CN109530901B - 钛合金空心筋条结构的spf/db制备方法 - Google Patents

钛合金空心筋条结构的spf/db制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及钛合金空心筋条结构的SPF/DB制备方法。该方法包括：切割出上芯板和下芯板，上芯板和下芯板均为具有点阵式实心节点的钛合金镂空板，其连接筋条均为条形凹槽结构，且连接筋条相互交叉处形成实心节点，在上芯板和下芯板相对扣合组成中间芯板时，两者的条形凹槽结构相对扣合，可形成空心筋条结构；加工出钛合金空心结构的两侧面板，并加工出加强块；加工出内侧面有块形凹槽的低碳钢包套，将上芯板和下芯板扣合组成的中间芯板、两侧面板和外围低碳钢包套由内到外依次叠层封装，并且在两侧面板的节点处与低碳钢包套之间增加加强块，然后进行扩散连接和超塑成形，得到空心筋条点阵结构，最后去除低碳钢包套和加强块。

Description

钛合金空心筋条结构的SPF/DB制备方法
技术领域
本发明涉及超塑成形/扩散连接技术领域，特别是涉及一种钛合金空心筋条结构的SPF/DB制备方法。
背景技术
采用超塑成形/扩散连接(SPF/DB)工艺可以制备出钛合金、高温合金的三维点阵结构，参见图1所示。采用SPF/DB的方法可以制备出钛合金金字塔型、X型，以及采用热等静压进行扩散连接，然后超塑成形，可以制备出高温合金三维点阵结构。
现有技术中，采用超塑成形/扩散连接工艺制备金属三维点阵结构存在一些不足，主要有：
1、筋条是实心的，而空心筋条能使得三维点阵结构具有最佳的力学性能，采用目前的工艺还很难制备出空心筋条三维点阵结构；
2、采用空心筋条点阵结构后，筋条截面尺寸厚度较厚，在进行超塑成形时，很容易在面板上形成沟槽缺陷。
因此，发明人提供了一种钛合金空心筋条结构的SPF/DB制备方法。
发明内容
本发明实施例提供了一种钛合金空心筋条结构的SPF/DB制备方法，采用分层式芯板，在两个钛合金镂空芯板上加工出条形凹槽结构的连接筋条，再在面板与包套之间的节点处放置加强块，依次进行扩散连接和超塑成形，解决了现有工艺难以高效、高质地制造出具有空心筋条的三维点阵结构的问题。
本发明的实施例提出了一种钛合金空心筋条结构的SPF/DB制备方法，该制备方法包括：
加工芯板，基于钛合金空心结构的中间芯板数模，切割出上芯板和下芯板，所述上芯板和所述下芯板均为具有点阵式实心节点的钛合金镂空板，所述钛合金镂空板的连接筋条均为条形凹槽结构，且连接筋条相互交叉处形成实心节点，在所述上芯板和所述下芯板相对扣合组成中间芯板时，两者的条形凹槽结构相对扣合，形成了空心筋条结构；
加工面板和加强块，加工出钛合金空心结构的两侧面板，并加工出加强块，用于面板外侧的连接处；
加工包套，加工出两侧面板外围相应的低碳钢包套，用于包覆在面板外，所述低碳钢包套的内侧面设有阵列式分布的块形凹槽，与空心筋条上的点阵式节点对应；
叠层封装，将上芯板和下芯板扣合组成的中间芯板、两侧面板和外围低碳钢包套由内到外依次叠层，并且在两侧面板与低碳钢包套之间设有加工好的加强块，所述加强块与低碳钢包套上的块形凹槽相应匹配设置，将叠层的组合结构封焊、烘焙和封装；
扩散连接，将叠层封装后的组合结构放置在气体扩散炉中，升温加压，使上芯板与下芯板之间、中间芯板与面板之间、面板和加强块之间的相应连接部位进行扩散连接；
超塑成形，在扩散连接后，在芯板与面板之间焊接通气管，然后放置在超塑成形炉中，升温并经通气管通入氩气，使中间芯板与面板超塑成形出空心筋条点阵结构，最后去除低碳钢包套和加强块。
进一步地，所述加工芯板的方法中，采用高压水、线切割、数控加工的方法切割出上芯板和下芯板。
进一步地，所述加工面板和加强块的方法中，采用高压水切割方法加工出钛合金面板及加强块。
进一步地，所述扩散连接的方法中，叠层封装后的组合结构在气体扩散炉中，在温度为900℃～920℃，压强为1.5MPa～2MPa的条件下，保温保压1h～2h进行扩散连接。
