CN102990299B - 一种x型钛合金三维点阵夹层结构的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钛合金结构成形技术，涉及一种X型钛合金三维点阵夹层结构的超塑成形/扩散连接制备方法。本发明采用超塑成形方法制备X型钛合金三位点阵夹层构件，本发明首次提出采用超塑成形/扩散连接工艺相，来制备X型钛合金的三维点阵夹层结构，这样一方面可以精确的控制成型后零件的外形，特别是一些具有复杂外形的X型钛合金三维点阵结构，同时解决了X型钛合金三维点阵夹层成形难的技术难题。而采用超塑成形/扩散连接制备的结构，由于三维点阵夹层与上下面板之间是通过扩散连接的方法结合在一起，因此，具有较高的结合强度。

Description

一种X型钛合金三维点阵夹层结构的制备方法

技术领域

本发明属于钛合金结构成形技术，涉及一种X型钛合金三维点阵夹层结构的制备方法。

背景技术

钛合金三维点阵结构可以采用下面的方法来制备，如图1所示，首先是将钛丝逐层呈一定角度交错铺层，然后在高温条件下，施加固定的压力，保温保压一定时间，使不同层之间的钛合金丝相互扩散连接在一起，然后采用钎焊（TiCuNi-60，以20℃min^-1的速度升温至550℃，保温5min，然后在升温至975℃，在真空度为10^-7Torr条件下，保温30min）的方法，将面板与点阵结构连接在一起，从而制备出钛合金三维点阵夹层结构。

钛合金三维点阵夹层结构也可以采用快速成形的方法来制备，如图2所示，是通过电子束、激光快速成型方法制备的三维点阵结构。

也有采用如图3所示的的金属板网冲压后再与面板钎焊的方法制备了Ti-6Al-4V的三维点阵夹层结构。

上述三种方法具有以下不足：

（1）采用扩散连接方法制备的金属丝三维点阵结构，层间的间距较小，可调整范围小，一般只能有钛合金丝直径的大小，可设计性差；

（2）采用扩散连接的方法将不同层之间的金属丝连接在一起，在扩散连接过程中，会发生整体结构受压作用下，导致结构的高度下降，获得所需要的结构高度，具有一定的难度；

（3）对于直径较小的金属丝，在进行扩散连接时，金属丝容易弯曲，需要采用不锈钢钉固定；

（4）制备具有复杂型面的金属点阵结构时，需要将金属丝弯曲后进行扩散连接，控制难度较大；

（5）成本高。电子束快速成型需要专用的电子束、激光设备来成形点阵结构，成本较高；

（6）电子束、激光快速成型后的零件组织是铸态组织，材料的性能较低；

（7）电子束、激光快速成型后的上下面板表面粗糙度较高，还需要后续的加工处理；

发明内容

本发明的目的是针对现有钛合金三维点阵夹层结构制备工艺的一些不足，提出一种X型钛合金三维点阵夹层结构的制备方法。

本发明的技术解决方案是，

（1）加工芯板的镂空的网格结构，采用高压水切割或数控加工的方式将钛合金板材加工成镂空的网格结构；

（2）加工面板，采用高压水切割或数控加工的方式将钛合金板材加工成与芯板外形尺寸相适应的平板；

（3）表面化学清洗，去除芯板与面板表面的氧化层；

（4）止焊剂涂覆，在芯板的两个表面镂空的的网格上涂覆止焊剂，涂覆止焊剂的原则是，在芯板其中的一个表面网格的第i行，第j与j+1中点，则称该点的坐标（x，y）为（i，j+1/2），在芯板的一个表面网格的第i行和第i+1行中点，第j列，则称该点的坐标（x，y）为（i+1/2，j），如果网格结点的中点坐标符合x-y＝k+1/2或x+y＝k+1/2，则k为奇数和偶数的结点中点的止焊剂涂覆情况相反，即x-y＝k+1/2或x+y＝k+1/2直线上的结点中点，当k为奇数时，涂覆或者是不涂覆止焊剂，则k为偶数时，直线上的结点中点的涂覆情况为不涂覆或者是涂覆止焊剂；芯板的另一个表面上的结点中点处的止焊剂的涂覆状态与所对应结点中点处的涂覆状态相反（涂覆与不涂覆）；在结点中点不涂覆止焊剂的宽度与筋条宽度相同，除不涂覆止焊剂的结点中点位置，在芯板的两个表面的其它位置均涂覆止焊剂；

