CN102182907A - 一种钛合金工字型截面波纹梁及其制造方法 - Google Patents

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韩秀全
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本发明属于钛合金工字型截面波纹梁的制造技术，涉及一种钛合金工字型截面波纹梁和对钛合金工字型截面波纹梁制造方法的改进。它由左侧腹板[1]、右侧腹板[2]、上缘板[3]和下缘板[4]组合连接构成，左侧腹板[1]、右侧腹板[2]、上缘板[3]和下缘板[4]之间的贴合面通过扩散连接形成整体结构。本发明的制造步骤是：模具制造；下料；超塑成形；切边；毛坯表面处理；毛坯组焊；扩散连接；切割焊接工艺边。本发明无需锻造工艺，材料利用率高，加工周期短，成本低，无需拼焊。

Description

一种钛合金工字型截面波纹梁及其制造方法
技术领域
本发明属于钛合金工字型截面波纹梁的制造技术，涉及一种钛合金工字型截面波纹梁和对钛合金工字型截面波纹梁制造方法的改进。
背景技术
钛合金工字型截面波纹梁由上缘条、下缘条和位于上缘条、下缘条之间的腹板组成，上缘条、腹板和下缘条相互连接为整体结构。目前，钛合金工字型截面波纹梁的制造一般采用锻造与机加工艺进行，即先利用自由锻造制备零件毛坯，然后利用数控机床加工保证型面形状尺寸。若零件尺寸较大，则导致锻件投影面积大，由于受锻造设备能力的限制，需将波纹梁分段制造，然后进行拼焊。上述方法制造钛合金工字型截面波纹梁存在以下几个缺点：
(1)由于钛合金变形抗力大，若加之投影面积大，则需使用大型锻造设备；
(2)钛合金对锻造工艺参数非常敏感，锻造温度、变形量、变形及冷却速度的改变都会引起钛合金组织性能的变化；
(3)钛合金锻件存在大余量加工表面，材料利用率低；
(4)钛合金锻件切削加工性能差，且需要采用数控加工，加工成本高；
(5)若钛合金波纹梁截面壁厚较薄时，数控加工难度大，通常粗加工后还需要经过退火去除表面应力，再进行精加工，加工周期长；
(6)切削加工之后其组织中的流线被切断，至使疲劳等力学性能会大幅下降；
(7)若钛合金波纹梁尺寸大，则会导致钛合金锻件投影面积越大，需要分段制造再拼焊而成，而焊缝的增加，会降低其力学性能。
发明内容
本发明的目的是：提出一种无需锻造工艺、材料利用率高、加工周期短、成本低、无需拼焊的钛合金工字型截面波纹梁的制造方法。
本发明的技术方案是：一种钛合金工字型截面波纹梁，其特征在于，它由左侧腹板、右侧腹板、上缘板和下缘板组合连接构成，左侧腹板的截面形状是“口”字去掉左侧一竖的形状，右侧腹板的截面形状是“口”字去掉右侧一竖的形状，左侧腹板中间立板的右表面与右侧腹板中间立板的左表面贴合，左侧腹板和右侧腹板的上平板与上缘板的下表面贴合，左侧腹板和右侧腹板的下平板与下缘板的上表面贴合，左侧腹板、右侧腹板、上缘板和下缘板之间的贴合面通过扩散连接形成整体结构，左侧腹板中间立板的厚度与右侧腹板中间立板的厚度之和等于钛合金工字型截面波纹梁腹板的厚度，左侧腹板和右侧腹板的上平板与上缘板的厚度之和等于钛合金工字型截面波纹梁上缘条的厚度，左侧腹板和右侧腹板的下平板与下缘板的厚度之和等于钛合金工字型截面波纹梁下缘条的厚度。
如上面所述钛合金工字型截面波纹梁的制造方法，其特征在于，制造的步骤如下：
1、模具制造：根据波纹梁的数学模型制造出波纹梁左侧腹板、右侧腹板、上缘板和下缘板的超塑成形模具以及波纹梁热等静压扩散模具；若上缘板和下缘板不带型面，则不需要制造上缘板和下缘板的超塑成形模具；
2、下料：按左侧腹板、右侧腹板、上缘板和下缘板的超塑成形模具所需要的尺寸分别裁取钛合金板坯，清除板坯毛刺并进行除油，然后在板坯表面均匀喷涂氧化钇型隔离剂(含氧化钇粉、聚甲基丙烯酸甲酯粉、醋酸乙酯，比例为20∶1∶10，用大量丙酮稀释)；