进一步地，所述超塑成形的方法前，在扩散连接后，将组合结构边缘的低碳钢包套去除，露出内部钛合金，在芯板与面板之间焊接通气管。
进一步地，所述超塑成形的方法中，组合结构放置在超塑成形炉中，在温度为900℃～920℃的条件下，经通气管通入1.5MPa～2MPa的氩气，保温保压1h～2h，进行超塑成形，成形出空心筋条点阵结构。
进一步地，所述超塑成形的方法后，采用数控加工的方法去除低碳钢包套，并去除面板表面的加强块，获得钛合金空心筋条点阵结构。
综上，本发明的钛合金空心筋条结构的SPF/DB制备方法，具有以下优点：
1、采用分层式芯板，通过将两个钛合金镂空芯板扣合，上、下芯板连接筋条的条形凹槽结构扣合，扩散连接后能够形成具有空心筋条的中间芯板，在连接同时还要保证上芯板和下芯板扩散连接后形成的空心管不会在扩散连接时发生塌陷，且各连接筋条相互交叉处形成点阵式实心节点，制备出了具有空心筋条三维点阵结构；
2、在面板与包套之间的节点位置放置加强块，加厚节点处，避免了超塑成形时面板在节点附近形成沟槽缺陷；
3、本发明的制备工艺操作简便，不需制备专用工装，采用常规工艺设备，即可高效、高质得制备出制备出具有空心筋条的三维点阵结构。
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是三维点阵结构成形原理图。
图2是不同类型点阵结构的芯板图形。
图3是分瓣的镂空芯板。
图4是带加强块的面板。
图5是带有块形凹槽的低碳钢包套。
图6是本发明实施例的一种钛合金空心筋条结构的SPF/DB制备方法流程示意图。
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。
超塑成形/扩散连接(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，如图1是三维点阵结构成形原理图。采用不同的芯板图形就可以制备出不同结构构型的三维点阵结构，如图2所示。
本发明提供了一种钛合金空心筋条结构的SPF/DB制备方法，参见图3～图5所示，该制备方法包括如图6所示的步骤S110～步骤S160：
步骤S110为加工芯板，基于钛合金空心结构的中间芯板数模，切割出上芯板和下芯板，所述上芯板和所述下芯板均为具有点阵式实心节点的钛合金镂空板，所述钛合金镂空板的连接筋条均为条形凹槽结构，且连接筋条相互交叉处形成实心节点，在所述上芯板和所述下芯板相对扣合组成中间芯板时，两者的条形凹槽结构相对扣合，形成了空心筋条结构。
在本步骤的具体实施中，提出了如图3所示分瓣的镂空芯板。具体可以采用高压水、线切割、数控加工的方法切割出上芯板和下芯板。加工出的所述上芯板内侧面的条形凹槽结构与所述下芯板的内侧面的条形凹槽结构相对应，以保证上芯板和下芯板扣合后符合需制备的空心筋条结构对芯板的要求。
步骤S120为加工面板和加强块，加工出钛合金空心结构的两侧面板，并加工出加强块，用于面板外侧的连接处。
在本步骤中，基于所述中间芯板的几何尺寸，可以采用高压水切割方法加工出钛合金面板及加强块。
步骤S130为加工包套，加工出两侧面板外围相应的低碳钢包套，用于包覆在面板外，所述低碳钢包套的内侧面设有阵列式分布的块形凹槽，与空心筋条上的点阵式节点对应。
步骤S140为叠层封装，将上芯板和下芯板扣合组成的中间芯板、两侧面板和外围低碳钢包套由内到外依次叠层，并且在两侧面板与低碳钢包套之间设有加工好的加强块，所述加强块与低碳钢包套上的块形凹槽相应匹配设置，将叠层的组合结构封焊、烘焙和封装。并且，在相邻两个结构件之间的非连接面上需涂覆之焊接，以防在后续扩散连接时非连接面连接在一起。
步骤S150为扩散连接，将叠层封装后的组合结构放置在气体扩散炉中，升温加压，使上芯板与下芯板之间、中间芯板与面板之间、面板和加强块之间的相应连接部位进行扩散连接。
