CN108127247B - 一种超塑成形/扩散连接的简易进气装置和进气方法 - Google Patents

一种超塑成形/扩散连接的简易进气装置和进气方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于钛合金的超塑成形/扩散连接技术领域，具体涉及一种超塑成形/扩散连接的简易进气装置和进气方法，采用双向阀门实现进气和排气的切换。其工作过程是在升温过程时通过双向阀门实现内外层同时抽真空，当升温至成形设定温度后开始外层进气，此时外层发生超塑成形。内层继续抽真空，使内层在真空状态下实现扩散连接。当外层进气完成后切换到内层进气，关闭抽真空设备，并打开外层的排气口阀门。整个超塑成形/扩散连接进气过程，通过阀门控制，实现了在真空下切换，避免了内外层进气切换过程中材料氧化而影响扩散连接。

Description

一种超塑成形/扩散连接的简易进气装置和进气方法
技术领域
本发明属于金属材料的超塑成形/扩散连接技术领域，具体涉及一种高温高压下金属材料超塑成形/扩散连接简易进气装置和进气方法。
背景技术
超塑成形/扩散连接技术是利用材料在一定温度(通常为0.5tm)和压力下的超塑性和固态扩散的能力，在一个热循环中完成构件的外轮廓成形和内部结构的扩散连接，从而实现一种空心减重结构制造技术。由于这种空心结构具有减重明显，刚度强度高等优点已经作为主承力结构件广泛应用于飞机和导弹上，其应用最成熟的领域是钛合金超塑成形/扩散连接技术。通过超塑成形/扩散连接技术制备的钛合金空心结构件已经于飞机大型壁板、翼梁、舱门、发动机叶片以及导弹翼类构件等关键部位。
近几年来，随着新型钛合金材料和Ti-Al金属间化合物(譬如，Ti55、Ti2AlNb合金，Ti3Al等)不断开发，此类材料的超塑成形/扩散连接技术成为研究热点。然而超塑成形/扩散连接是一种特殊的工艺过程，需要有专用设备才能实现，设备至少必须有主压力加载系统，加热系统和进气系统，三者分别实现的主要功能是保持合模力、提供成形所需的热源以及提供胀形和扩散连接的压力。目前国内拥有超塑成形/扩散连接专用设备的机构并不多，仅局限于一些航空航天类军工科研单位，很多高校因没有专用设备还无法开展超塑成形/扩散连接工艺的探索和研究，这很大程度上制约了该工艺在国内的推广应用，也制约了新材料的推广应用步伐。
对于新材料的超塑成形/扩散连接工艺研究，由于材料本身成本高，前期研究时一般采用小尺寸的单元件进行工艺探索，若用专用设备进行小尺寸单元件研制遇到一些问题，其一专用设备台面较大，如果用大台面设备来进行新材料单元件试制，不仅能源浪费，对设备损坏也很严重，因为专用设备加热平台采用金属平台，台面较大，成形温度一般在920-960℃，在成形小尺寸零件时，金属平台仅中间部位受力，势必会导致金属平台变形，所以一般不会采用大设备成形小尺寸零件。国内一些机构常用做法是利用小型压力机上安装上加热炉来进行新材料超塑成形/扩散连接工艺的探索，其成形所需的气体压力用气瓶直接提供，用真空系统保证扩散连接所需的真空度。由于液压机改造的设备不具备接入气路系统的条件，在进行进气和真空切换的时候需多次拆卸和连接，在拆卸和连接时容易使内层和外层吸入空气发生氧化，给工艺研究带来困难。
发明内容
本发明目的是提出一种适用于新材料超塑成形/扩散连接工艺探索的简单进气装置和进气方法，该方法是在超塑成形/扩散连接的简易进气装置中完成的，该系统可与非专用超塑成形/扩散连接设备配套使用，从而实现超塑成形/扩散连接工艺。具体技术方案如下
一种超塑成形/扩散连接的简易进气系统，包括第一双向阀门、第二双向阀门、第三双向阀门、第四双向阀门、第五双向阀门、四个球形密封接头，真空系统、气源系统组成。第一双向阀门，第二双向阀门，第三双向阀门采用三通管连接在一起，其中第一双向阀门和气源系统连接，实现气源的切断和打开；第二双向阀门控制成型零件的外层洗气，抽真空和充气功能；第三双向阀门作为内层和外层独立工作的切断阀门；第四双向阀门和真空系统相连，是真空系统开合的主要控制阀，第五双向阀门和成型零件的内层连接。
一种超塑成形/扩散连接简易进气方法，包括如下步骤
第一步，内外层洗气
在设备升温前，对内外层同时洗气可减低内外层氧含量，洗气过程如下：关闭第一双向阀门，第二双向阀门，第三双向阀门；第四双向阀门和第五双向阀门保持打开状态，对内外层同时抽真空，当达到极限真空后关闭第四双向阀门，打开第一双向阀门，向成形件的内外层通入少量的氩气，然后关闭第一双向阀门，打开第四进气阀门抽掉氩气，如此循环数次，可降低内层和外层中氧含量，提供相对真空度，有利于扩散连接；
