CN1043894A - 制造超塑成型和扩散接合的制品的方法及其制品 - Google Patents

Abstract

揭示一种制造超塑性地成型并扩散接合的制品的方法及用该方法制造的制品。将金属板以一定方式超塑性地成型并扩散结合，即使在金属板各外表面上形成一些枕形块，提供一种由槽互连的蜂窝结构以便控制进入小网格内的气体压力。该蜂窝结构在一个实施例中可扭曲，而这些小网格通过超塑性成型可被充气膨胀。这种扭曲的蜂窝结构尤其用作为一种翼片所需的中间硬化件。

Description

本发明涉及一种制造超塑性成形和扩散接合的制品的方法及由此方法制出的制品。该方法和制品尤为适用于如中空翼，翼板，导管件，箱体（例如成为发动机箱体一部分的带法兰管）和框架（即轴承支撑件的部分）等所用的硬化蜂窝状板结构。在某些实施例中，本发明尤适用于如压缩机或风扇转子和定子翼片的空间曲率翼片的制造。

与粘性流体所表现的特性相类似，超塑性是某些金属呈现的流动特性，这些金属具有异常高的拉伸长度而无缩颈现象，即在有限温度和变形率范围内，当受拉伸时横截面积均匀地减小。这种为钛合金和某些其它金属和金属合金所特有的现象已利用于制造多种制品，尤其是那些具有小弯曲半径的错综复杂形状的制品。

还了解到：在这些相同的超塑性成形温度下，当在接触表面上施以压力时，相同的材料能扩散接合。扩散接合是这样一种工艺，即在相邻接触的金属件上在一规定时间长度内施加以热和压力，从而形成一冶金接合。接合被认为是由于原子穿过金属件的相邻表面的运动而产生的，它是时间、温度和压力的函数。该种工艺的独特正在于可使金属结合而不会明显改变接合处的它们的物理或冶金性能并使几何畸变最小。

为了适应旨在减轻盘凸缘负载而对重量轻、高强度和坚硬翼片的要求，以及对导管、框架和类似结构，特别是飞机和宇宙飞船的要求，早在1970年就开始利用超塑性成形和扩散接合工序的不同组合制造制品。在一种较早的而为现今在使用的技术中，工件仅在选取的位置接合，而在未选择的位置涂复保护层以防接合。这是为使这些位置靠超塑性成形而不接合地成形所必需的。最早使用该保护层的情况在美国专利No.3920175中例述过。

含有最常见的一氮化硼和三氧化二钇的已知的保护层会产生严重损害最终的接合处的完整性的杂质，并能导致脆化。在复杂结构，尤其是应用蜂窝状硬化芯的中空芯结构中，不可能全部除去保护层。此外，保护层通常被手刷到不要接合的区域上，很可能产生不稳定和不一致接合区。因此，使用保护层也被限于较简单的结构和宽的接合区。杂质也很可能随保护层而发生，从而阻止可靠地接合。

与保护层有联系的许多问题至少早在如1976年的美国专利No.4087037（具体参阅第1纵列第20-42行和55-58行;还可参阅美国专利No.4304821中的第一纵列第45-56行）的现有技术中已认识到，该专利描述了一种用于不必使用保护层而生产超塑性成形和扩散接合制品的方法及压力机械。该专利提出不必使用保护层，而使用一种复杂的压力机，该机能连续控制工艺以使在零件可彼此接触以扩散接合之前完成超塑性成形各工序。通过使用一限制模和一配对的可动的模（flexible    die）可部分实现此目的，在达到扩散接合温度前这对于压力方式是必需的。注意：该专利指出必须防止不要接合的表面意外地接触，因为这种不期望的接合将造成明显的危害（参阅第3纵列第29-34行）。虽然该专利举荐了形成带空间曲率的大范围结构的已公开的机械的性能，但申请人并不了解为那目的的这种机械的任何有效的工业用法（或任何机械或方法学的那些事情）。

避用保护层的另一途径是将两或多块金属板缝焊在一起以呈一接合方式，然后由于焊合板在受热时的膨胀而超塑性形成一由互连的诸小网格组成的蜂窝状结构，有时同时接合于外板。这样的焊接工艺已揭示于如美国专利No.4351470，4304821和4217397中，其中最早的那个专利申请于1978年。

但是，缝焊接合方式有某些缺点。首先，它不能在充分详细的细节上精确控制以达到均匀宽度的接合，尤其对较细致的结构形状更是这样，且还必需一较宽的接合宽度，因而在充气（膨胀）期间当在金属板中形成的相邻小网格的侧壁必须双双背对背相接以会聚于焊接线的中间时，就导致产生断裂应力。此外，缝焊会产生不可靠的接合，因为故意留在焊缝之间的间隙将在受热时进行扩散接合，由此妨碍了为达到均匀的超塑性成形所必需的流体流动。其结果，总的说来，焊接结构不能满足高度受力件，尤其是工况恶劣的零件如风扇翼片的制造的要求。上面提到的美国专利No.4351470扼要指出了：“不用焊接法，可利用一些其他措施，如扩散接合，将板固定在一起。”（见第2-3纵列）。尽管如此，它并没说明如何达到这种扩散接合的方式。由于意识到必须小心防止在非接合的那些表面接触（参阅如美国专利No.4087037第3纵列第29-34行;美国专利No.4304821第一纵列第39-42行），很可能所引用的句子中考虑到为那目的而使用防护涂层或间隔物（间隔物会提出类似于防护涂层的和其它的问题）。

