CN109207890A - 一种薄壁spf/db空心结构的热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄壁SPF/DB空心结构的热处理方法。该方法包括：将中间芯板和两侧的面板叠加在一起形成具有微通道的空心结构毛坯；然后在芯板与面板之间分别焊接安装进气管和排气管，并与微通道形成进气通道和排气通道，进气通道用于对空心结构毛坯进行超塑成形，排气通道用于对成形后的空心结构的空腔内进行降温处理以及对空心结构型面校形；通过焊接使空心结构毛坯达到密封状态，然后进行相应的扩散连接和超塑成形处理，在完成超塑成形后，经过预定时间的保温、保压后，停止加热，打开所述排气管的阀门，通过调整进气管中气压或排气管的阀门而调整排气管中气体排出的速度，用于对空心结构的空腔内进行降温，最后进行校形工艺处理。

Description

一种薄壁SPF/DB空心结构的热处理方法

技术领域

本发明涉及航空制造技术领域，特别是涉及一种薄壁SPF/DB空心结构的热处理方法。

背景技术

超塑成形/扩散连接（Superplastic Forming and Diffusion Bonding 简称SPF/DB）技术是利用材料的超塑性和扩散连接性，制备具有空心夹层的轻量化结构，该结构在结构减重、高刚度、净近成形具有突出优势，在航空、航天结构件上应用广泛，尤其是钛合金空心夹层结构的制备。

SPF/DB工艺后钛合金微观组织会发生等轴化和粗化，而对于可热处理强化的钛合金而言，如SP700，TB8， Ti2AlNb等钛合金成形后需要进行热处理调整性能，通常采用固溶时效的热处理制度调整材料性能，从而满足使用性能要求。热处理制度均需要适当或较快的冷却速度，而这种空心结构的热处理往往由于冷却温度不均匀性引起的热应力会导致零件发生变形，尤其是空腔内的加强筋，外形可以通过校形工艺调整，而加强筋则无法校形。另外，由于加强筋和蒙皮变形量的不一致导致的性能不协调会影响整体构件性能。

现有技术方案中可采用与零件具有相同或接近的热膨胀系数材质的工装进行热处理，可以保障加热和冷却过程中工装和工件变形协调，但是热处理后必须采用校形模具对其进行校形，该方案的缺点是需要两个工序和两套工装完成热处理，过程复杂，周期长，效率低。

因此，需要提供适用于三层或四层结构的一种薄壁SPF/DB空心结构的热处理方法。

发明内容

本发明实施例提供了一种薄壁SPF/DB空心结构的热处理方法，通过在空心结构的制坯中增加气管，构造成排气通道，能够使空腔内降温冷却，并能通过低温的保温、保压实现校形工艺处理，解决了现有技术中采用两套工装分别进行热处理工艺和校形工艺导致的过程复杂、周期长、效率低的问题。

本发明的实施例提出了一种薄壁SPF/DB空心结构的热处理方法，该方法包括：

制备毛坯，将中间芯板和两侧的面板叠加在一起形成具有微通道的空心结构毛坯；

构造进、排气通道，在所述芯板与面板之间分别安装进气管和排气管，与所述微通道形成进气通道和排气通道，所述进气通道用于对所述空心结构毛坯进行超塑成形，所述排气通道用于对成形后的空心结构的空腔内进行降温处理以及对空心结构型面校形；

焊接形成密封状态，将所述进气管和所述排气管均焊接在所述空心结构毛坯上，并在所述空心结构毛坯的四周施焊，将所述芯板与面板连接，使所述空心结构毛坯达到密封状态；

扩散连接处理，加热至面板与芯板扩散连接的温度，对外表面施加预定气压的压力，使面板与芯板实现扩散连接；

超塑成形处理，完成扩散连接后，对所述进气管按预定的速率缓慢通入预定压力的氩气，对所述毛坯进行超塑成形；

调压降温处理，完成超塑成形后，经过预定时间的保温、保压后，停止加热，打开所述排气管的阀门，通过调整所述进气管中气压或排气管的阀门而调整所述排气管中气体排出的速度，用于对所述空心结构的空腔内进行降温；