第二步，内外层抽真空
洗气完毕后可开始加热升温，升温过程时为了防止内外层氧化，内外层同时抽真空，此时第一双向阀门处于关闭状态，第二、三、四、五双向阀门处于打开状态；
第三步，外层进气；
当炉温达到设定工艺温度后，开始外层进气；此时第三双向阀门关闭，其它阀门均处于开通状态，实现了外层进气超塑成形，内层继续抽真空，同时在外层气压作用下，内层发生扩散连接；
第四步，内层进气
外层进气完毕后，开始内层进气，此时第二双向阀门和第四双向阀门关闭，停止真空抽气设备，气流经第一双向阀门，第三双向阀门，第五双向阀门进入到内层，使内层发生超塑成形和外层贴合，同时，内层进气时打开放气口，让外层中的气体因为内层气体的挤压而排出。
本发明与现有技术相比的有益效果：
本发明的一套超塑成形/扩散连接简易进气方法可实现内外层进气，以及进气和抽真空的简单切换，不会使需要扩散连接的界面有任何暴露于空气中而发生氧化的可能，提高了扩散连接的可靠性。
本发明的一套超塑成形/扩散连接简易进气系统可适用于自制设备的超塑成形/扩散连接工艺研究，操作简单，成本低廉，易于实现。
本发明的一套超塑成形/扩散连接简易进气系统所有连接部位均采用刚性球头密封，密封性好，耐压能力强，适合于新型材料超塑成形/扩散连接工艺的探索。
本发明设计的一套简易进气系统可和不专用超塑成形/扩散连接设备配套使用，在试验过程中无需多次拆卸和连接，可实现内层外层自由切换，不会使内层、外层暴露于空气中而导致氧化，给工艺开发带来了很多便利，特别适合于新材料超塑成形/扩散连接工艺的探索。
附图说明
图1超塑成形/扩散连接的简易进气系统结构示意图；
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明的方法进行详细说明。
实施例1
如图1所示，一种超塑成形/扩散连接的简易进气系统，包括第一双向阀门1、第二双向阀门2、第三双向阀门3、第四双向阀门4、第五双向阀门5、四个球形密封接头，真空系统7、气源系统6组成。第一双向阀门1，第二双向阀门2，第三双向阀门3采用三通管连接在一起，其中第一双向阀门1和气源系统6连接，实现气源的切断和打开；第二双向阀门2控制成型零件的外层洗气，抽真空和充气功能；第三双向阀门3作为内层和外层独立工作的切断阀门；第四双向阀门4和真空系统7相连，是真空系统7开合的主要控制阀，第五双向阀门5和成型零件的内层连接。
一种超塑成形/扩散连接简易进气方法，包括如下步骤
第一步，内外层洗气
在设备升温前，对内外层同时洗气可减低内外层氧含量，洗气过程如下：关闭第一双向阀门1，第二双向阀门2，第三双向阀门3；第四双向阀门4和第五双向阀门5保持打开状态，对内外层同时抽真空，当达到极限真空后关闭第四双向阀门4，打开第一双向阀门1，向成形件的内外层通入少量的氩气，然后关闭第一双向阀门1，打开第四进气阀门4抽掉氩气，如此循环数次，可降低内层和外层中氧含量，提供相对真空度，有利于扩散连接；
第二步，内外层抽真空
洗气完毕后可开始加热升温，升温过程时为了防止内外层氧化，内外层同时抽真空，此时第一双向阀门1处于关闭状态，第二、三、四、五双向阀门2，3，4，5处于打开状态；
第三步，外层进气；
当炉温达到设定工艺温度后，开始外层进气；此时第三双向阀门3关闭，其它阀门均处于开通状态，实现了外层进气超塑成形，内层继续抽真空，同时在外层气压作用下，内层发生扩散连接；
第四步，内层进气
外层进气完毕后，开始内层进气，此时第二双向阀门2和第四双向阀门4关闭，停止真空抽气设备，气流经第一双向阀门1，第三双向阀门3，第五双向阀门5进入到内层，使内层发生超塑成形和外层贴合，同时，内层进气时打开放气口，让外层中的气体因为内层气体的挤压而排出。
本发明方法采用5个双向阀门实现进气和排气的切换。其工作过程是在升温过程时通过双向阀门实现内外层同时抽真空，当升温至成形设定温度后开始外层进气，此时外层发生超塑成形。内层继续抽真空，使内层在真空状态下实现扩散连接。当外层进气完成后切换到内层进气，关闭抽真空设备，并打开外层的排气口阀门。整个超塑成形/扩散连接进气过程，通过阀门控制，实现了在真空下切换，避免了内外层进气切换过程中材料氧化而影响扩散连接。

