CN109226952B - 空心结构成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空心结构成形方法。包括：在两张或者两张以上的多张芯板之间涂覆止焊剂并叠层，升温至扩散连接温度，加压完成扩散连接；在扩散连接后的芯板组件的两侧均放置面板叠层，对叠层的毛坯组件四周封焊，并预留内层气路和外层气路；将叠层后的毛坯组件放入超塑成形模具中，升温至低于扩散连接温度的预定温度，通过外层气路通气增压，使外层的面板受压向外延伸变形完成超塑成形；在面板超塑成形后，通过外层气路放气卸压，然后通过内层气路通气增压，使芯板受压向外延伸变形完成超塑成形；在芯板超塑成形后，升温达到扩散连接温度后保温保压，使外层面板与芯板完成扩散连接。

Description

空心结构成形方法

技术领域

本发明涉及超塑成形/扩散连接技术领域，特别是涉及一种采用超塑成形/扩散连接技术的空心结构成形方法。

背景技术

超塑成形/扩散连接技术在制造空心结构件具有近净成形，整体性好，刚度高，设计自由度大等优势，在航空、航天等领域具有广泛的应用。按照结构制造所需板材的层数，其工艺结构可分为单层、两层、三层和四层等结构，其中两层和四层结构的应用最为广泛。而四层结构的刚度和强度较为突出，因此，在众多轻量化结构设计中成为选择，如腹鳍、整流叶片、舵翼面等均采用四层结构。对于四层结构设计而言，在满足强度、刚度的同时尽可能减轻重量，因此，中间芯板和外层蒙皮面板的原始厚度通常基本相同，其中常见的成形缺陷之一为表面沟槽缺陷，致使表面质量不达标。

目前，对于控制四层结构沟槽最直接的方法是增加蒙皮面板的厚度，成形完整后通过机械加工或化学铣切的方法去除多余的厚度，该方法不仅浪费材料还增加工序，导致生产周期长。另外一种方法是，采用设计相同的板料厚度，通过背压成形的方法预防沟槽，该方法适用于大空腔尺寸的零件，但过程控制复杂，对于小空腔尺寸的零件或型面复杂的零件仍无法很好的消除表面沟槽缺陷。

因此，为解决现有技术的缺陷，发明人提供了一种空心结构成形方法。

发明内容

本发明实施例提供了一种空心结构成形方法，利用材料在低温范围内仍具有一定的超塑性，但不具有扩散连接性的特性，在该低温范围内使外层面板与中间芯板发生超塑变形，采用低温成形和高温扩散连接的控制方法可有效消除成形中的表面沟槽缺陷，获得表面质量满足设计要求的空心结构件。

本发明的实施例提出了一种空心结构成形方法，该方法包括：

芯板扩散连接，在两张或者两张以上的多张芯板之间涂覆止焊剂并叠层，将叠层后的芯板组件升温至扩散连接温度，并对所述芯板组件加压完成扩散连接；

芯板与面板叠层，在扩散连接后的芯板组件的两侧均放置面板叠层，对芯板与面板叠层的毛坯组件四周封焊，并在芯板组件的叠层空隙中预留内层气路，在芯板组件与两侧面板的叠层空隙中预留外层气路；

面板超塑成形，将芯板与面板叠层后的毛坯组件放入超塑成形模具中，升温至低于扩散连接温度的预定温度，通过所述外层气路通气增压，使外层的所述面板受压向外延伸变形完成超塑成形；

芯板超塑成形，在所述面板超塑成形后，通过所述外层气路放气卸压，然后通过所述内层气路通气增压，使所述芯板受压向外延伸变形完成超塑成形；

芯板与面板扩散连接，在所述芯板超塑成形后，保持所述内层气路的气压，对所述超塑成形模具升温，当温度达到扩散连接温度后保温保压，使所述外层面板与相接触的芯板完成扩散连接。