除了由使用保护层和焊接引起的一些问题和归因于在成形中金属局部修磨的一些问题外，还会从在现有诸工艺中诸结构组件经受的多次热循环中产生一些问题，其中热循环对最终的结构产生削弱作用。

还有在某些现有技术的诸方法，尤其（但并不仅仅）应用防护涂层的那些方法中的其它许多缺点是，在它们成形后不能检查和评定接合的整体性，这是因为靠加工工艺不能反映出接合部。当蜂窝状结构用作一翼片的中空芯时，该问题是尤为严重的，其中蜂窝状结构在两层外表面层之间形成后被封起来。与硬化芯情况相反，由于精加工结构的大部分开支和翼片本身有关，故因其废品率较高而使这些工艺在经济性上不可行。

尽管现有技术试图不用保护层或焊接法，以及不用苯重而贵重设备而达到超塑性成形和扩散接合制品的工业上可行的方法，但是至今申请人尚不知道任何工业上成功的结果。有关复杂的空间曲率翼片结构以及复杂的结构件如框架或这种构件的结构单元的制造方面，还没有一种成功的方法，这是值得注意的。

广泛地说，为了克服上述的缺点，按照本发明的结构，可通过将一块或一对金属板放置在至少一块模板当中，最好是放在一副模板之间制成，模板沿着一条板表面与金属板接触，在该条板表面的间隔处，形成一系列多边形空隙，这些空隙通过条板表面上形成的各凹槽互相连通。在受热时当模板将诸金属板压在一起时，沿该条板表面接触的金属流入邻近的金属板的非接触的多边形区域，使得这些部位朝外流动，从而形成一系列枕形小网格，这些小网格通过与上述的各个凹槽相对应的成网络状的一些通道互相连接。当将两块金属板结合在一起时，诸小网格可以通过位于金属板边缘上的一排气管所施加的气压并借助网络状通道将气压送到所有的小网格，从而将各小网格吹胀。

本发明部分地基于这样一种发现，即沿着那些条板    表面对金属板进行加压，可以使金属板上的金属流入条板表面间隔的多边形区域，使这些区域鼓起或（当两块金属板同时成形时）通过足以构成可加压的互相连接的枕形小网格的数量而分隔开;这样，即使没有保护层，金属板的枕形区域也不会在扩散接合温度下接合在一起;而且这还提供了一种制造硬化的增强金属结构的新的有用的途径。还发现以这种方式制造的预制件可进一步加工生产出整体复合弯曲增强的结构，这种结构可用于压缩机和风扇转子或定子叶片及类似的翼片结构。可以相信，每一块金属板在成形工艺中，可以借助在金属板和相邻的模板之间某些类似于表面张力作用的亲合力形成一些向该相邻模板延伸的枕形柱。这里所说的术语“枕形柱”意味着当用模板沿条板表面对金属板加压时在金属板的表面上形成一枕形位移或隆起。每个枕形柱与相应的压板上的一个多边形空隙相对应。因此，当两个枕形柱在两块金属板上同时成形或是采用别的方法同时制成时，一个“小网格”则由两个背对背紧靠的枕形柱组成，这样它们就可以形成一可吹胀的体积。因此，如果单独成形加工一块金属板，就必须采用一模板和一相对的平面。如果以这种方式在同一个操作中成形加工两块金属板的话，也可采用一块模板和一相对的平面或两块相对的模板，如下文所述。

按照本发明的一个最佳实施例，加压成形在小于或低于扩散接合所需的时间或温度下进行。最终形成的金属板接着可加以清理和沿着它们的周边焊接或者接合，当金属板接合在一起时，将一流体流通管插入并焊接在金属板之间，以控制整个互连小网格的网络的压力。金属板之间的空间最好抽真空以确保充分接合，然后再将金属板放在成形模板之间在扩散接合的温度下直接进行机械加压，从而将它们沿着条板表面接合在一起。然后除去模板并仍然在扩散接合温度下用惰性气体加压最终的预制件，使互连的小网格通过超塑性流动膨胀。

