CN106363375B - 一种制造栅格翼舵的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属加工领域公开了一种制造栅格翼舵的方法，该方法包括：(a)在坯料原料的一面上划分出彼此相互间隔分布的多个止焊剂涂覆区域(1)和多个扩散区域(2)，设置通气槽，并涂覆止焊剂，然后与另一块坯料原料的四边对齐封焊，形成坯料袋；(b)将多个坯料袋平行、间隔放入模具，相邻两个坯料袋的两个端部分别安置边框坯料，并使相邻两个坯料袋的毛坯件中的扩散区域(2)在与所述坯料袋平行的平面上的投影平行且间隔分布；(c)对模具施加压力，然后向相邻两个坯料袋之间通气体，再向每个坯料袋的毛坯件中的通气槽(3)通气体。本发明所述方法制备的栅格翼舵整体性好、材料利用率高。

Description

一种制造栅格翼舵的方法

技术领域

本发明涉及金属加工领域，具体地，涉及一种制造栅格翼舵的方法。

背景技术

超塑成形/扩散连接(SPF/DB)技术自二十世纪70年代后取得迅速发展，它利用具有特定显微组织的金属材料在高温区间优异的延伸率和良好的扩散性能，在热循环中，通过施加适当压力使材料的贴合部分进行扩散连接，分离部分进行超塑成形，从而成形出整体空心结构。利用该项技术能够一次成形出形状复杂的整体结构，同传统的铆接和焊接工艺相比，可有效提高材料利用率、缩短加工周期、降低制造成本。因此，钛合金SPF/DB技术已成为一种先进的轻量化制造技术。该项工艺在国内起步较晚，且技术难度较大，还不够成熟，工程化水平不高，国内可以利用该技术进行产品生产的单位也是屈指可数。

早在上个世纪初，俄国著名空气动力学家儒可夫斯基首次指出可以用栅格型机翼来获得升力。但是栅格翼舵在近几十年来才重新引起了世界各国的重视，由于栅格翼舵结构的中空、薄壁结构特征以及我国制造工艺水平较低，严重制约了栅格翼舵的应用。目前我国栅格翼舵研制技术水平还处于起步，主要方法有铸造成形、板材拼焊、钎焊技术、3D打印等，但是这些制备栅格翼舵时，材料利用率低，存在多处拼接痕迹，整体性差，并且制备工艺复杂。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中制备栅格翼舵工艺复杂、整体性差等问题，提供一种制造栅格翼舵的方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种制造栅格翼舵的方法，其中，该方法包括以下步骤：

(a)在坯料原料的一面上划分出彼此相互间隔分布的多个止焊剂涂覆区域和多个扩散区域，在每个所述扩散区域上留有通气槽，并在所述止焊剂涂覆区域和所述通气槽上涂覆止焊剂以形成毛坯件，然后将另一块坯料原料的一面与所述毛坯件的涂覆有止焊剂的面接触、叠置并四边封焊，形成坯料袋；

(b)将多个坯料袋平行、间隔放入模具，在相邻两个坯料袋的两个端部分别安置边框坯料，并使相邻两个坯料袋的毛坯件中的扩散区域在与所述坯料袋平行的平面上的投影平行且间隔分布；

(c)对模具施加压力，使得坯料袋与边框坯料之间发生扩散连接，然后向相邻两个坯料袋之间通气体，使形成坯料袋的毛坯件上的扩散区域和坯料原料之间发生扩散连接，再向每个坯料袋的毛坯件中的通气槽通气体，使形成坯料袋的毛坯件和坯料原料发生超塑成形，并与相邻坯料袋的毛坯件或坯料原料发生扩散连接。

本发明所述方法具有如下优点：

(1)大大提高了栅格翼舵的结构精度、结构完整性和结构强度。通过一套工装完成了栅格翼舵的成形，缩短了加工、制造的周期，简化了制造工艺；

(2)本发明所述方法与传统工艺相比，材料利用率高、生产周期短，制备的产品没有拼接和传统焊接痕迹，质量轻、尺寸精度高、结构整体性好；

(3)本发明采用先扩散连接后超塑成形的方法成形栅格翼舵，与3D打印、钎焊技术相比，大大降低了制造成本、提升了零件的尺寸精度和结构稳定性。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是毛坯件上的止焊剂涂覆区域和扩散区域的一种划分方式；