进一步地，在所述面板超塑形成方法中，将芯板与面板叠层后的毛坯组件放入超塑成形模具中，升温至低于扩散连接温度的40℃～100℃的预定温度。

进一步地，所述芯板和面板均为TC4钛合金材质。

进一步地，在所述内层气路和所述外层气路中通入高纯氩气进行增压。

进一步地，在所述内层气路中通入的气体压强大于在所述外层气路中通入的气体压强。

进一步地，在所述面板超塑成形方法中，通过所述外层气路匀速通入0.5MPa～1.6MPa的高纯氩气，保压15min～60min，完成面板的超塑成形后对外层放气至0～0.1MPa。

进一步地，在所述芯板超塑成形方法中，通过所述内层气路匀速通入1.0MPa～2.0MPa的高纯氩气，形成芯板立筋，完成芯板的超塑成形后，对所述超塑成形模具升温至900℃，保压60min～120min，进一步完成面板与芯板扩散连接，以及完成芯板立筋扩散连接。

进一步地，在所述芯板扩散连接之前还包括对芯板和面板表面处理，即对芯板和面板的表面均进行除油、清洗处理，使芯板和面板均达到扩散连接要求的表面状态。

进一步地，在所述芯板扩散连接的方法中，在相邻叠层的芯板中的其中一张芯板上按照扩散连接要求涂覆止焊剂图形，与相邻叠层的另一张芯板进行叠层为芯板组件，对芯板组件的叠层空隙抽真空处理。

进一步地，在对所述芯板组件的叠层空隙抽真空处理后，对TC4钛合金的芯板组件升温至900℃，并给1.0～2.0MPa压力，保温30min～2h，完成扩散连接。

综上，本发明采用低温成形和高温扩散的方法可有效消除四层超塑成形/扩散连接结构件的表面沟槽缺陷。利用材料在低温范围内仍具有一定的超塑性，但不具有扩散连接性的特性，在该低温范围内使蒙皮与芯板各自发生超塑变形，芯板成形过程中与蒙皮接触具有相对滑动，从而抑制了由于蒙皮与芯板发生扩散连接而导致沟槽产生，芯板成形后，在保压阶段进行升温，升温过程材料会继续发生小的变形，但该变形不足以导致沟槽的产生，达到扩散连接温度后进行保温、保压，完成蒙皮与芯板和立筋的扩散连接。采用低温成形和高温扩散连接的控制方法可有效消除四层结构表面沟槽，获得表面质量满足设计要求的空心结构件。本发明的方法操作简便，节省了成形时间显著减少试验次数和周期，降低了成本，提高了生产效率。

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是本发明的一种空心结构成形方法的流程示意图。

图2是外层加压曲线示意图。

图3是内层加压曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

在航空航天整体结构件中，采用SPF/DB技术制备四层空心结构时，本发明采用低温成形和高温扩散的方法可有效消除四层超塑成形/扩散连接结构件的表面沟槽。本发明的成形方法还可以拓展应用在SPF/DB四层以上的多层结构的成形方法过程中。

如图1是本发明的一种空心结构成形方法的流程示意图。本发明的空心结构成形方法包括以下步骤S110～步骤S150：

步骤S110为芯板扩散连接，在两张或者两张以上的多张芯板之间涂覆止焊剂并叠层，将叠层后的芯板组件升温至扩散连接温度，并对所述芯板组件加压完成扩散连接。本步骤中，中间的两张或两张以上的多张芯板在扩散连接的高温下受压完成扩散连接。

当芯板采用TC4钛合金材质时，一般需升温至900℃，并给1.0～2.0MPa压力，保温30min～2h，完成扩散连接。

步骤S120为芯板与面板叠层，在扩散连接后的芯板组件的两侧均放置面板叠层，对芯板与面板叠层的毛坯组件四周封焊，并在芯板组件的叠层空隙中预留内层气路，在芯板组件与两侧面板的叠层空隙中预留外层气路。在航空制造技术中，在两层芯板的两侧叠层蒙皮面板，构成四层的叠层结构，用于成形为四层空心结构。