或者，也可采用单一操作，通过在扩散接合温度下将模板保持足够长的时间使金属板发生扩散接合而同时完成成形和接合。然后将模板卸去，并仍在扩散结合温度下按上述方法加压预制件，将诸小网格吹胀到所需的体积。这种操作最好是在一真空炉中进行，这可以获得象金属板之间的体积抽真空一样的效果，而不必事先焊接金属的周边和进气管。该实施例中的周边接合可以通过将模板或其他模制元件制成适合于金属板的周边扩散接合的形状所形成，在金属板的周边留下一个用于流通气体的开口，以便需要时可以将一管子焊接或扩散接合在该开口处。

上述预制件的小网络的膨胀可以自由扩展或可以由模具的内表面来限制，因此最好能重复所需的最终结构的内表面。如果是自由膨胀，诸小网格最好不要吹胀到它们相邻的侧面互相接触并开始接合的程度，因为这些必须留作最后一道工序，即，使部分地膨胀的芯子接合到其他外部结构元件上。如果采用限制膨胀，最好将诸小网格吹胀到使它们的侧面沿着其整个表面接合到相邻的小网格的壁上，并使诸小网格的端面形成平滑的、基本上连续的、可与例如翼片表层或框架表面等的外壁（即，相对于核心结构的外部）接合的表面。

而且，按照本发明，对预制件可进行初始小量的加压就足以防止在卷曲，扭转或其他加工时发生扭曲，然后在一个或多个周边形模具中进一步吹胀，这些模具将控制的扭转或双向弯曲赋予与最终所需形状相对应的或导致最终所需形状的预制件。

虽然这里模板被描述为规定的多边形，但这术语是广泛应用的，包括圆形和带有任何数量侧边的多边形。所选的多边形形状最好提供由一系列规则的等宽度条板表面所分隔的小网格的多边形。具有实用目的的最佳形式是如附图所示的六边形。在某些应用场合，应避免较小数量的侧边，因为当对小网格进行加压吹胀时，较尖锐的棱角部比较多数量侧边的更容易损坏。八边形，十边形及十二边形也是有用的，因为它们均能提供构成等宽度条板表面的一种规则多边形排列。正方形作为一种多边形，虽在某些场合是有用的，但一般不能提供象最佳几何形状相同程度的均匀强化。

按照本发明的最终结构最好已接合的双层壁，即相邻的小网格互相接合，内部没有未接合的空隙，每个小网格的整个端面可以与邻近的表层或壁相接合。而且，多边形小网格的式样是可变化的，例如可以在一特定区域内制成较小或较大的式样，这样可对增强结构的壁厚及壁的尺寸进行“调整”，以避免不希望的振动现象，或者满足较厚或较薄的增强壁，或满足最终产品所希望的各种特征的其他要求。

在金属板成形过程中，模板对金属板加压的程度可以从百分之几到大约10%，最好是大约5%，压扁量定义由模板所引起的金属板在条板表面处厚度的压缩率。例如，在一块0.040英寸的金属板上厚度减小0.002英寸，压扁量为5%。按照本发明，当模板抵着挡块靠在一起时，可精确而可控地达到预定的压扁量。这种挡块可作为结构件安装于诸模板之间，以确定诸模板的终止端，或者可以包括另一种电子的或机械的、可达到相同最终结果的装置。只要施加公称压力就可以达到该目的。

按照本发明，最好用一对模板来生产深度强化的结构，因为气体压力也会使各小网格从金属板平面的两个方向上均匀地膨胀使达到最大深度。然而，对一些较薄的结构而言，最好采用一个和一相对平面一起操作的模板，因为最后的压扁量仅出现在与带有压形的模板相接触的金属板上，在气压作用下，只有那部分金属板（压后较薄的部分）可吹胀成膨胀的小网格。所以最终的结构与那种每个小网格的两个相对的表面均被吹胀的结构相比，其深度只有后者一半。诸小网格的吹胀的程度决定于小网格壁的所需厚度，而壁厚又决定于特定应用的结构要求。一般，壁厚减小50%是可接受的，但对某些应用而言，小网格壁可减薄到其原始厚度的百分之几以内。

在本发明的一个实施例中，将这种蜂窝状的板条结构弯曲成与一种翼片的中空芯部相一致并嵌入和接合在该翼片的内部。就这点而言，可以将一对翼片的表层加工形成一内腔。然后将局部成形的蜂窝板条结构置于该两层表层之间，并将两表层的周边接合在一起，同时留下一些气体管子，用作进入到该板条结构内部空间和板条结构与翼片空腔之间的空间的入口。将最终的结构置于超塑性流动温度下，将气体压力有控制加到板条结构内并降低板条结构与翼片空腔之间的压力，把4网格的端壁扩散接合到表层，由此构成一种具有中空整体增强内芯的翼片。

用于制造本发明的蜂窝板条（或芯子）结构和最终制品的方法克服了与保护层及焊接有关的那些问题并缓解了伴随以前的方法而出现的局部变薄的问题。而且，用于实施该方法的设备是相当简单的，因此，也是可靠的和便宜的。重要的是，由于蜂窝预制件及芯子可独立于芯子将要被组装其内的最终制品制造，在将蜂窝结构及芯子组装或与其他结构件相接合而构成最终制品之前，它们对于确定接合和结构的完整性是相当容易的。