图2是毛坯件上的止焊剂涂覆区域和扩散区域的另一种划分方式；

图3是坯料袋装入模具后的系统示意图；

图4是定位模具示意图；

图5是成形模具示意图；

图6是实施例1制得的栅格翼舵的平面结构示意图。

附图标记说明

1 止焊剂涂覆区域； 2 扩散区域；

3 通气槽； 4 工艺边；

5 进气孔A； 6 进气孔B；

7 成形模具； 71 上成形模具；

72 下成形模具； 8 定位模具；

81 定位模具组件一； 82 定位模具组件二；

83 定位模具组件三； 84 定位模具组件四；

9 测温孔； 10 定位孔；

11 吊装孔。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

本发明提供了一种制造栅格翼舵的方法，其中，该方法包括以下步骤：

(a)在坯料原料的一面上划分出彼此相互间隔分布的多个止焊剂涂覆区域1和多个扩散区域2，在每个所述扩散区域2上留有通气槽3，并在所述止焊剂涂覆区域1和所述通气槽3上涂覆止焊剂以形成毛坯件，然后将另一块坯料原料的一面与所述毛坯件的涂覆有止焊剂的面接触、叠置并四边封焊，形成坯料袋；

(b)将多个坯料袋平行、间隔放入模具，在相邻两个坯料袋的两个端部分别安置边框坯料，并使相邻两个坯料袋的毛坯件中的扩散区域2在与所述坯料袋平行的平面上的投影平行且间隔分布；

(c)对模具施加压力，使得坯料袋与边框坯料之间发生扩散连接，然后向相邻两个坯料袋之间通气体，使形成坯料袋的毛坯件上的扩散区域2和坯料原料之间发生扩散连接，再向每个坯料袋的毛坯件中的通气槽3通气体，使形成坯料袋的毛坯件和坯料原料发生超塑成形，并与相邻坯料袋的毛坯件或坯料原料发生扩散连接。

通常的坯料原料表面在加工过程中会形成一层氧化皮和杂质，为了去掉该氧化皮和表面杂质，优选情况下，本发明所述方法还包括：在涂覆止焊剂之前，对坯料原料的待涂覆止焊剂的面进行酸洗。

本发明中，对酸洗过程中所用的酸洗液的选择没有特别的限定，可以为本领域常用的用于金属表面处理的酸洗液，优选情况下，酸洗过程中所用的酸洗液为硝酸、氢氟酸和水组成的混合物。

本发明对所述酸洗液中的硝酸和氢氟酸含量没有特别的限定，可以为本领域常规的选择，例如，1L酸洗液中含有硝酸溶液(硝酸溶液的浓度为65-68重量％)150-450mL，氢氟酸溶液(氢氟酸溶液的浓度为40重量％)20-100mL，其余为水。

本发明对所述酸洗的过程的条件没有特别的限定，可以为本领域常规的条件，优选情况下，所述酸洗的过程的条件包括：温度为18-45℃，时间为2-15min。

本发明中，对所述坯料原料的材质没有特别的限定，可以根据栅格翼舵的应用及性能进行选择，优选情况下，所述坯料原料为钛合金超塑板材。

本发明中，所述坯料原料的厚度可以根据栅格翼舵的壁间距的大小进行选择，所述坯料的长和宽可以根据栅格翼舵的弦长和展长的大小进行选择。

根据本发明的一种优选实施方式，在对坯料原料进行划分止焊剂涂覆区域1和扩散区域2时，在坯料原料的四周留出工艺边4用于后续封焊，且所述工艺边上设置有通气槽3，通气槽3上涂覆止焊剂，如图1和2所示。并且，在工艺边上的通气槽3上可以焊接通气管。

本发明中，对涂覆止焊剂后形成的止焊剂层的厚度没有特别的限定，只要能覆盖坯料原料底色即可，优选情况下，涂覆止焊剂后形成的止焊剂层的厚度为1-10μm，进一步优选为2-5μm。为了保证止焊剂的止焊效果，所述止焊剂层的厚度应均匀、轮廓清晰、无毛边，所述止焊剂层干燥后应保持连续、均匀、不起皮、不脱落以及粘结牢固的效果。