步骤S130为面板超塑成形，将芯板与面板叠层后的毛坯组件放入超塑成形模具中，升温至低于扩散连接温度的预定温度，通过所述外层气路通气增压，使外层的所述面板受压向外延伸变形完成超塑成形。本步骤中，面板是在低于扩散连接温度的环境下完成超塑成形，此时，由于面板向外延伸变形，芯板与面板在主体部分没有连接，两者之间不会有相互牵拉运动，因此在面板超塑成形过程中不会导致表面出现沟槽现象。

步骤S140为芯板超塑成形，在所述面板超塑成形后，通过所述外层气路放气卸压，然后通过所述内层气路通气增压，使所述芯板受压向外延伸变形完成超塑成形。在本步骤中，芯板受压向外延伸变形，与面板接触但没有相互牵拉运动，因此，在芯板超塑成形过程中也没有表面沟槽现象出现。

步骤S150为芯板与面板扩散连接，在所述芯板超塑成形后，保持所述内层气路的气压，对所述超塑成形模具升温，当温度达到扩散连接温度后保温保压，使所述外层面板与相接触的芯板完成扩散连接。本步骤为在面板和芯板各自按理论成形要求成形后，通过升温至材料的扩散连接温度，使芯板与面板实现最终的扩散连接，此时，虽然在升温过程中材料会继续发生较小的变形，但该变形只是会使芯板与面板扩散连接变形，而不足以导致表面沟槽产生。进而获得表面质量满足设计要求的空心结构件。

因此，本发明的成形方法中，由于面板和芯板在相对低温条件下发生超塑变形，芯板成形过程中与蒙皮不发生扩散连接，蒙皮与芯板之间具有相对滑动，从而避免了因过快发生扩散而导致的沟槽缺陷，大幅提高产品表面质量和合格率。本发明的方法能够进一步缩短成形时间，减少材料在高温下的时间，提高成形效率和减小力学性能损失。此外，在成形过程控制中还可采用更为简单的无背压控制法，提高产品的扩散连接质量。

进一步地，在所述面板超塑形成方法中，将芯板与面板叠层后的毛坯组件放入超塑成形模具中，升温至低于扩散连接温度的40℃～100℃的预定温度。作为一种优选实施例，本发明的芯板和面板均为TC4钛合金材质。一般航空用TC4钛合金材质的芯板和面板的扩散连接温度约为900℃。

优选地，在所述内层气路和所述外层气路中通入高纯氩气进行增压。在所述内层气路中通入的气体压强大于在所述外层气路中通入的气体压强。

进一步地，在所述面板超塑成形方法中，通过所述外层气路匀速通入0.5MPa～1.6MPa的高纯氩气，保压15min～60min，完成面板的超塑成形后对外层放气至0～0.1MPa。外层气路通气加压曲线可参见图2所示。

进一步地，在所述芯板超塑成形方法中，通过所述内层气路匀速通入1.0MPa～2.0MPa的高纯氩气，形成芯板立筋，完成芯板的超塑成形后，对所述超塑成形模具升温至900℃，保压60min～120min，进一步完成面板与芯板扩散连接，以及完成芯板立筋扩散连接。内层气路通气加压曲线可参见图2所示。在所述芯板扩散连接完成后，扩散完成的芯板切边，进行碱崩、酸洗表面处理后，与处理后的面板叠层进行组坯封焊。

在所述芯板扩散连接之前还包括对芯板和面板表面处理，即对芯板和面板的表面均进行除油、清洗处理，使芯板和面板均达到扩散连接要求的表面状态。

进一步地，在所述芯板扩散连接的方法中，在相邻叠层的芯板中的其中一张芯板上按照扩散连接要求涂覆止焊剂图形，与相邻叠层的另一张芯板进行叠层为芯板组件，对芯板组件的叠层空隙抽真空处理。具体实施时，当选用两张芯板时，可在两张芯板的叠层面之间按芯板立筋结构涂覆止焊剂图形。