3、超塑成形：将左侧腹板、右侧腹板、上缘板和下缘板的钛合金板坯分别装入相应的超塑成形模具中，然后放进加热炉中升温加热到880℃～920℃，向模具中通入氩气进行超塑成形，超塑成形的最大气压为1.5MPa，超塑成形时间60min～90min，炉内自然冷却，得到左侧腹板、右侧腹板、上缘板和下缘板的毛坯；
4、切边：采用线切割的方法去除左侧腹板、右侧腹板、上缘板和下缘板毛坯上多余的工艺边；
5、毛坯表面处理：对毛坯表面进行碱崩酸洗处理，去除氧化皮；
6、毛坯组焊：采用氩弧焊将左侧腹板、右侧腹板、上缘板和下缘板各毛坯的贴合边缘组合封焊成波纹梁毛坯，左侧腹板、右侧腹板、上缘板和下缘板各毛坯的贴合面内应保持真空状态，真空度不大于0.1Pa；
7、扩散连接：在波纹梁毛坯表面均匀喷涂止焊剂后，将波纹梁毛坯装入热等静压扩散模具中，放入加热炉中升温加热至880℃～920℃，向热等静压扩散模具中通入氩气进行扩散连接，最大气压2MPa，保压时间1h～1.5h，炉内自然冷却后出炉；
8、切割焊接工艺边：采用线切割的方法去除多余的焊接工艺边，获得钛合金工字型截面波纹梁。
本发明的优点是：无需锻造工艺；由于钛合金超塑变形抗力小，可降低设备吨位，并以较小的气压获得较大的变形量；钛合金可在较宽的温度范围内超塑变形，而其组织性能与原始钛合金相比降低很少；零件外型面通过超塑精确成形，除周边的氩弧焊工艺边外，不存在加工余量，材料利用率高；无需数控加工及去应力退火，加工周期短，成本低；零件通过热等静压扩散连接在一起成为整体结构，疲劳性能好；能制造大尺寸薄壁零件，而无需拼焊。
附图说明
图1是本发明钛合金工字型截面波纹梁的截面示意图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。参见图1，一种钛合金工字型截面波纹梁，其特征在于，它由左侧腹板1、右侧腹板2、上缘板3和下缘板4组合连接构成，左侧腹板1的截面形状是“口”去掉左侧一竖的形状，右侧腹板2的截面形状是“口”去掉右侧一竖的形状，左侧腹板1中间立板的右表面与右侧腹板2中间立板的左表面贴合，左侧腹板1和右侧腹板2的上平板与上缘板3的下表面贴合，左侧腹板1和右侧腹板2的下平板与下缘板4的上表面贴合，左侧腹板1、右侧腹板2、上缘板3和下缘板4之间的贴合面通过扩散连接形成整体结构，左侧腹板1中间立板的厚度与右侧腹板2中间立板的厚度之和等于钛合金工字型截面波纹梁腹板的厚度，左侧腹板1和右侧腹板2的上平板与上缘板3的厚度之和等于钛合金工字型截面波纹梁上缘条的厚度，左侧腹板1和右侧腹板2的下平板与下缘板4的厚度之和等于钛合金工字型截面波纹梁下缘条的厚度。
如上面所述钛合金工字型截面波纹梁的制造方法，其特征在于，制造的步骤如下：
1、模具制造：根据波纹梁的数学模型制造出波纹梁左侧腹板1、右侧腹板2、上缘板3和下缘板4的超塑成形模具以及波纹梁热等静压扩散模具；若上缘板3和下缘板4不带型面，则不需要制造上缘板3和下缘板4的超塑成形模具；
2、下料：按左侧腹板1、右侧腹板2、上缘板3和下缘板4的超塑成形模具所需要的尺寸分别裁取钛合金板坯，清除板坯毛刺并进行除油，然后在板坯表面均匀喷涂氧化钇型隔离剂(含氧化钇粉、聚甲基丙烯酸甲酯粉、醋酸乙酯，比例为20∶1∶10，用大量丙酮稀释)；
3、超塑成形：将左侧腹板1、右侧腹板2、上缘板3和下缘板4的钛合金板坯分别装入相应的超塑成形模具中，然后放进加热炉中升温加热到880℃～920℃，向模具中通入氩气进行超塑成形，超塑成形的最大气压为1.5MPa，超塑成形时间60min～90min，炉内自然冷却，得到左侧腹板1、右侧腹板2、上缘板3和下缘板4的毛坯；