本发明的方法可以用于制造各种用途的增强的蜂窝板条结构或芯子结构，和制造例如导管、框架、支杆、翼片之类的结构件，该结构件采用一内部轻质硬化芯子，这种芯子是可以与该结构元件整体接合的。蜂窝状结构具有高的强度与重量之比值且非常硬，因此非常适于用作中空芯结构元件的增强芯。

本发明的最佳实施例将结合其附图进行描述。

图1是在超塑成形和扩散接合之前设置在工具的相对模板之间的两金属板的横剖视图;

图1A是在超塑成形和扩散接合之前设置在工具的模板和工具的相对平面之间的一金属板的横剖视图。

图1B是类似图1A的横剖视图，表示单块板沿其条板表面被加压后的外观。

图2是图1所示的下模板的局部平面图;

图3是在图1和2所示的模板的接合线上的局部透视图，其中在模板之间没有金属板，且上模板用虚线表示。

图4是根据本发明扩散接合在一起的如图3所示的超塑成形板的局部透视图;

图5是沿图4中“5-5”线剖的横剖视图;

图6是根据本发明为形成双曲面蜂窝状板结构的模具的透视图;

图7是在最后装配之前的本发明的翼板的透视图，以表示其三个基本结构组件;

图8是装配后的图7中的翼板的透视图;

图9是沿图8中“9-9”线剖的横剖视图;

图10是根据本发明可以形成提供气体通道的诸小网格互连成的蜂窝结构的平面图。

根据本发明所使用的诸模具或模板如图1至3所示，图1至3显示的实施例中的诸模板形成一六边形式样。图1表示二块模板10、12，在它们之间夹着二块金属板16、18。如图2所示，模板12（模板10同样如此）具有设置的作业的条板表面20，以在如图4所示的合成预制件24上形成相应的条板表面22，预制件24由金属板16和18用已叙述过的方法加工成形。模板条板表面20在其间隙中形成一系列多边形空穴或空腔28，在模板条板表面20中诸模板还有诸离隙部分26，它使诸多边形空腔28互连。诸离隙部分26应该允许通过外管14所施加的气体压力传送至所有的多边形空穴中，如图2和3所示。

图10显示用于该目的的离隙部分的一个例子，可以使用任何形式的离隙，只要能提供足够的气体压力遍及网格，以获得所期望的膨胀。虽然认为对于大多数应用一根管子14是足够的，但如果需要，为该目的可以提供多于一根的管子14。

另外，如果需要，这里所描述的发明可用于超塑形成一单块板，而不是如上所述的一对这种板，用于实施该工艺的设备用图1A和1B图示和描述。图1A描述夹在模板10和相对的平模板13之间的单块金属板。如图1B所示，模板10具有设置的作业条板表面，以便当板16在模板10和平模板13之间受压制且经受到在或大致在所选择的特定材料的超塑性范围内的温度时，在金属板16上形成相应的条板表面，图1B大致显示当金属板16进行成形工序时金属板16的外形。

根据本发明的较佳实施例，如图1和2所示的那些模板用于可以超塑成形和扩散接合的一对金属板，而且模板一起加压，在条板表面22的区域内产生百分之几至大约10%的板的压扁量。根据本发明，已经发现，可以这种方式制出有用的预制件，而不需要使用保护层或任何其他种类的粘合抑制剂，而且也不必控制由金属板形成的夹层结构内和外的相对压力。用所揭示的形式对金属板加压会使多余的金属流入相邻的模板的多边形空腔，由此形成诸多边形小网格32，同样，金属板16和18的金属流入离隙部分26，形成与诸小网格32互连的、相应形状的诸泄气通道30。

用通常的压力机械可以在通常的热压机或真空炉中进行该方法，这样可以使模板一起靠在确定的挡块上达到为预定压扁程度所要求的距离。例如，如果使用的二块金属板每一块是0.040英寸厚，挡块应该设置成限制模板间隔为0.076英寸，以在每一板上获得0.002英寸或5%的压扁量。

条板表面20最好制得较窄且具有同样的宽度，宽度最好约为0.040至0.060英寸，它们必须有足够的宽度，以便当模板靠拢时得以接合，以及满足成形工序期间所要求的强度;同时，它们也应该是窄的，足以在压制时当相邻的两小网格壁双双背靠时避免过度的弯曲应力。条板表面也可以具有不同的宽度，且甚至可使诸多边形随意配置，即在板的表面上的多边形的尺寸、形状或排列方向可随意变化。所需的条板表面必须根据金属板的厚度、使用的特定合金、多边形的尺寸和几何形状、所需的小网格的胀大程度和所需的成品特性来确定。该工艺尤其适用于这种场合，即它允许用相当薄的金属板（0.020英寸数量级）制造芯结构，以获得重量很轻的结构，而诸小网格壁的金属不致过分伸长或颈缩。