本发明中，为了使相邻两个坯料袋的毛坯件中的扩散区域2在与所述坯料袋平行的平面上的投影平行且间隔分布，优选情况下，相邻两个坯料袋中的两个毛坯件的止焊剂涂覆区域1和扩散区域2采用不同的划分方式，例如可以采用如图1和图2的两种不同的划分方式，以保证通过扩散连接和超塑成形后达到目标的栅格形状。

在本发明的步骤(b)中，为了防止坯料袋和边框坯料在装模过程中发生连接部位错动，优选情况下，将坯料袋和边框坯料进行焊接。

由于后续的扩散连接和超塑成形需要一个封闭的空间，因此，为了得到一个封闭的空间，优选情况下，在由坯料袋和边框坯料形成的组件的前后两面各封焊一张坯料原料。此处的“前后两面”是指坯料袋没有设置边框坯料的两端。

为了保证成形后的栅格翼舵的边框的强度，优选情况下，在最上面一个坯料袋的上部设置一个与该坯料袋平行的坯料原料，该坯料原料与该坯料袋中与其相邻的坯料发生扩散连接形成栅格翼舵的一个边框；在最下面一个坯料袋的下部设置一个与该坯料袋平行的坯料原料，该坯料原料与该坯料袋中与其相邻的坯料发生扩散连接形成栅格翼舵的另一个边框，从而确保结构整体完整性。

根据本发明的一种优选实施方式，如图3所示，所述模具包括定位模具8和成形模具7，所述定位模具8用于固定坯料袋及边框坯料，所述成形模具7设置在所述定位模具8的外周，用于提供整体成形的压力。

优选地，所述定位模具8上设置有进气孔A5和进气孔B6，所述进气孔A5用于向相邻两个坯料袋之间通气体，所述进气孔B6与所述通气槽3通过通气管连通，用于向坯料袋内通气体。此处所述“坯料袋内”是指形成一个坯料袋的毛坯件和坯料原料之间的区域。

根据本发明的一种优选实施方式，如图4所示，所述定位模具包括四个组件：定位模具组件一81、定位模具组件二82、定位模具组件三83和定位模具组件四84；四个定位模具组件组合后形成中空的四面体形状的定位磨具，坯料袋和边框坯料在定位模具中的位置使得定位模具组件一81和定位模具组件三83与边框坯料平行，定位模具组件二82和定位模具组件四84与坯料袋平行。所述进气孔A5和所述进气孔B6设置在定位模具组件一81或定位模具组件三83上，并根据坯料袋的位置呈间隔排列，优选情况下，每个进气孔A5对应相邻两个坯料袋之间的区域，每个进气孔B6对应一个坯料袋的通气槽3；四个定位模具组件上都设置有用于设备调动的吊装孔11和用于与成形模具连接组合的定位孔10。

所述成形模具7设置在所述定位模具8的外周，如图3所示，所述成形模具7包括上成形模具71和下成形模具72，上成形模具71和下成形模具72为栅格翼舵的外形整体成形提供压力，所述成形模具7上设置有用于设备调动的吊装孔11。

为了使成形之后的产品容易取出来，在将组件放入模具之前，在模具内部涂覆一层脱模剂，本发明对脱模剂选择没有特别的限定，可以为本领域常规的选择。

优选情况下，模具在使用之前进行去应力退火处理，模具合模精度不超过0.1mm。

由于在扩散连接和超塑成形的过程中需要监测模具内的温度，因此，优选情况下，所述定位模具8和所述成形模具7上分别设置有至少一个测温孔9，如图4和图5所示，在栅格翼舵的制造过程中，可以在测温孔中插入热电偶，监测模具内的温度。

所述扩散连接和超塑成形的过程可以在超塑成形设备中进行，即将装有坯料袋和所有坯料件的整个模具放入超塑成形设备，通过该超塑成形设备控制扩散连接和超塑成形的条件。

本发明中，对步骤(c)中的所述扩散连接的条件没有特别的限定，可以为本领域常规的选择，优选情况下，步骤(c)中，所述扩散连接的条件包括：压力为0.8-5MPa，优选为1.9-2.1MPa；温度为880-950℃，优选为910-930℃；时间为60-300min，优选为120-130min。所述压力由通入相邻两个坯料袋之间的气体控制。在上述条件下，形成坯料袋的毛坯件与坯料原料在扩散区域2处发生扩散连接。

