进行气体加压，在保持所述温度和压力的同时，增加气体压力，至300吨，时间为2小时，使多层板之间形成空穴。
本发明所述取件和冷却、切割工艺边步骤为完成成型后取出成型后的板材，放在玻璃纤维板上空冷，将上述空冷后的板材置于高压水切割设备上，用高压水切割掉工艺边。
本发明利用了钛合金的物理特性，即在900℃±10℃的温度条件下，利用了钛合金分子激活温度与吹胀变形温度比较接近的性能，在一个时间范围内，施加一组曲线压力，激活材料中的钛分子，并对不需要激活的部分进行“休克”保护，使多层钛板之间的分子相互渗透，并在停止激活后，形成无界面的同种基体，使连接后的材料物理性能和化学性能与原材料相比完全一致，避免了多层板焊接后的接头强度降低和焊接缺陷的残留，实现了连接与成型的组合加工技术，制造出1000×2000mm，厚度在2～10mm的多层钛合金空心结构板材。
本发明采用超塑成形、扩散连接组合工艺，它可以一次实现多个零件的成型和组合，具有减少零件数量、减轻结构重量约40％、缩短制作周期约50％、节约制造成本约12％的优点，简化了协调关系，提高了组件协调互换性，没有残余应力，提高产品可靠性。它适用于航空航天的弹翼、加强蒙皮和前后缘襟翼、副翼、方向舵、腹鳍、发动机静止叶片等大型复杂部件。
具体实施方式
1、下料
选择在600℃时具有热蠕变特性、在900℃时具有超塑特性、厚度为0.2～5.0mm的钛合金板，通过计算不同厚度钛合金板材的高温变形量和吹胀成型时材料的流动性，确定放缩系数和下料尺寸，并利用高压水切割机进行精确下料(水切割设备的精度为±0.05mm，美国PAR公司出品)，有效加工尺寸为2000×4000×300mm，用水切割下料主要是为了避免切割时产生金属共熔层，影响后工序焊接质量。
2、酸洗
将切割好的板材在弱酸溶液中浸泡50-60分钟，之后加手工辅助刷洗，之后再用清水漂洗，达到除油和清洁材料表面的目的。
3、烘干
在烘箱中用120℃±10℃的温度烘干上述漂洗过的板材。
4、贴保护膜
将烘干后的板材转入洁净工作间中的工作台，贴涂装保护膜。
5、涂阻焊剂
将不需要焊接的板材部分涂阻焊剂，并将其烘干。
6、去除保护膜
去除保护膜，使激活面与外激活面及工艺边清晰分开。
7、焊工艺边
将3层或3层以上，0.2～5.0mm，等厚度或不等厚度已涂好阻焊剂并去除了保护膜的板材叠放，焊接工艺边，使其形成密封舱室，之后焊进气嘴和出气嘴。
8、安装模具并升温成型设备
将已加工好的模具清洁干净，涂好润滑剂和保护剂，安装在美国ACCUDYNE公司出品的900吨超塑成型机上，该设备为四立柱式液压结构，有效工作面积为1500×2500×1100mm，电热管分区加热形式，温度均匀性为±10℃，可移出式陶瓷工作平台，最高工作温度1100℃，进行冷试模合格后，开始升温，设定温度为920℃。
9、扩散连接
当炉温和模具温度均匀达到920℃±13℃时，开启炉门，将焊好工艺边的板材放入模具中，预热40分钟，之后闭合模具，施加压力，在5分钟内使模具压边力达到650吨，保压保温2小时，使被激活的分子进行充分的扩散，形成同一基体。
10、吹胀成型
在完成扩散连接后，按工艺规程进行气体加压，在保持上道工序温度和压力的同时，增加气体压力，致300吨时间为2小时，使多层板之间形成空穴。
11、取件和冷却
完成成型后，打开炉门，移出工作台，取下测温热电偶，用天车取出成型后的板材，放在玻璃纤维板上空冷。
12、切割工艺边
将上述空冷后的板材置于高压水切割设备上，用高压水切割掉工艺边，达到要求的尺寸。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下得出的其他任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1、一种多层钛合金薄板组合连接方法，其特征在于它包括下列步骤：下料、酸洗、烘干、贴保护膜、涂阻焊剂、去除保护膜、焊工艺边、安装模具并升温成型设备、扩散连接、吹胀成型、取件和冷却、切割工艺边。
2、如权利要求1所述的多层钛合金薄板组合连接方法，其特征在于：所述下料、酸洗、烘干步骤为选择在600℃时具有热蠕变特性、在900℃时具有超塑特性、厚度为0.2～5.0mm的钛合金板，利用高压水切割机进行下料，将下好料的钛合金板浸入弱酸溶液中浸泡50-60分钟，并进行刷洗和清水漂洗，并在烘箱中用120℃±10℃的温度烘干上述漂洗过的板材。
3、如权利要求1所述的多层钛合金薄板组合连接方法，其特征在于：所述贴保护膜、涂阻焊剂、去除保护膜步骤为将烘干后的板材贴涂保护膜，涂阻焊剂，并将其烘干，去除保护膜，使激活面与外激活面及工艺边清晰分开。
4、如权利要求1所述的多层钛合金薄板组合连接方法，其特征在于：所述焊工艺边步骤为将3层或3层以上，0.2～5.0mm，等厚度或不等厚度已涂好阻焊剂并去除了保护膜的板材叠放，焊接工艺边，使其形成密封舱室，之后焊进气嘴和出气嘴。
5、如权利要求1所述的多层钛合金薄板组合连接方法，其特征在于：所述安装模具并升温成型、扩散连接、吹胀成型步骤为将已加工好的模具清洁干净，涂好润滑剂和保护剂，安装在900吨超塑成型机上，进行冷试模合格后，开始升温，设定温度为920℃，当炉温和模具温度均匀达到920℃±13℃时，开启炉门，将焊好工艺边的板材放入模具中，预热40分钟，之后闭合模具，在5分钟内使模具压边力达到650吨，保压保温2小时，使被激活的分子进行充分的扩散，形成同一基体，在完成扩散连接后，进行气体加压，在保持所述温度和压力的同时，增加气体压力，至300吨，时间为2小时，使多层板之间形成空穴。
6、如权利要求1所述的多层钛合金薄板组合连接方法，其特征在于：所述取件和冷却、切割工艺边步骤为完成成型后取出成型后的板材，放在玻璃纤维板上空冷，将上述空冷后的板材置于高压水切割设备上，用高压水切割掉工艺边。
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