CN104228310B - 一种制备Ti2AlNb合金轻质三层中空结构的方法 - Google Patents
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Abstract
一种制备Ti2AlNb合金轻质三层中空结构的方法，它涉及制备三层中空结构的方法。本发明要解决现有常用的DB/SPF工艺制备Ti2AlNb合金中空多层结构件较难实现的问题。方法：一、Ti2AlNb芯板预处理；二、热弯曲处理；三、弯曲的Ti2AlNb芯板二次预处理；四、Ti2AlNb上下面板的预处理；五、扩散连接，即得到Ti2AlNb合金轻质三层中空结构。本发明可用于制备Ti2AlNb合金轻质三层中空结构。
Description
技术领域
本发明涉及制备三层中空结构的方法。
背景技术
随着航天航空技术的迅猛发展，对材料的性能提出越来越高的要求，高强、轻质、高效作为一个重要指标，以提高飞行器的推重比。作为一种新型高温结构材料，Ti2AlNb合金是以O相(正交结构)为基础的金属间化合物，其具有更高的比强度，高的弹性模量及更高的服役温度,是航空航天理想的轻比重高温结构材料。然而，为了更大限度提高飞行器的推重比、提高效率，结构部件的结构设计也便成为另一个考量点。因此，多层中空夹芯结构便是从结构设计考量，最大限度发挥材料的优势，可以大幅减重，改善结构部件的整体性，进而提高效率。目前，DB/SPF(diffusionbonding/superplasticforming,扩散连接/超塑成形)组合工艺是制造多层中空结构的最常用技术。但Ti2AlNb合金的高温强度高，变形困难，因此选用Ti2AlNb合金，并利用常用的DB/SPF工艺制备中空多层结构件较难实现。因此，如何利用具有更高高温强度等优势的Ti2AlNb合金来制造三层中空结构，以凭借材料与结构设计的结合来发挥Ti2AlNb合金的更大优势，是本发明的创新出发点。
发明内容
本发明要解决现有常用的DB/SPF工艺制备Ti2AlNb合金中空多层结构件较难实现的问题，而提供一种制备Ti2AlNb合金轻质三层中空结构的方法。
一种制备Ti2AlNb合金轻质三层中空结构的方法是按以下步骤完成的：
一、Ti2AlNb芯板预处理：将Ti2AlNb芯板依次经过粗磨、精磨、酸洗、清洗及烘干，得到预处理后的Ti2AlNb芯板；
二、热弯曲处理：将预处理后的Ti2AlNb芯板放入石墨弯曲模具中，并置于真空热压炉中，然后以升温速率为10℃/min～20℃/min，将温度升至1000℃～1150℃，在温度为1000℃～1150℃下，保温10min～30min，以0.5mm/min～1mm/min的速度缓慢对石墨弯曲模具施加压力，直至5MPa～10MPa，然后在压力为5MPa～10MPa及温度为1000℃～1150℃下，保温保压10min～30min，最后随炉冷却直至室温，得到弯曲的Ti2AlNb芯板；
三、弯曲的Ti2AlNb芯板二次预处理：将弯曲的Ti2AlNb芯板依次经过精磨、酸洗、清洗及烘干，得到二次预处理后的弯曲Ti2AlNb芯板；
四、Ti2AlNb上下面板的预处理：将Ti2AlNb上下面板依次经过粗磨、精磨、酸洗、清洗及烘干，得到预处理后的Ti2AlNb上下面板；
五、扩散连接：将二次预处理后的弯曲Ti2AlNb芯板置于预处理后的Ti2AlNb上下面板之间，形成三层中空结构，再将垫块置于三层中空结构的中空部分并紧密贴合，然后将放有垫块的三层中空结构放入石墨扩散连接组合模具中并置于真空热压炉中，对石墨扩散连接组合模具预加载1MPa～4MPa压力，并以升温速率为10℃/min～20℃/min，将温度升至1100℃～1250℃，然后对石墨扩散连接组合模具加载压力至8MPa～15MPa，并在温度为1100℃～1250℃及压力为8MPa～15MPa下，保温保压1h～2h，最后随炉冷却直至室温，取出垫块，即得到Ti2AlNb合金轻质三层中空结构。
本发明的有益效果是：本发明可以简单有效的制造Ti2AlNb合金三层中空结构，可以使三层中空结构具有更合理、更均匀的连接位置，三层结构的中间芯板结构可以实现更多复杂布局，而且壁厚均匀同一，因而此种方法制造的Ti2AlNb合金三层中空结构具有好的整体性。另外也为Ti2AlNb合金多层结构的制造提供一种简单合理实用的方法。
本发明用于一种制备Ti2AlNb合金轻质三层中空结构的方法。
附图说明
图1为芯板热弯曲成形示意图；1为预处理后的Ti2AlNb芯板，2为石墨弯曲模具，P为在石墨弯曲模具上施加的压力；
图2为三层结构的扩散连接示意图，1为二次预处理后的弯曲Ti2AlNb芯板，2为预处理后的Ti2AlNb上下面板，3为垫块，4为石墨扩散连接组合模具冲头，P为在石墨扩散连接组合模具冲头上施加的压力；