本发明中，对步骤(c)中的超塑成形的条件没有特别的限定，只要能使坯料之间完成超塑成形即可，但是，为了制备出结构均一且规整的栅格，优选情况下，所述超塑成形的条件包括：压力为0.6-2MPa，优选为0.7-0.9MPa；温度为880-960℃，优选为910-930℃；时间为60-120min，优选为60-80min。所述压力由通入坯料袋内的气体控制。此处“坯料袋内”的含义同上。在上述超塑成形的条件下，形成坯料袋的毛坯件和坯料原料在涂覆止焊剂的部位胀开并发生变形，最终形成栅格。

本发明中，对步骤(c)中所述气体没有特别的限定，优选情况下，步骤(c)中，所述气体为氩气。

根据本发明的一种优选实施方式，在步骤(c)中，对模具施加压力的过程为：将系统升温，当温度达到915-925℃时，对成形模具8施加57-63T压力，保压55-65min；在上述条件下，使坯料袋与边框坯料之间发生扩散连接。优选地，在所述升温过程中保持系统的压力为10^-3MPa以下。

根据本发明的一种优选实施方式，所述方法还可以包括：在所述超塑成形结束后，将压力调整至1.9-2.1MPa，保压55-60min，以保证在超塑成形/扩散连接形成的栅格壁具有较好的强度。

根据本发明的一种优选实施方式，所述方法还可以包括：所述扩散连接和所述超塑成形的过程结束后，卸载气压，将模具温度冷却到400℃以下，断掉气路，从模具中取出成形的栅格翼舵，切掉工艺边；根据零件的理论数模进行栅格翼舵的外形尺寸加工，获得符合要求的栅格翼舵。

本发明中，在没有特别说明的情况下，对所述封焊和所述焊接的方式没有特别的限定，可以为本领域常规的方式，例如可以为氩弧焊。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

以下实施例中，按照GB/T228的方法测定栅格翼舵的抗拉强度和屈服强度；按照GB/T 5168的方法测定栅格翼舵的晶粒度。

实施例1

(1)在钛合金坯料上分别按照图1和图2所示划分止焊剂涂覆区域和扩散区域，并设置通气槽，用酸洗液对钛合金坯料进行酸洗，酸洗液由150ml硝酸溶液(浓度为65-68重量％)、20ml氢氟酸溶液(浓度为40重量％)和830ml水组成，在18℃下酸洗2min，酸洗后清洗干燥备用，在止焊剂涂覆区域以及通气槽涂覆止焊剂层2μm，将涂覆止焊剂的钛合金板的涂覆止焊剂面与另一块钛合金坯料接触，用氩弧焊封焊四边，并在通气槽上焊接通气管，形成两种不同的坯料袋；

(2)将22个由步骤(1)制备的两种不同的坯料袋平行、间隔放置，在相邻两个坯料袋的两个端部分别安置边框坯料，并将坯料袋和边框坯料焊接形成一个整体组件，将另外两块钛合金坯料分别置于所述整体组件的中空部分的前面和后面，并封焊，使整体组件成为一个封闭结构；

(3)在模具经过去应力退火处理后，内部涂覆脱模剂，将步骤(3)得到的封闭结构放入如图4所示的定位模具中，再在定位模具外围套上成形模具；将系统升温，在所述升温过程中保持系统的压力为10^-3Mpa以下，当温度达到920℃时，对成形模具施加60T压力，保压60min，使坯料袋与边框坯料之间发生扩散连接；

(4)通过进气孔向相邻两个坯料袋之间通气体，使形成坯料袋的毛坯件和坯料原料之间发生扩散连接，所述扩散连接在以下条件下进行：压力为1.9MPa，温度为910℃，时间为120min；然后再通过进气孔向每个坯料袋的连接有通气管的通气槽通气体，使形成坯料袋的毛坯件和坯料原料发生超塑成形得到栅格结构，所述超塑成形在以下条件下进行：压力为0.7MPa，温度为910℃，时间为60min；超塑成形结束后，将压力调整到2MPa，保压60min；

(5)卸载气压，将零件和模具随炉冷却，待模具温度冷却至400℃以下，断掉气路，取出成形的产品，切割工艺边，并切掉步骤(2)中封焊上去的两块钛合金坯料，得到如图6所示结构的栅格翼舵。