4、切边：采用线切割的方法去除左侧腹板1、右侧腹板2、上缘板3和下缘板4毛坯上多余的工艺边；
5、毛坯表面处理：对毛坯表面进行碱崩酸洗处理，去除氧化皮；
6、毛坯组焊：采用氩弧焊将左侧腹板1、右侧腹板2、上缘板3和下缘板4各毛坯的贴合边缘组合封焊成波纹梁毛坯，左侧腹板1、右侧腹板2、上缘板3和下缘板4各毛坯的贴合面内应保持真空状态，真空度不大于0.1Pa；
7、扩散连接：在波纹梁毛坯表面均匀喷涂止焊剂后，将波纹梁毛坯装入热等静压扩散模具中，放入加热炉中升温加热至880℃～920℃，向热等静压扩散模具中通入氩气进行扩散连接，最大气压2MPa，保压时间1h～1.5h，炉内自然冷却后出炉；
8、切割焊接工艺边：采用线切割的方法去除多余的焊接工艺边，获得钛合金工字型截面波纹梁。
本发明是利用钛合金良好的超塑和扩散连接性能，采用单层板超塑成形工艺，在超塑模具中分别进行左侧腹板1、右侧腹板2、上缘板3和下缘板4的超塑成形，实现了左侧腹板1、右侧腹板2、上缘板3和下缘板4板坯的精确成形，然后采用整体热等静压的方式将左侧腹板1、右侧腹板2、上缘板3和下缘板4板坯通过扩散连接成为整体结构。
实施例1
1、模具制造：根据波纹梁的数学模型制造出波纹梁左侧腹板1、右侧腹板2、上缘板3和下缘板4的超塑成形模具以及波纹梁热等静压扩散模具；若上缘板3和下缘板4不带型面，则不需要制造上缘板3和下缘板4的超塑成形模具；
2、下料：按左侧腹板1、右侧腹板2、上缘板3和下缘板4的超塑成形模具所需要的尺寸分别裁取钛合金板坯，清除板坯毛刺并进行除油，然后在板坯表面均匀喷涂氧化钇型隔离剂(含氧化钇粉、聚甲基丙烯酸甲酯粉、醋酸乙酯，比例为20∶1∶10，用大量丙酮稀释)；
3、超塑成形：将左侧腹板1、右侧腹板2、上缘板3和下缘板4的钛合金板坯分别装入相应的超塑成形模具中，然后放进加热炉中升温加热到880℃，向模具中通入氩气进行超塑成形，超塑成形的最大气压为1.5MPa，超塑成形时间80min，炉内自然冷却，得到左侧腹板1、右侧腹板2、上缘板3和下缘板4的毛坯；
4、切边：采用线切割的方法去除左侧腹板1、右侧腹板2、上缘板3和下缘板4毛坯上多余的工艺边；
5、毛坯表面处理：对毛坯表面进行碱崩酸洗处理，去除氧化皮；
6、毛坯组焊：采用氩弧焊将左侧腹板1、右侧腹板2、上缘板3和下缘板4各毛坯的贴合边缘组合封焊成波纹梁毛坯，左侧腹板1、右侧腹板2、上缘板3和下缘板4各毛坯的贴合面内应保持真空状态，真空度不大于0.1Pa；
7、扩散连接：在波纹梁毛坯表面均匀喷涂止焊剂后，将波纹梁毛坯装入热等静压扩散模具中，放入加热炉中升温加热至890℃，向热等静压扩散模具中通入氩气进行扩散连接，最大气压2MPa，保压时间1.5h，炉内自然冷却后出炉；
8、切割焊接工艺边：采用线切割的方法去除多余的焊接工艺边，获得钛合金工字型截面波纹梁。
实施例2
1、模具制造：根据波纹梁的数学模型制造出波纹梁左侧腹板1、右侧腹板2、上缘板3和下缘板4的超塑成形模具以及波纹梁热等静压扩散模具；若上缘板3和下缘板4不带型面，则不需要制造上缘板3和下缘板4的超塑成形模具；
2、下料：按左侧腹板1、右侧腹板2、上缘板3和下缘板4的超塑成形模具所需要的尺寸分别裁取钛合金板坯，清除板坯毛刺并进行除油，然后在板坯表面均匀喷涂氧化钇型隔离剂(含氧化钇粉、聚甲基丙烯酸甲酯粉、醋酸乙酯，比例为20∶1∶10，用大量丙酮稀释)；
3、超塑成形：将左侧腹板1、右侧腹板2、上缘板3和下缘板4的钛合金板坯分别装入相应的超塑成形模具中，然后放进加热炉中升温加热到900℃，向模具中通入氩气进行超塑成形，超塑成形的最大气压为1.5MPa，超塑成形时间60min，炉内自然冷却，得到左侧腹板1、右侧腹板2、上缘板3和下缘板4的毛坯；
4、切边：采用线切割的方法去除左侧腹板1、右侧腹板2、上缘板3和下缘板4毛坯上多余的工艺边；