如图所示，附加的模板10和12可以形成一开模，或者也可以形成一闭腔模（图中未画出），其中小网格增大量可以（但不必需）由内模表面的邻近处限定。可以看到开模的机加工更经济。

模板也可以形成一外部或周边表面11（图3所示），它形成基本上围绕整个予制件所需宽度的扩散接合区，且留有气体传送所需的通道15，下面将描述到。另外，一对分开的模板（图中未画出）可以和图1所示的模板一起使用，以产生周边接合。

本发明可用的金属或金属合金是那些能够进行超塑成形和扩散接合的材料，它们最好能有大的塑性变形，在它们处于其超塑温度时形变从百分之几直到大约1000%。每一特定合金在一定的温度下发生超塑变化，该温度可以很容易地从热源处或由现有技术中所熟知的方法，例如1978年Mc    Graw    Hill的M.Hansen的“双相图表”测量或决定。在现有技术中已知道铅和钛的超塑变形合金，一种最好的钛合金包括铝和钒，如合金钛6铝-4钒（Ti6Al-4V），在约1435°F时具有超塑性，在约1675°至1725°F时可结合。其他某些合金，主要是钛或铝，但也有其他金属，这些合金可以通过减小它们的颗粒尺寸获得超塑性，因为已知细小的、稳定的颗粒尺寸使金属具有能超塑流动的能力。

使用熔点抑制剂或结合催化剂，以降低金属板的扩散结合温度，这也在本发明的范围内。这种催化剂是众所周知的，且对所含的金属或合金是有特效的，例如结合钛合金的镍和/或铜。催化剂沿条板表面施加到板上，在接合期间它转移到金属中，这样制成的接合处主要由单一的钛合金形成。G.Fitzpatrick和P.Broughton的“The    Rolls    Poyce    Wide    Chord    Fau    Blade”一文中描述了在翼片制造中使用接合催化剂，该文于1986年10月在加利福尼亚、旧金山由钛开发协会召开的第一次国际会议上发表且邮寄给协会会员。

用根据本发明最好的方法，两块金属板16、18放在一热压机或类似的已知设备上的模板10和12之间，而且使模板一起靠在挡块上，以便沿条板表面20获得约5%的压扁量，这最好在超型温度下进行，其目的是使板16和18的金属变形而不使它们接合。在超塑温度时，变形几乎一瞬间就产生，形成如图4所示的枕形网格32，这可以在空气环境中完成，低于超型转变（温度）时将需要较长时间。然后移开模板，这样成形（但未接合）的板16和18（成形的板如图4所示，不管它们是否接合在一起，当如图放置时，它们基本上具有同样的形态）可以进行清扫，以进行以后的工艺处理。然后板可以例如用芯棒进行局部变形，以提供如图4所示的输入管14。然后将板沿它们的边缘处焊接起来，这可用现有的焊接方法，如电子束（EB）焊或钨惰性气（tungsten    inert    gas）（TIG）焊，这些方法不污染金属表面。管子14最好也用例如条焊焊到位，这样两块板形成气密性内腔。

然后通过管子14进行抽真空，真空度为约10^-2和10^-3乇之间，并且将两块板再放入炉中，炉温和加热时间应使足以产生扩散接合，模板基本上保持与在原有成形步骤中使用的一样的闭合程度。板之间的真空保证沿条板表面22能足够的接合，以避免形成由残留的甚至是很少量的气体可能引起的未接合区。同时，真空也不可高到以致破坏成形的枕块。

需要注意的是，如果模板10和12是闭模或限制模，其中所形成的枕块可以具有平顶的六边形直壁形状。对于钛来说，最好是模板表面用硼镍粉末润滑，这是一种已知的干润滑剂，以便防止由于与金属板摩擦而使模板表面磨损。

使用在上述工艺中的0.030英寸的钛合金钛6铝-4钒和用六边形模板压的5%压扁量时，六边形对边之间的距离是0.050英寸且条板宽为0.040英寸，并且在大约1440°F下加热15分钟，如图4所示形成的可以看到的诸小网格高出板16和18原有表面约1/16英寸，内网格深约为1/8英寸，当使离隙26宽度约为3/32～1/8英寸时，形成的泄气通道30的内径约1/32～1/16英寸，就形成了泄气通道30互连的小网格网。

本发明的上述实施例优点在于它可以在一般的热压机上实施，在该温度下一个操作过程约为一小时。另外，该工艺也可在较昂贵的真空压机上实施，但一个操作过程需要较长时间。锻压机内的真空与上述焊接的预制件内的真空作用一样，即保证足够的接合。还有，在该实施例中，热和压力在起始步骤中可保持足够长的时间，以使接合以及形成互连的小网格结构。对于钛合金钛6铝-4钒和在约1700°F温度下，对于与5%压扁量接合所需的时间为1至2小时。用本发明的该实施例，板16和18可以同时沿其边缘扩散接合成一条带，而不是焊接而成。如管子14的管子最好有但不是必需，这足以在周边接合处留出一间隙，通过该间隙内预制件腔和炉子的真空环境相连。可在压力机或炉子中使用多套模板，每套模板如上所述，这可以增加工艺效率。