校形工艺处理，当所述空心结构的空腔内温度降到预定温度后，调整排气管阀门，使空腔内具有预定的气压，并降低冷却速度，进行校形工艺。

在第一种可能的实现方式中，在所述制备毛坯步骤中还包括：

在叠加前对所述中间芯板和两侧的面板均进行表面处理，使表面光洁、无污染，使芯板和面板均达到扩散连接要求的表面状态；

根据所述空心结构的要求，对所述芯板涂敷止焊剂图形；

所述空心结构为三层或四层的空心结构，其中，中间放一层或两层芯板，在所述中间芯板的上、下面分别叠放一层面板。

结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，在所述构造进、排气通道的步骤中包括：

在所述空心结构毛坯一侧的芯板与面板之间焊接所述进气管，在其他侧焊接所述排气管，所述进气管与所述排气管的一端均与所述空心结构毛坯的内部微通道相通，另一端分别与气源和阀门相连。

结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，在所述调压降温处理的步骤中还包括：

根据排气的速度和降温速率要求，打开一个或者多个排气管阀门；

当温度降到预定要求的温度时，通过调节排气管阀门放慢排气速度，使空腔内具有预定要求的气压，用于进行校形工艺处理。

结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，在所述校形工艺处理的步骤中还包括：

将所述空心构件的面板蒙皮与校形模具的型面贴合进行校形工艺处理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的三层结构的薄壁SPF/DB空心结构毛坯的示意图。

图2是本发明实施例的四层结构的薄壁SPF/DB空心结构毛坯的示意图。

图3是本发明薄壁SPF/DB空心结构的热处理方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

利用超塑成形/扩散连接（Superplastic Forming and Diffusion Bonding 简称SPF/DB）技术，制备具有空心夹层的航空、航天结构件，对于（α+β）型钛合金、β钛合金经SPF/DB工艺过程后，微观组织会发生等轴化和粗化，导致性能会有所下降，成形后需要对结构件进行热处理实现性能恢复，通常采用固溶时效的热处理制度，而固溶温度往往接近超塑成形/扩散连接的温度。

图1是实施例的三层结构的薄壁SPF/DB空心结构毛坯的示意图。

如图1所示，一种薄壁SPF/DB空心结构毛坯，由中间一层芯板以及两侧的各一层面板制备成三层的空心结构毛坯，在空心结构的毛坯制备过程中增加内层排气通道。当空心结构的构件完成成形后，冷却降温过程中，打开一个或者多个排气管阀门，将空心结构的空腔内的热态氩气持续地快速排出，使构件空腔内部获得一定的冷却速度，实现性能调整。当降到一定温度时，放慢排气速度，使空腔具有一定的气压，从而对空心结构的外形面的蒙皮具有一定的作用力，使蒙皮型面与校形模具的型面完全贴合，进行校形工艺处理，保证出炉的空心结构的构件外形符合设计要求。

由于空腔内的热量由液态氩气很快排出，因此，对于三层的空心结构而言，芯板的冷却速度等效于强制空冷的冷速；而与模具接触的外蒙皮的外侧始终受模具的接触传热，而外蒙皮的内侧的热量始终由空腔内侧冷态氩气带走，所以，对于蒙皮而言，靠近空腔一定厚度范围内可以获得一定的冷却速度。冷却速度的控制可通过排气通道的多少和排气速度的快慢控制。

因此，本发明通过构造内层排气通道，便可实现空心结构的快速冷却的热处理工艺和校形工艺，无需单独进行热处理和校形，大大提高了制备效率，节约了工装模具成本；同时本发明主要适用于薄壁SPF/DB的三层和四层结构的热处理，并且扩大了SPF/DB构件的适用材料种类，对于薄壁大空腔结构件，可防止由于高温条件下芯板自重引起的立筋弯曲变形。