（5）芯板与面板扩散连接，按照面板、芯板再面板的顺序叠层，对叠层后的板材边缘进行封边焊，并预留6-10mm宽度的板材边缘焊接抽气管，将封边焊后的预制坯放入到用于加压扩散连接的扩散连接模具中，通过抽气管对预制坯抽真空，真空度为1.0×10^-1Pa～1.0×10^-3Pa，对扩散连接模具和预制坯加热，升温至900℃～920℃，对扩散连接模具加压，实现预制坯的面板与芯板的扩散连接，扩散连接的工艺参数为：900℃～920℃/2MPa/2h。完成扩散连接后，未涂覆止焊剂的位置分别与面板结合在一起；

（6）超塑成形，将扩散连接后的预制坯从扩散连接模具中取出，放入超塑成形模具中，升温至900℃～920℃，在抽气管中通入氩气进行超塑成形，超塑成形工艺参数为：900℃～920℃/2MPa/2h。在超塑成形过程中，未涂覆止焊剂的结点位置随其中一个面板成形而移动，与该节点相临的同一个表面的四个结点未与该面板相连接，而与该结点相临的另一个表面的四个结点则与另一个面板相连接，在超塑成形过程中，另一个表面的四个结点随着另一个面板向着与该结点相反的方向移动，这样就通过超塑成形将筋条拉出一个金字塔形式的三维点阵结构；

（7）从超塑成形模具中取出成形后的预制坯，采用高压水切割或数控加工的方法加工出钛合金三维点阵夹层结构。

本发明具有的优点和有益效果，本发明采用超塑成形方法制备X型钛合金三位点阵夹层构件的优点可以概括如下：

（1）可以精确成形出具有复杂外形的X型钛合金三维点阵夹层结构；

（2）与采用对钛合金丝材扩散连接方法制备三维点阵结构的方法相比较，筋条的高度可以根据设计要求进行调整，设计自由度角度，层间结合良好，性能高而且稳定；

（3）与快速成形方法相比较，采用超塑成形方法制备的钛合金结构组织和性能稳定，性能优于快速成形方法形成的铸态组织；

本发明首次提出采用超塑成形/扩散连接工艺相，来制备X型钛合金的三维点阵夹层结构，这样一方面可以精确的控制成型后零件的外形，特别是一些具有复杂外形的X型钛合金三维点阵结构，同时解决了钛合金三维点阵夹层成形难的技术难题。而采用超塑成形/扩散连接制备的结构，由于三维点阵夹层与上下面板之间是通过扩散连接的方法结合在一起，因此，具有较高的结合强度。