应该注意在模板中避免有尖角，例如，对于0.040英寸条板表面宽度，在模板中相邻六边形之间的壁厚可以是0.1英寸，弯成半径为0.032英寸的圆，六边形的角同样是圆的，使可避免尖角产生高局部应力。

最好管子14用和板16及18相同的合金制成;然而，管子可用任何能扩散接合或焊接于金属板的材料制成，这要视所采用的工艺的实施例而定，此材料有相近的热膨胀系数和或者与基金属相容。

如上所述，根据本发明制造的预制件24，然后在超塑温度下以及以一般大约为200至300磅/每平方英寸的压力的惰性气体（如氩气）的充气，以形成板结构或规则或不规则形状的芯结构。如果象上面所说的那样，预制件的两半部分制成后未接合在一起，那么当它们再加热以便接合时，它们从模板移开后在同一个热循环中可进行另外的充气（膨胀）。充气（膨胀）使诸小网格32从板16、18的平面沿两个方向向外伸展使伸展量为最后所需的伸长度的一个百分比，比如70～90%。请注意，和已有方法比较，此方法能使制造所需要的温度循环数目为最少。

预制件的充气（膨胀）只要在其周边固定时就能进行，此时诸小网格将沿他们各自的方向相等地扩展。或者，预制件可以在封闭空腔模子里充气（膨胀），这样空腔的壁限制并限定了膨胀或部分膨胀的芯的所希望的形状。比如，这样的模子可以使膨胀限制到最终结果的较大的百分比。它也可以允许使胀到所希望的完全的扩展度，同时可以接纳诸外部板或结构单元，这样板或结构单元就可穿过气囊的整个区域扩散接合于诸小网格的膨胀端上，而使诸板和诸小网格之间的表面接合且基本上为空的。另一方面，预制件也可用这种方法充分充气（膨胀），然后接合于诸外部单元。下面将可以看到，既然膨胀是通过气体压力均匀平缓地进行，实际上各种任意芯形状可以通过相应模子空腔的定形来实现。只要膨胀度足够小以致不会发生接合比如在相邻小网格壁之间接合，充气（膨胀）就可在空气中进行。如哪种操作是在空气中进行，板金属或预制件必须去除氧化物和其它杂质，这可通过已知技术来实现，比如本领域中所熟知的在接合彻底完成之前进行酸洗。

对于形成空间曲率翼片结构比如风扇、压缩机的转子叶片以及整体式带叶圆盘结构，常常需要高度弯曲表面、高强度和刚度、重量轻，而且在早期制造阶段对核心可进行检测，这已图示于图6-9。

预制件24先大致根据翼片内部中空部分或穴窝的空间曲率扭转成一定形状。如此扭转的芯在图中用44表示，它位于翼片40的分别也称为上下外壳的上下两半部分46、48之间。根据本发明，上下外壳46、48是沿它们周边对应的表面50、52扩散布接合在一起的，而它们之间的空腔或穴窝42（最好相等地扩伸入两个外壳）完全由蜂窝状的芯44充填，芯44膨胀以充填此体积并完全沿其外表面扩散接合于相应的翼片外壳的内表面。

根据翼片的空间弯曲度，最好先将部分弯曲度分给模子里的预制件，也可以是全部或大部分最终所要的弯曲度，而剩下部分则由作为模子的翼片外壳本身来完成。另一种方法，如果只需要较小的空间弯曲度，则可以通过翼片外壳本身分给预制件，而不需要一个或多个初级模制步骤来逐步实现所需要的空间曲率。

图6是模子56的透视图，它包括顶和底部模板58和60，面62，我们希望通过特殊的模制步骤，当具有不同扭曲度或空间曲率的两半部分模子相配合时，使两模板之间限定共同的外周表面62。预制件24图示于模板58和60之间，管子14在其应有位置以使预制件24内部加压。在炉子中，预制件24首先用隋性气体加压至几个磅/每平方英寸，以避免预制件在弯曲时发生“扭结”或急弯。然后两部分半模子或模板58、60闭合在预制件上，此时温度在超塑范围内，这样预制件可按希望进行扭曲。如简单为把部分扭曲分给预型，模子56可以是开口空腔模子;或者它也可以是个封闭空腔模子，其内表面形成了通过膨胀的预制件24所要形成的芯的外部形状。这可以是芯最后所要的形状，或者也可是所需膨胀度的一定比例，而比全部膨胀度略小。当在所有或大致全部扭曲被分给芯以前就完成一些膨胀度时，膨胀度最好保持在某值之下，此时诸小网格的边壁开使相互接合直到实现最终的扭曲度。这样就不必在边壁已经在芯内接合后把一部分扭曲分给芯，这会使它们变形和造成诸小网格的厚度不均匀。对于较大的空间曲度，可采用一系列按顺序使用的模子。