图2是实施例的四层结构的薄壁SPF/DB空心结构毛坯的示意图。

如图2所示，一种薄壁SPF/DB空心结构毛坯，由中间两层芯板以及两侧的各一层面板制备成四层的空心结构，在空心结构的毛坯制备过程的中增加内层排气通道。具体的热处理原理同以上图1所示的三层结构的原理，本实施例不再赘述。同样的，对于四层的空心结构而言，芯板的冷却速度等效于强制空冷的冷速；而与模具接触的外蒙皮的外侧始终受模具的接触传热，而外蒙皮的内侧的热量始终由空腔内侧冷态氩气带走，因此，对于蒙皮而言，靠近空腔一定厚度范围内可以获得一定的冷却速度。

图3是本发明实施例的一种薄壁SPF/DB空心结构的热处理方法的流程示意图。

下面将结合图1和图2的薄壁SPF/DB空心结构毛坯，对本发明的一种薄壁SPF/DB空心结构的热处理方法进行说明，该方法包括：

S310：制备毛坯步骤，将中间芯板和两侧的面板叠加在一起形成具有微通道的空心结构毛坯。

在形成空心结构步骤中还包括：在叠加前对中间芯板和两侧面板均进行除油、清洗等表面处理，使表面光洁、无污染，使芯板和面板均达到扩散连接要求的表面状态；根据所述空心结构的要求，对所述芯板涂敷止焊剂图形；本发明适用的空心结构为三层或四层的空心结构，其中，中间放一层或两层芯板，在该中间芯板的上、下面外侧分别叠放一层面板。通过中间芯板与两侧的面板形成了具有夹层结构的空心结构毛坯，其内的微通道用于空心结构的空腔与进、排气管相通。

S320：构造进、排气通道步骤，在芯板与面板之间分别安装进气管和排气管，与微通道形成进气通道和排气通道，进气通道用于对空心结构毛坯进行超塑成形，排气通道用于对成形后的空心结构的空腔内进行降温处理以及对空心结构型面校形。

在构造进、排气通道步骤中还包括：在空心结构毛坯一侧的芯板与面板之间焊接进气管，在其他侧焊接排气管，该进气管和排气管的一端均伸与空心结构毛坯的内部微通道相应连通，另一端分别与气源和阀门相连。进气管与排气管的具体安装方式不限于图1和图2的数量和位置，可根据空心结构的实际结构形式以及具体的降温要求等进行安装设置，原则上排气管的数量越多，空腔内的冷却速度越快，具体的安装数量和位置本发明不做限制。

S330：焊接形成密封状态步骤，将进气管和排气管均焊接在空心结构毛坯上，并在空心结构毛坯的四周施焊，将芯板与面板连接，使空心结构毛坯达到密封状态。

S340：扩散连接处理步骤，加热至面板与芯板扩散连接的温度，对外表面施加预定气压的压力，使面板与芯板实现扩散连接。

需要说明的是，扩散连接处理时，扩散连接的温度和外表面施加的压力根据不同合金材料而不同，如对于SP700钛合金，扩散连接温度范围为790℃~840℃；扩散连接压力范围为1.0MPa~2.0Mpa。

S350：超塑成形处理步骤，完成扩散连接后，对进气管按预定的速率缓慢通入预定压力的氩气，对毛坯进行超塑成形。具体地，可以是通入高纯氩气的保护气，并且将所有内层排气管路关闭，使空心结构能够进行超塑成形。在超塑成形处理中，通入保护气使用氩气，不同合金的成形压力不同，如SP700钛合金，超塑成形所需压力范围为1.0MPa~2.0Mpa。

S360：调压降温处理步骤，完成超塑成形后，经过预定时间的保温、保压后，停止加热，打开排气管的阀门，通过调整进气管中气压或排气管的阀门而调整排气管中气体排出的速度，用于对空心结构的空腔内进行降温。具体地，可以是通过调节排气管阀门的数量以及阀门的阀口开启的大小进行调节。

S370：校形工艺处理步骤，当空心结构的空腔内温度降到预定温度后，调整排气管阀门，使空腔内具有预定的气压，并降低冷却速度，进行校形工艺。具体地，通过调节阀门大小，使空心结构的空腔内具有一定的气压，降低构件的冷却速度，使构件的面板蒙皮与模具型面贴合进行校形工艺处理。完成后，关闭进气阀，构件出炉。