得到的栅格翼舵的抗拉强度为864Mpa，屈服强度为795Mpa，晶粒度为10.5级。

实施例2

按照实施例1的方法制备栅格翼舵，所不同的是，所述扩散连接在以下条件下进行：压力为2.1MPa，温度为930℃，时间为130min；所述超塑成形在以下条件下进行：压力为0.9MPa，温度为930℃，时间为80min。

得到的栅格翼舵的抗拉强度为869Mpa，屈服强度为741Mpa，晶粒度为10.5级。

实施例3

按照实施例1的方法制备栅格翼舵，所不同的是，所述扩散连接在以下条件下进行：压力为2MPa，温度为920℃，时间为125min；所述超塑成形在以下条件下进行：压力为0.8MPa，温度为920℃，时间为70min。

得到的栅格翼舵的抗拉强度为876Mpa，屈服强度759Mpa，晶粒度为10.5级。

由实施例1-3的结果可以看出，采用本发明所述方法制备的栅格翼舵的抗拉强度、屈服强度和晶粒度符合栅格翼舵的应用要求。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (15)

1.一种制造栅格翼舵的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(a)在坯料原料的一面上划分出彼此相互间隔分布的多个止焊剂涂覆区域(1)和多个扩散区域(2)，在每个所述扩散区域(2)上留有通气槽(3)，并在所述止焊剂涂覆区域(1)和所述通气槽(3)上涂覆止焊剂以形成毛坯件，然后将另一块坯料原料的一面与所述毛坯件的涂覆有止焊剂的面接触、叠置并四边封焊，形成坯料袋；

(b)将多个坯料袋平行、间隔放入模具，在相邻两个坯料袋的两个端部分别安置边框坯料，并使相邻两个坯料袋的毛坯件中的扩散区域(2)在与所述坯料袋平行的平面上的投影平行且间隔分布；

(c)对模具施加压力，使得坯料袋与边框坯料之间发生扩散连接，然后向相邻两个坯料袋之间通气体，使形成坯料袋的毛坯件上的扩散区域(2)和坯料原料之间发生扩散连接，再向每个坯料袋的毛坯件中的通气槽(3)通气体，使形成坯料袋的毛坯件和坯料原料发生超塑成形，并与相邻坯料袋的毛坯件或坯料原料发生扩散连接。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法还包括：在涂覆止焊剂之前，对坯料原料的待涂覆止焊剂的面进行酸洗；

所述酸洗过程中所用的酸洗液为由硝酸、氢氟酸和水组成的混合物；

所述坯料原料为钛合金超塑板材。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，涂覆止焊剂后形成的止焊剂层的厚度为1-10μm。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，涂覆止焊剂后形成的止焊剂层的厚度为2-5μm。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述模具包括定位模具(8)和成形模具(7)，所述定位模具(8)用于固定坯料袋及边框坯料，所述成形模具(7)设置在所述定位模具(8)的外周，用于提供整体成形的压力。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述定位模具(8)上设置有进气孔A(5)和进气孔B(6)，所述进气孔A(5)用于向相邻两个坯料袋之间通气体，所述进气孔B(6)与所述通气槽(3)通过通气管连通，用于向坯料袋内通气体。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述定位模具(8)和所述成形模具(7)上分别设置有至少一个测温孔。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤(c)中，所述气体为氩气。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(c)中，所述扩散连接的条件包括：压力为0.8-5MPa，温度为880-950℃，时间为60-300min。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，步骤(c)中，所述扩散连接的条件包括：压力为1.9-2.1MPa，温度为910-930℃，时间为120-130min。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(c)中，所述超塑成形的条件包括：压力为0.6-2MPa，温度为880-960℃，时间为60-120min。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，步骤(c)中，所述超塑成形的条件包括：压力为0.7-0.9MPa，温度为910-930℃，时间为60-80min。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述方法还包括：在所述超塑成形结束后，将压力调整至1.9-2.1MPa，保压55-60min。

14.根据权利要求5所述的方法，其中，在步骤(c)中，对模具施加压力的过程为：将系统升温，当温度达到915-925℃时，对成形模具(8)施加57-63T压力，保压55-65min。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，在所述升温过程中保持系统的压力为10^-3MPa以下。