然后膨胀后的芯44放置在两半部分翼片46、48之间，在芯和外壳的超塑区温度下将三层东西压在一起。翼型外壳46、48的制造可通过任何一种本技术领域已知的方法来完成，比如通过机加工和热成形相结合的方法。它们最好用与芯相同或相容的一种合金制成。在外壳46上加工有与通道64相似的通道65，以使在芯44和各自外壳之间形成的内部容积中流通气体，这样可在这个容积内产生真空以便实现芯44表面和外壳46、48的相应内表面之间的完全接合。这可用好几种方法中任一种，将要在下面描述。管子14穿过通道64放到位，以为芯44内部的加压提供一个气路，以使它膨胀到完全充满由两半部分翼片46、48之间形成的容积。形成这个结构后，可移去管子，如需要则把留下的小孔塞住或焊住。

这里要描述将两部分翼片和芯44的组件形成完整的翼片的两种方法。其中之一，操作步骤在真空压模中进行，此时提供必要的温度和压力，以对真空条件下的翼片外壳的相配合的外周面50、52提供机械压力。将三件式组件放置在真空压模中，管子14与能使芯的诸小网格充气膨胀的惰性气体源连通。经加温，将模子闭合以对外壳的外周面50、52施加约5%的压扁量的机械压力，通过管子14加上惰性气体压力，使芯44膨胀抵住翼片外壳的内部穴窝壁。在5%的压扁量和约1675°F到1725°F的温度下，对图7-9所示的典型叶片结构的成形和接合步骤可在约二小时内完成。由压力机提供的真空度最好在约10^-4至10^-6乇之间。在外壳48上机加工出通道65，以使由压力机提供的真空与在芯和各自外壳之间的内部容积相联通。可在一个或两个相配合的翼片外壳上机加工出这样的通道，如果需要，也可以有多于一个的这样的通道。另一种方法，翼片外壳46、48也可以沿其周边上焊接并抽空，以形成真空腔，从而可使在压力机下发生接合，而不必在更昂贵的真空炉中进行。为此目的方便的做法是把管子67焊到通道5上，通道5可与真空度为10^-4-10^-6乇的一个适当的真空源联通。进行这工作可以在组件置于压力机中前把管子67连通到一个真空源，并把管子封口，这样在整个热循环中都可保持所需要的真空度而不必在压力机中加入真空联结器。在扩散接合温度下，芯充气（膨胀）并充填和接合到翼片外壳内的穴窝上。请注意这里总是说明充气是采用惰性气体如氩气来进行，以避免形成不容易去除的氧化物或其它杂质。

为膨胀气囊，芯内维持压力所需要的时间段与那些本领域所熟悉的相近似，这取决于气体压力、所采用的特定的合金、板的厚度和特定预制件的几何形状。请注意，如图8所示，气体通道或管子最好通过翼片的路径片（route）69，或者通过末端，这样它们不会穿过受到横向应力增加的横向区域（traverse    areas    which    may    be    subject    to    transverse    stress    risers）。

图8和图9示出了完整的翼片，外壳接合在一起，包围并接合于芯44。重要的是，模板的后来的芯44在密封到翼片里前可以用任何常规的测试方法进行检查，使在此工艺的早期阶段对芯的接合处及结构整体性进行检查。通过用此方法进行的适当的检查，不大可能使不正常接合或成形的芯与翼片相配合，从而避免了由出废品而造成的不必要的费用，比采用不允许作这样的早期直接检查的工艺提供了更高的结构整体性和安全性。

请注意，根据本发明的两个或更多的蜂窝状芯可以接合在一起，以产生加强的结构，这比仅采用单个芯而可行或所希望的能具有更大的深度和不同的形状。

对在本领域内的熟练人员来说很明显的是，对上述实施例的修改和改变可在本发明的范围和精神内进行，后附的权利要求书限定了本发明的精神和范围。

Claims (31)

1、一种制作蜂窝状结构的方法，包括

(a)提供至少一能够进行超塑成型的金属板；

(b)施加压力使对所述的板沿着条板表面加压，在其间隔中形成一系列彼此由条板表面内的间隙互连的多边形空腔，所述的压力足以使板的厚度沿条板表面减小百分之几到百分之十左右，在足够温度下施加所述的压力并保持足够的时间，以使金属流入多边形空腔区和在空腔区内形成由与所述的间隙相对应的通道互连的枕形柱，而所述枕形柱和通道相对于条板表面呈隆起。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的温度足以使金属板变成超塑性的。

3、如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述二块金属板以面对面的方式安放且施压于它们上的压力由至少一成形所述条板表面的模板和一相对的表面提供，所述的模板和相对表面一起顶着牢靠的档块，并两者之间构成一与所述厚度的减小相对应的间距。