进一步地，在对所述芯板组件的叠层空隙抽真空处理后，对TC4钛合金的芯板组件升温至900℃，并给1.0～2.0MPa压力，保温30min～2h，完成扩散连接。

最后，保温、保压结束后，将内层气压卸压至0.02MPa，降温，模具温度降至600℃以下后，空心结构制备完成后出模。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.空心结构成形方法，其特征在于，所述成形方法包括：

芯板扩散连接，在两张或者两张以上的多张芯板之间涂覆止焊剂并叠层，将叠层后的芯板组件升温至扩散连接温度，并对所述芯板组件加压完成扩散连接；

芯板与面板叠层，在扩散连接后的芯板组件的两侧均放置面板叠层，对芯板与面板叠层的毛坯组件四周封焊，并在芯板组件的叠层空隙中预留内层气路，在芯板组件与两侧面板的叠层空隙中预留外层气路；

面板超塑成形，将芯板与面板叠层后的毛坯组件放入超塑成形模具中，升温至低于扩散连接温度的预定温度，通过所述外层气路通气增压，使外层的所述面板受压向外延伸变形完成超塑成形；

芯板超塑成形，在所述面板超塑成形后，通过所述外层气路放气卸压，然后通过所述内层气路通气增压，使所述芯板受压向外延伸变形完成超塑成形；

芯板与面板扩散连接，在所述芯板超塑成形后，保持所述内层气路的气压，对所述超塑成形模具升温，当温度达到扩散连接温度后保温保压，使所述外层面板与相接触的芯板完成扩散连接。

2.根据权利要求1所述的空心结构成形方法，其特征在于，在所述面板超塑形成方法中，将芯板与面板叠层后的毛坯组件放入超塑成形模具中，升温至低于扩散连接温度的40℃～100℃的预定温度。

3.根据权利要求2所述的空心结构成形方法，其特征在于，所述芯板和面板均为TC4钛合金材质。

4.根据权利要求3所述的空心结构成形方法，其特征在于，在所述内层气路和所述外层气路中通入高纯氩气进行增压。

5.根据权利要求4所述的空心结构成形方法，其特征在于，在所述内层气路中通入的气体压强大于在所述外层气路中通入的气体压强。

6.根据权利要求5所述的空心结构成形方法，其特征在于，在所述面板超塑成形方法中，通过所述外层气路匀速通入0.5MPa～1.6MPa的高纯氩气，保压15min～60min，完成面板的超塑成形后对外层放气至0～0.1MPa。

7.根据权利要求6所述的空心结构成形方法，其特征在于，在所述芯板超塑成形方法中，通过所述内层气路匀速通入1.0MPa～2.0MPa的高纯氩气，形成芯板立筋，完成芯板的超塑成形后，对所述超塑成形模具升温至900℃，保压60min～120min，进一步完成面板与芯板扩散连接，以及完成芯板立筋扩散连接。

8.根据权利要求1所述的空心结构成形方法，其特征在于，在所述芯板扩散连接之前还包括对芯板和面板表面处理，即对芯板和面板的表面均进行除油、清洗处理，使芯板和面板均达到扩散连接要求的表面状态。

9.根据权利要求8所述的空心结构成形方法，其特征在于，在所述芯板扩散连接的方法中，在相邻叠层的芯板中的其中一张芯板上按照扩散连接要求涂覆止焊剂图形，与相邻叠层的另一张芯板进行叠层为芯板组件，对芯板组件的叠层空隙抽真空处理。

10.根据权利要求9所述的空心结构成形方法，其特征在于，在对所述芯板组件的叠层空隙抽真空处理后，对TC4钛合金的芯板组件升温至900℃，并给1.0～2.0MPa压力，保温30min～2h，完成扩散连接。

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