Claims (2)

1.一种超塑成形/扩散连接的简易进气装置，包括第一双向阀门(1)，第二双向阀门(2)，第三双向阀门(3)，第四双向阀门(4)，第五双向阀门(5)，球形密封接头，真空系统(7)和气源系统(6)，其特征在于，第一双向阀门(1)，第二双向阀门(2)，第三双向阀门(3)采用三通管连接在一起，其中第一双向阀门(1)和气源系统(6)连接，实现气源的切断和打开；第二双向阀门(2)控制成型零件的外层洗气，抽真空和充气功能；第三双向阀门(3)作为内层和外层独立工作的切断阀门；第四双向阀门(4)和真空系统(7)相连，是真空系统(7)开合的主要控制阀，第五双向阀门(5)和成型零件的内层连接。
2.采用权利要求1所述的进气装置进行超塑成形/扩散连接的方法，其特征在于：通过以下步骤实现：
第一步，内外层洗气
在设备升温前，对内外层同时洗气可减低内外层氧含量，洗气过程如下：关闭第一双向阀门(1)；第二双向阀门(2)，第三双向阀门(3)，第四双向阀门(4)，第五双向阀门(5)保持打开状态，对内外层同时抽真空，当达到极限真空后关闭第四双向阀门(4)，打开第一双向阀门(1)，向成形件的内外层通入少量的氩气，然后关闭第一双向阀门(1)，打开第四进气阀门(4)抽掉氩气，如此循环数次，可降低内层和外层中氧含量，提供相对真空度，有利于扩散连接；
第二步，内外层抽真空
洗气完毕后可开始加热升温，升温过程时为了防止内外层氧化，内外层同时抽真空，此时第一双向阀门(1)处于关闭状态，第二、三、四、五双向阀门(2)，(3)，(4)，(5)处于打开状态；
第三步，外层进气；
当炉温达到设定工艺温度后，开始外层进气；此时第三双向阀门(3)关闭，其它阀门均处于开通状态，实现了外层进气超塑成形，内层继续抽真空，同时在外层气压作用下，内层发生扩散连接；
第四步，内层进气
外层进气完毕后，开始内层进气，此时第二双向阀门(2)和第四双向阀门(4)关闭，停止真空抽气设备，气流经第一双向阀门(1)，第三双向阀门(3)，第五双向阀门(5)进入到内层，使内层发生超塑成形和外层贴合，同时，内层进气时打开放气口，让外层中的气体因为内层气体的挤压而排出。
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