附图说明

图1是现有三维点阵夹层结构的制备过程示意图；

图2是现有三维点阵夹层结构的快速成型制备过程示意图；

图3是现有Ti-6Al-4V板网冲压/钎焊技术示意图，其中，(a)金字塔型芯体，(b)X型芯体；

图4是本发明镂空芯板的结构示意图与其中一面的止焊剂涂覆图形；

图5是本发明镂空芯板的结构示意图与另一面的止焊剂涂覆图形；

图6是本发明X型钛合金三维点阵夹层结构示意图；

图7是本发明X型钛合金三维点阵夹层结构局部放大图。

具体实施方式

利用超塑成形/扩散连接技术制备钛合金三维点阵结构的工艺技术方案为：

（1）加工芯板的镂空的网格结构，采用高压水切割或数控加工的方式将钛合金板材加工成镂空的网格结构；如图4中的方格部分即为镂空部分；

（2）加工面板，采用高压水切割或数控加工的方式将钛合金板材加工成与芯板外形尺寸相适应的平板；

（3）表面化学清洗，去除芯板与面板表面的氧化层，所用的表面清洗液为硝酸、氢氟酸、水的混合溶液，体积配比为：10%:5%:85%；

（4）止焊剂涂覆，在芯板的两个表面镂空的的网格上涂覆止焊剂，涂覆止焊剂的原则是，在芯板其中的一个表面网格的第i行，第j与j+1中点，则称该点的坐标（x，y）为（i，j+1/2），在芯板的一个表面网格的第i行和第i+1行中点，第j列，则称该点的坐标（x，y）为（i+1/2，j），如果网格结点的中点坐标符合x-y＝k+1/2或x+y＝k+1/2，则k为奇数和偶数的结点中点的止焊剂涂覆情况相反，即x-y＝k+1/2或x+y＝k+1/2直线上的结点中点，当k为奇数时，涂覆或者是不涂覆止焊剂，则k为偶数时，直线上的结点中点的涂覆情况为不涂覆或者是涂覆止焊剂；芯板的另一个表面上的结点中点处的止焊剂的涂覆状态与所对应结点中点处的涂覆状态相反（涂覆与不涂覆）；在结点中点不涂覆止焊剂的宽度与筋条宽度相同，除不涂覆止焊剂的结点中点位置，在芯板的两个表面的其它位置均涂覆止焊剂；

（5）芯板与面板扩散连接，按照面板、芯板再面板的顺序叠层，对叠层后的板材边缘进行封边焊，并预留6-10mm宽度的板材边缘焊接抽气管，将封边焊后的预制坯放入到用于加压扩散连接的扩散连接模具中，通过抽气管对预制坯抽真空，真空度为1.0×10^-1Pa～1.0×10^-3Pa，通过电阻炉对扩散连接模具和预制坯加热，升温至900℃～920℃，通过压机对扩散连接模具的上下模加压，从而实现放置于扩散连接模具的上下模之间的预制坯面板与芯板的扩散连接，扩散连接的工艺参数为：900℃～920℃/2MPa/2h；

（6）超塑成形，将扩散连接后的预制坯从扩散连接模具中取出，放入超塑成形模具的上下模中，通过电阻炉对超塑成形模具和预制坯加热，升温至900℃～920℃，通过压机对超塑成形模具的上下模加压，以防止在预制坯的内部口袋进气时，将超塑成形模具的上下模顶开，然后在预制坯上的抽气管中通入氩气进行超塑成形，在0.5h～1.0h时间周期内，氩气压力由0.1MPa升至2.0MPa，最终超塑成形的工艺参数为：900℃～920℃/2MPa/2h；

（7）从超塑成形模具中取出成形后的预制坯，采用高压水切割或数控加工的方法加工出钛合金三维点阵夹层结构，（见图5、6）。

实施例

TC4钛合金三维点阵结构的制备工艺方案如下：

（1）加工芯板的镂空的网格结构，采用高压水切割或数控加工的方式将TC4钛合金板材加工成镂空的网格结构，芯板的厚度为0.8mm；

（2）加工面板，采用高压水切割或数控加工的方式将TC4钛合金板材加工成与芯板外形尺寸相适应的平板，面板的厚度为2.0mm；

（3）表面化学清洗，去除芯板与面板表面的氧化层，所用的表面清洗液为硝酸、氢氟酸、水的混合溶液，体积配比为：10%:5%:85%；

（4）止焊剂涂覆，在芯板的两个表面镂空的的网格上涂覆止焊剂，涂覆止焊剂的原则是，在芯板其中的一个表面网格的第i行，第j与j+1中点，则称该点的坐标（x，y）为（i，j+1/2），在芯板的一个表面网格的第i行和第i+1行中点，第j列，则称该点的坐标（x，y）为（i+1/2，j），如果网格结点的中点坐标符合x-y＝k+1/2或x+y＝k+1/2，则k为奇数和偶数的结点中点的止焊剂涂覆情况相反，即x-y＝k+1/2或x+y＝k+1/2直线上的结点中点，当k为奇数时，涂覆或者是不涂覆止焊剂，则k为偶数时，直线上的结点中点的涂覆情况为不涂覆或者是涂覆止焊剂；芯板的另一个表面上的结点中点处的止焊剂的涂覆状态与所对应结点中点处的涂覆状态相反（涂覆与不涂覆）；在结点中点不涂覆止焊剂的宽度与筋条宽度相同，除不涂覆止焊剂的结点中点位置，在芯板的两个表面的其它位置均涂覆止焊剂；