图3为实施例制备的Ti2AlNb合金轻质三层中空结构平面压缩测试示意图，1为Ti2AlNb合金轻质三层中空结构，2为压板，P为在压板上施加的压力；
图4为实施例制备的Ti2AlNb合金轻质三层中空结构平面压缩测试载荷与位移关系曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1及2，本实施方式的一种制备Ti2AlNb合金轻质三层中空结构的方法，一种制备Ti2AlNb合金轻质三层中空结构的方法是按以下步骤完成的：
一、Ti2AlNb芯板预处理：将Ti2AlNb芯板依次经过粗磨、精磨、酸洗、清洗及烘干，得到预处理后的Ti2AlNb芯板；
二、热弯曲处理：将预处理后的Ti2AlNb芯板放入石墨弯曲模具中，并置于真空热压炉中，然后以升温速率为10℃/min～20℃/min，将温度升至1000℃～1150℃，在温度为1000℃～1150℃下，保温10min～30min，以0.5mm/min～1mm/min的速度缓慢对石墨弯曲模具施加压力，直至5MPa～10MPa，然后在压力为5MPa～10MPa及温度为1000℃～1150℃下，保温保压10min～30min，最后随炉冷却直至室温，得到弯曲的Ti2AlNb芯板；
三、弯曲的Ti2AlNb芯板二次预处理：将弯曲的Ti2AlNb芯板依次经过精磨、酸洗、清洗及烘干，得到二次预处理后的弯曲Ti2AlNb芯板；
四、Ti2AlNb上下面板的预处理：将Ti2AlNb上下面板依次经过粗磨、精磨、酸洗、清洗及烘干，得到预处理后的Ti2AlNb上下面板；
五、扩散连接：将二次预处理后的弯曲Ti2AlNb芯板置于预处理后的Ti2AlNb上下面板之间，形成三层中空结构，再将垫块置于三层中空结构的中空部分并紧密贴合，然后将放有垫块的三层中空结构放入石墨扩散连接组合模具中并置于真空热压炉中，对石墨扩散连接组合模具预加载1MPa～4MPa压力，并以升温速率为10℃/min～20℃/min，将温度升至1100℃～1250℃，然后对石墨扩散连接组合模具加载压力至8MPa～15MPa，并在温度为1100℃～1250℃及压力为8MPa～15MPa下，保温保压1h～2h，最后随炉冷却直至室温，取出垫块，即得到Ti2AlNb合金轻质三层中空结构。
本具体实施方式芯板作为三层中空结构的内部支撑结构，其成形质量直接影响到三层结构的性能，因此，热弯曲芯板的形状的精确性及弯曲后的整体质量是关键。
本具体实施方式中三层板的扩散连接的加压方式是借助模具限制传导压力。
本具体实施方式步骤五中预加载步骤是为了是连接接头处预先充分接触，而防止在加热过程中导致连接处表面污染而在连接处产生不必要缺陷，影响三层结构的扩散连接质量，进而影响到三层结构的整体性。
本实施方式的有益效果是：本实施方式可以简单有效的制造Ti2AlNb合金三层中空结构，可以使三层中空结构具有更合理、更均匀的连接位置，三层结构的中间芯板结构可以实现更多复杂布局，而且壁厚均匀同一，因而此种方法制造的Ti2AlNb合金三层中空结构具有好的整体性。另外也为Ti2AlNb合金多层结构的制造提供一种简单合理实用的方法。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤五中所述的垫块为石墨材质。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤二中以升温速率为10℃/min～15℃/min，将温度升至1000℃～1100℃，在温度为1000℃～1100℃下，保温30min。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中以0.5mm/min的速度缓慢对石墨弯曲模具施加压力，直至8MPa～10MPa。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤五中对石墨扩散连接组合模具预加载1MPa～3MPa压力。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤五中以升温速率为10℃/min～15℃/min，将温度升至1100℃～1200℃，然后对石墨扩散连接组合模具加载压力至8MPa～10MPa，并在温度为1100℃～1200℃及压力为8MPa～10MPa下，保温保压2h。其它与具体实施方式一至五相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例：
一、Ti2AlNb芯板预处理：将Ti2AlNb芯板依次经过粗磨、精磨、酸洗、清洗及烘干，得到预处理后的Ti2AlNb芯板；