4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的相对表面是平的表面。

5、如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述相对表面是一形成一与第一所述模板的第一条板表面相对应的第二条板表面的第二模板，所述的诸压模设有相对应的诸间隙，使二块金属薄板在其间经受上述施加（的）压力并在相对方向上形成诸隆起的枕形柱，诸枕形柱则构成一由通过所述的板的周边上的孔可达到的诸通道所互连的小网格网络。

6、如权利要求5所述的方法，其特征在于，这种条板表面具有1/32至1/8英寸左右的基本上恒（稳）定的宽度，所有形成条板表面的模板的边缘都经倒圆，使足以避免形成在金属板上产生过分应力的尖角。

7、如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述诸多边形空腔的形状是选自六角形、八角形、十角形和十二角形组成的一组中的任一种。

8、如权利要求3所述的方法，其特征在于，包括将金属板在所述的温度下保持足够长时间，以沿它们的条板表面使它们扩散接合在一起。

9、如权利要求8所述的方法，其特征在于，在成形板在所述的温度下保温了足以使扩散接合的时间之前，将它们围绕其周边接合在一起且提供与气压源相连通的装置，以与由金属板所形成的小网格网络连通。

10、如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括沿它们的条板表面和扩散焊接合一对所述的金属薄板，并沿它们的周边形成一预制件，以使各板的枕形柱构成一由所述的诸通道所互连的小网格网络;提供控制小网格网络内的气压的连通装置;和在超塑成形温度下经连通装置将气压施加到诸小网格使它们的体积膨胀。

11、如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述诸小网格在压力下对着限止它们膨胀的表面膨胀。

12、如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述诸小网格的扩展是使在至少条板的平面的一侧上的基本上所有的小网格被扩散接合于邻接的诸小网格，以形成加强的蜂窝状结构，这种结构在邻接的诸小网格之间是基本上没有空隙的。

13、如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括扩散接合所述的中空芯加强结构到一个或多个附加的金属件上，以形成一刚性的加强结构。

14、如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述的一个或多个附加的金属件被扩散接合到诸小网格的各端，使基本上诸小网格的整个壁面没有空隙地扩散接合到邻接的诸小网格壁或所述的诸金属件上。

15、如权利要求14所述的方法，其特征在于，一个或多个金属件基本上（包）围住整个蜂窝状加强结构，以形成中空芯的加强结构。

16、如权利要求15所述的方法，其特征在于，其中所述诸附加金属件包括翼片外壳，和所形成的结构是一中空芯加强的翼片。

17、如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括在超塑温度下在成形的压模之间安放预制件的工序，以在预制件的平面上产生弯曲。

18、如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括在通过成形压模使预制件变形之前把正气压引进入诸小网格的网络，并且在上述的弯曲产生之后增加气压，以超塑膨胀诸小网格的体积。

19、如权利要求18所述的方法，其特征在于，将所述的成形压模的形状做得能在预制件上产生一空间曲率。

20、如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括在超塑成形温度下在一对翼片外壳之间放置预制件的工序，该对翼片外壳间具有一带空间曲率的穴窝;在预制件的诸小网格内引进正气压;把预制件安放在翼片外壳中的穴窝中，且将外壳结合在一起，以把预制件模压成与穴窝的曲率相对应的空间曲率;以及将预制件充气，使其外表面吻合于和扩散接合于所述穴窝的诸外壳的诸内壁。

21、如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括在预制件接合到一个或多个金属件上之前，检查预制件的接合和结构的整体性。

22、一种蜂窝状结构包括二沿条板表面扩散接合在一起的金属板，在其条板表面的间隔中形成一系列由诸金属板所形成的诸通道互连的诸多边形网格。

23、如权利要求22所述的蜂窝状结构，其特征在于，诸小网格是在超塑温度下、气压作用下膨胀的。

24、如权利要求23所述的蜂窝状结构，其特征在于，邻接诸小网格的壁被扩散接合在一起而基本上没有空隙。

25、如权利要求24所述的蜂窝状结构，其特征在于，所述的结构具有一空间曲率。

26、如权利要求24所述的蜂窝状结构，其特征在于，所述的蜂窝状结构被放置在诸附加结构件内并接合到附加结构件上。

27、如权利要求25所述的蜂窝状结构，其特征在于，所述的蜂窝状结构被放置在诸翼片外壳内并扩散接合到诸翼片外壳上，从而形成一中空芯空间曲率的翼片。

28、一种由权利要求1的方法所形成的蜂窝状结构。

29、一种由权利要求5的方法所形成的蜂窝状结构。

30、一种如权利要求24所述的蜂窝状结构，其特征在于，至少在结构的一个区域内，诸多边形的面积大小不同。

31、如权利要求8所述的方法，其特征在于，根据应力，振动的扰动或结构预计所受到的弯矩，使在至少结构的一区域内的诸多边形面积的大小做成不同于在结构的其它诸区域中、的诸多边形面积的大小。

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