5、毛坯表面处理：对毛坯表面进行碱崩酸洗处理，去除氧化皮；
6、毛坯组焊：采用氩弧焊将左侧腹板1、右侧腹板2、上缘板3和下缘板4各毛坯的贴合边缘组合封焊成波纹梁毛坯，左侧腹板1、右侧腹板2、上缘板3和下缘板4各毛坯的贴合面内应保持真空状态，真空度不大于0.1Pa；
7、扩散连接：在波纹梁毛坯表面均匀喷涂止焊剂后，将波纹梁毛坯装入热等静压扩散模具中，放入加热炉中升温加热至910℃，向热等静压扩散模具中通入氩气进行扩散连接，最大气压2MPa，保压时间1h，炉内自然冷却后出炉；
8、切割焊接工艺边：采用线切割的方法去除多余的焊接工艺边，获得钛合金工字型截面波纹梁。

Claims (2)

1.一种钛合金工字型截面波纹梁，其特征在于，它由左侧腹板[1]、右侧腹板[2]、上缘板[3]和下缘板[4]组合连接构成，左侧腹板[1]的截面形状是“口”字去掉左侧一竖的形状，右侧腹板[2]的截面形状是“口”字去掉右侧一竖的形状，左侧腹板[1]中间立板的右表面与右侧腹板[2]中间立板的左表面贴合，左侧腹板[1]和右侧腹板[2]的上平板与上缘板[3]的下表面贴合，左侧腹板[1]和右侧腹板[2]的下平板与下缘板[4]的上表面贴合，左侧腹板[1]、右侧腹板[2]、上缘板[3]和下缘板[4]之间的贴合面通过扩散连接形成整体结构，左侧腹板[1]中间立板的厚度与右侧腹板[2]中间立板的厚度之和等于钛合金工字型截面波纹梁腹板的厚度，左侧腹板[1]和右侧腹板[2]的上平板与上缘板[3]的厚度之和等于钛合金工字型截面波纹梁上缘条的厚度，左侧腹板[1]和右侧腹板[2]的下平板与下缘板[4]的厚度之和等于钛合金工字型截面波纹梁下缘条的厚度。
2.如权利要求1所述的钛合金工字型截面波纹梁的制造方法，其特征在于，制造的步骤如下：
2.1、模具制造：根据波纹梁的数学模型制造出波纹梁左侧腹板[1]、右侧腹板[2]、上缘板[3]和下缘板[4]的超塑成形模具以及波纹梁热等静压扩散模具；若上缘板[3]和下缘板[4]不带型面，则不需要制造上缘板[3]和下缘板[4]的超塑成形模具；
2.2、下料：按左侧腹板[1]、右侧腹板[2]、上缘板[3]和下缘板[4]的超塑成形模具所需要的尺寸分别裁取钛合金板坯，清除板坯毛刺并进行除油，然后在板坯表面均匀喷涂氧化钇型隔离剂(含氧化钇粉、聚甲基丙烯酸甲酯粉、醋酸乙酯，比例为20∶1∶10，用大量丙酮稀释)；
2.3、超塑成形：将左侧腹板[1]、右侧腹板[2]、上缘板[3]和下缘板[4]的钛合金板坯分别装入相应的超塑成形模具中，然后放进加热炉中升温加热到880℃～920℃，向模具中通入氩气进行超塑成形，超塑成形的最大气压为1.5MPa，超塑成形时间60min～90min，炉内自然冷却，得到左侧腹板[1]、右侧腹板[2]、上缘板[3]和下缘板[4]的毛坯；
2.4、切边：采用线切割的方法去除左侧腹板[1]、右侧腹板[2]、上缘板[3]和下缘板[4]毛坯上多余的工艺边；
2.5、毛坯表面处理：对毛坯表面进行碱崩酸洗处理，去除氧化皮；
2.6、毛坯组焊：采用氩弧焊将左侧腹板[1]、右侧腹板[2]、上缘板[3]和下缘板[4]各毛坯的贴合边缘组合封焊成波纹梁毛坯，左侧腹板[1]、右侧腹板[2]、上缘板[3]和下缘板[4]各毛坯的贴合面内应保持真空状态，真空度不大于0.1Pa；
2.7、扩散连接：在波纹梁毛坯表面均匀喷涂止焊剂后，将波纹梁毛坯装入热等静压扩散模具中，放入加热炉中升温加热至880℃～920℃，向热等静压扩散模具中通入氩气进行扩散连接，最大气压2MPa，保压时间1h～1.5h，炉内自然冷却后出炉；
2.8、切割焊接工艺边：采用线切割的方法去除多余的焊接工艺边，获得钛合金工字型截面波纹梁。
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