（5）芯板与面板扩散连接，按照面板、芯板再面板的顺序叠层，对叠层后的板材边缘进行封边焊，并预留6mm宽度的板材边缘焊接抽气管，将封边焊后的预制坯放入到用于加压扩散连接的扩散连接模具中，通过抽气管对预制坯抽真空，真空度为1.0×10^-1Pa，通过电阻炉对扩散连接模具和预制坯加热，升温至920℃，通过压机对扩散连接模具的上下模加压，从而实现放置于扩散连接模具的上下模之间的预制坯面板与芯板的扩散连接，扩散连接的工艺参数为：920℃/2MPa/2h；

（6）超塑成形，将扩散连接后的预制坯从扩散连接模具中取出，放入超塑成形模具的上下模中，通过电阻炉对超塑成形模具和预制坯加热，升温至920℃，通过压机对超塑成形模具的上下模加压，以防止在预制坯的内部口袋进气时，将超塑成形模具的上下模顶开，然后在预制坯上的抽气管中通入氩气进行超塑成形，在0.5h的时间内，氩气压力由0.1MPa升至2.0MPa，最终超塑成形的工艺参数为：920℃/2MPa/2h；

（7）从超塑成形模具中取出成形后的预制坯，采用高压水切割或数控加工的方法加工出钛合金三维点阵夹层结构，（见图5及图6）。

Claims (1)

1.一种X型钛合金三维点阵夹层结构的制备方法，其制备方法是，

（1）加工芯板的镂空的网格结构，采用高压水切割或数控加工的方式将钛合金板材加工成镂空的网格结构；

（2）加工面板，采用高压水切割或数控加工的方式将钛合金板材加工成与芯板外形尺寸相适应的平板；

（3）表面化学清洗，去除芯板与面板表面的氧化层；

（4）止焊剂涂覆，在芯板的两个表面镂空的的网格上涂覆止焊剂，涂覆止焊剂的原则是，在芯板其中的一个表面网格的第i行，第j与j+1中点，则称该点的坐标（x，y）为（i，j+1/2），在芯板的一个表面网格的第i行和第i+1行中点，第j列，则称该点的坐标（x，y）为（i+1/2，j），如果网格结点的中点坐标符合x-y＝k+1/2或x+y＝k+1/2，则k为奇数和偶数的结点中点的止焊剂涂覆情况相反，即x-y＝k+1/2或x+y＝k+1/2直线上的结点中点，当k为奇数时，涂覆或者是不涂覆止焊剂，则k为偶数时，直线上的结点中点的涂覆情况为不涂覆或者是涂覆止焊剂；芯板的另一个表面上的结点中点处的止焊剂的涂覆状态与所对应结点中点处的涂覆状态相反；在结点中点不涂覆止焊剂的宽度与筋条宽度相同，除不涂覆止焊剂的结点中点位置，在芯板的两个表面的其它位置均涂覆止焊剂；

（5）芯板与面板扩散连接，按照面板、芯板再面板的顺序叠层，对叠层后的板材边缘进行封边焊，并预留6-10mm宽度的板材边缘焊接抽气管，将封边焊后的预制坯放入到用于加压扩散连接的扩散连接模具中，通过抽气管对预制坯抽真空，真空度为1.0×10^-1Pa～1.0×10^-3Pa，对扩散连接模具和预制坯加热，升温至900℃～920℃，对扩散连接模具加压，实现预制坯的面板与芯板的扩散连接，扩散连接的工艺参数为：900℃～920℃/2MPa/2h；

（6）超塑成形，将扩散连接后的预制坯从扩散连接模具中取出，放入超塑成形模具中，升温至900℃～920℃，在抽气管中通入氩气进行超塑成形，超塑成形工艺参数为：900℃～920℃/2MPa/2h；

（7）从超塑成形模具中取出成形后的预制坯，采用高压水切割或数控加工的方法加工出钛合金三维点阵夹层结构。