二、热弯曲处理：将预处理后的Ti2AlNb芯板放入石墨弯曲模具中，并置于真空热压炉中，然后以升温速率为15℃/min，将温度升至1100℃，在温度为1100℃下，保温30min，以0.5mm/min的速度缓慢对石墨弯曲模具施加压力，直至10MPa，然后在温度为1100℃及压力为10MPa下，保温保压30min，最后随炉冷却直至室温，得到弯曲的Ti2AlNb芯板；
三、弯曲的Ti2AlNb芯板二次预处理：将弯曲的Ti2AlNb芯板依次经过精磨、酸洗、清洗及烘干，得到二次预处理后的弯曲Ti2AlNb芯板；
四、Ti2AlNb上下面板的预处理：将Ti2AlNb上下面板依次经过粗磨、精磨、酸洗、清洗及烘干，得到预处理后的Ti2AlNb上下面板；
五、扩散连接：将二次预处理后的弯曲Ti2AlNb芯板置于预处理后的Ti2AlNb上下面板之间，形成三层中空结构，再将垫块置于三层中空结构的中空部分并紧密贴合，然后将放有垫块的三层中空结构放入石墨扩散连接组合模具中并置于真空热压炉中，对石墨扩散连接组合模具预加载3MPa压力，并以升温速率为15℃/min，将温度升至1200℃，然后对石墨扩散连接组合模具加载压力至10MPa，并在温度为1200℃及压力为10MPa下，保温保压2h，最后随炉冷却直至室温，取出垫块，即得到Ti2AlNb合金轻质三层中空结构。
图3为实施例制备的Ti2AlNb合金轻质三层中空结构平面压缩测试示意图；图4为实施例制备的Ti2AlNb合金轻质三层中空结构平面压缩测试载荷与位移关系曲线。由图3及图4可知，本实施例制备的Ti2AlNb合金轻质三层中空结构通过平面压缩测试，加压速率1mm/min，结构失效前最大载荷可达9000N以上(测试件尺寸36mm×36mm×6mm)，由此可知，本实施例制备的Ti2AlNb合金轻质三层中空结构具有好的整体性，结构承受载荷能力强。
Claims (5)
1.一种制备Ti2AlNb合金轻质三层中空结构的方法，其特征在于一种制备Ti2AlNb合金轻质三层中空结构的方法是按以下步骤完成的：
一、Ti2AlNb芯板预处理：将Ti2AlNb芯板依次经过粗磨、精磨、酸洗、清洗及烘干，得到预处理后的Ti2AlNb芯板；
二、热弯曲处理：将预处理后的Ti2AlNb芯板放入石墨弯曲模具中，并置于真空热压炉中，然后以升温速率为10℃/min～20℃/min，将温度升至1000℃～1150℃，在温度为1000℃～1150℃下，保温10min～30min，以0.5mm/min～1mm/min的速度缓慢对石墨弯曲模具施加压力，直至5MPa～10MPa，然后在压力为5MPa～10MPa及温度为1000℃～1150℃下，保温保压10min～30min，最后随炉冷却直至室温，得到弯曲的Ti2AlNb芯板；
三、弯曲的Ti2AlNb芯板二次预处理：将弯曲的Ti2AlNb芯板依次经过精磨、酸洗、清洗及烘干，得到二次预处理后的弯曲Ti2AlNb芯板；
四、Ti2AlNb上下面板的预处理：将Ti2AlNb上下面板依次经过粗磨、精磨、酸洗、清洗及烘干，得到预处理后的Ti2AlNb上下面板；
五、扩散连接：将二次预处理后的弯曲Ti2AlNb芯板置于预处理后的Ti2AlNb上下面板之间，形成三层中空结构，再将垫块置于三层中空结构的中空部分并紧密贴合，然后将放有垫块的三层中空结构放入石墨扩散连接组合模具中并置于真空热压炉中，对石墨扩散连接组合模具预加载1MPa～4MPa压力，并以升温速率为10℃/min～20℃/min，将温度升至1100℃～1250℃，然后对石墨扩散连接组合模具加载压力至8MPa～15MPa，并在温度为1100℃～1250℃及压力为8MPa～15MPa下，保温保压1h～2h，最后随炉冷却直至室温，取出垫块，即得到Ti2AlNb合金轻质三层中空结构；
步骤五中所述的垫块为石墨材质。
2.根据权利要求1所述的一种制备Ti2AlNb合金轻质三层中空结构的方法，其特征在于步骤二中以升温速率为10℃/min～15℃/min，将温度升至1000℃～1100℃，在温度为1000℃～1100℃下，保温30min。
3.根据权利要求1所述的一种制备Ti2AlNb合金轻质三层中空结构的方法，其特征在于步骤二中以0.5mm/min的速度缓慢对石墨弯曲模具施加压力，直至8MPa～10MPa。
4.根据权利要求1所述的一种制备Ti2AlNb合金轻质三层中空结构的方法，其特征在于步骤五中对石墨扩散连接组合模具预加载1MPa～3MPa压力。
5.根据权利要求1所述的一种制备Ti2AlNb合金轻质三层中空结构的方法，其特征在于步骤五中以升温速率为10℃/min～15℃/min，将温度升至1100℃～1200℃，然后对石墨扩散连接组合模具加载压力至8MPa～10MPa，并在温度为1100℃～1200℃及压力为8MPa～10MPa下，保温保压2h。
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