综上所述，本发明的薄壁SPF/DB空心结构的热处理方法，通过在空心结构的毛坯制备过程中构造排气通道的方法，能够同时实现降温冷却的热处理和校形工艺处理。通过在芯板与面板之间安装进气管和排气管，使安装的气管与空心结构内的微通道形成进气通道和排气通道，在进行了扩散连接和超塑成形处理后，通过打开排气通道阀门使空腔内的高温氩气持续排出空腔外实现降温调节，面板蒙皮的内侧的热量始终由空腔内侧冷态氩气带走，与此同时，面板蒙皮的外侧始终受校形模具的接触传热，能进行校形工艺处理。本发明的热处理方法适用于三层或四层的空心结构，能够在进行空心结构的超塑成形过程中，实现对空腔内部进行降温冷却的热处理工艺，同时还能进行校形工艺处理。简化了制造工序，缩短了SPF/DB空心结构的制备周期，提高了效率，节约了成产成本。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (5)

1.一种薄壁SPF/DB空心结构的热处理方法，其特征在于，适用于三层或四层的空心结构，所述方法包括：

制备毛坯，将中间芯板和两侧的面板叠加在一起形成具有微通道的空心结构毛坯；

构造进、排气通道，在所述芯板与面板之间分别安装进气管和排气管，与所述微通道形成进气通道和排气通道，所述进气通道用于对所述空心结构毛坯进行超塑成形，所述排气通道用于对成形后的空心结构的空腔内进行降温处理以及对空心结构型面校形；

焊接形成密封状态，将所述进气管和所述排气管均焊接在所述空心结构毛坯上，并在所述空心结构毛坯的四周施焊，将所述芯板与面板连接，使所述空心结构毛坯达到密封状态；

扩散连接处理，加热至面板与芯板扩散连接的温度，对外表面施加预定气压的压力，使面板与芯板实现扩散连接；

超塑成形处理，完成扩散连接后，对所述进气管按预定的速率缓慢通入预定压力的氩气，对所述毛坯进行超塑成形；

调压降温处理，完成超塑成形后，经过预定时间的保温、保压后，停止加热，打开所述排气管的阀门，通过调整所述进气管中气压或排气管的阀门而调整所述排气管中气体排出的速度，用于对所述空心结构的空腔内进行降温；

校形工艺处理，当所述空心结构的空腔内温度降到预定温度后，调整排气管阀门，使空腔内具有预定的气压，并降低冷却速度，进行校形工艺。

2.根据权利要求1所述的薄壁SPF/DB空心结构的热处理方法，其特征在于，在所述制备毛坯步骤中还包括：

在叠加前对所述中间芯板和两侧的面板均进行表面处理，使表面光洁、无污染，使芯板和面板均达到扩散连接要求的表面状态；

根据所述空心结构的要求，对所述芯板涂敷止焊剂图形；

所述空心结构为三层或四层的空心结构，其中，中间放一层或两层芯板，在所述中间芯板的上、下面分别叠放一层面板。

3.根据权利要求1所述的薄壁SPF/DB空心结构的热处理方法，其特征在于，在所述构造进、排气通道的步骤中包括：

在所述空心结构毛坯一侧的芯板与面板之间焊接所述进气管，在其他侧焊接所述排气管，所述进气管与所述排气管的一端均与所述空心结构毛坯的内部微通道相通，另一端分别与气源和阀门相连。

4.根据权利要求1所述的薄壁SPF/DB空心结构的热处理方法，其特征在于，在所述调压降温处理的步骤中还包括：

根据排气的速度和降温速率要求，打开一个或者多个排气管阀门；

当温度降到预定要求的温度时，通过调节排气管阀门放慢排气速度，使空腔内具有预定要求的气压，用于进行校形工艺处理。

5.根据权利要求1所述的薄壁SPF/DB空心结构的热处理方法，其特征在于，在所述校形工艺处理的步骤中还包括：

将所述空心构件的面板蒙皮与校形模具的型面贴合进行校形工艺处理。