本步骤中，将叠层封装后的组合结构预制坯放入到气体扩散炉中，在温度为900℃～920℃，压强为1.5MPa～2MPa的条件下，保温保压1h～2h进行扩散连接。
步骤S160为超塑成形，在扩散连接后，在芯板与面板之间焊接通气管，然后放置在超塑成形炉中，升温并经通气管通入氩气，使中间芯板与面板超塑成形出空心筋条点阵结构，最后去除低碳钢包套和加强块。
本步骤中，在超塑成形的方法前，在扩散连接后，需将组合结构边缘的低碳钢包套去除，露出内部钛合金，在芯板与面板之间焊接通气管。
在超塑成形的方法中，将组合结构放置在超塑成形炉中，在温度为900℃～920℃的条件下，经通气管通入1.5MPa～2MPa的氩气，保温保压1h～2h，进行超塑成形，成形出空心筋条点阵结构。
在超塑成形的方法后，采用数控加工的方法去除低碳钢包套，并去除面板表面的加强块，获得钛合金空心筋条点阵结构。
综上，本发明提出了采用分层式芯板，分成两瓣的镂空芯板的内侧面，连接筋条上加工出凹槽结构，而在连接筋条相互交叉处的节点则不需要加工，是实心节点，在面板上节点位置增加加强块，在面板的外面再包覆一层低碳钢板包套，其中面向面板的表面上，对应加厚节点处，加工出与加强块厚度相同深度的块形凹槽，然后带凹槽的低碳钢包套、钛合金面板、分成两瓣加工的镂空芯板、钛合金面板、带凹槽的低碳钢板包套依次叠层，放入气体扩散炉中，实现加厚面板、面板、镂空芯板之间的扩散连接，在这个过程中分成两瓣的镂空芯板通过扩散连接，形成了一个整体的镂空芯板，只是这个镂空芯板的筋条是中空的，而在点阵式节点处则是实心的。将扩散连接后的预制坯焊接通气管，升温至设定温度进行超塑成形，将超塑成形后的预制坯的低碳钢包套去除，然后去除面板上加强块，制备出了具有空心筋条的钛合金三维点阵结构。
以上所述仅为本申请的实施例而已，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。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 (7)

1.钛合金空心筋条结构的SPF/DB制备方法，其特征在于，包括：
加工芯板，基于钛合金空心结构的中间芯板数模，切割出上芯板和下芯板，所述上芯板和所述下芯板均为具有点阵式实心节点的钛合金镂空板，所述钛合金镂空板的连接筋条均为条形凹槽结构，且连接筋条相互交叉处形成实心节点，在所述上芯板和所述下芯板相对扣合组成中间芯板时，两者的条形凹槽结构相对扣合，形成了空心筋条结构；
加工面板和加强块，加工出钛合金空心结构的两侧面板，并加工出加强块，用于面板外侧的连接处；
加工包套，加工出两侧面板外围相应的低碳钢包套，用于包覆在面板外，所述低碳钢包套的内侧面设有阵列式分布的块形凹槽，与空心筋条上的点阵式节点对应；
叠层封装，将上芯板和下芯板扣合组成的中间芯板、两侧面板和外围低碳钢包套由内到外依次叠层，并且在两侧面板与低碳钢包套之间设有加工好的加强块，所述加强块与低碳钢包套上的块形凹槽相应匹配设置，将叠层的组合结构封焊、烘焙和封装；
扩散连接，将叠层封装后的组合结构放置在气体扩散炉中，升温加压，使上芯板与下芯板之间、中间芯板与面板之间、面板和加强块之间的相应连接部位进行扩散连接；
超塑成形，在扩散连接后，在芯板与面板之间焊接通气管，然后放置在超塑成形炉中，升温并经通气管通入氩气，使中间芯板与面板超塑成形出空心筋条点阵结构，最后去除低碳钢包套和加强块。
2.根据权利要求1所述的钛合金空心筋条结构的SPF/DB制备方法，其特征在于，所述加工芯板的方法中，采用高压水、线切割或数控加工的方法切割出上芯板和下芯板。
3.根据权利要求1所述的钛合金空心筋条结构的SPF/DB制备方法，其特征在于，所述加工面板和加强块的方法中，采用高压水切割方法加工出钛合金面板及加强块。
4.根据权利要求1所述的钛合金空心筋条结构的SPF/DB制备方法，其特征在于，所述扩散连接的方法中，叠层封装后的组合结构在气体扩散炉中，在温度为900℃～920℃，压强为1.5MPa～2MPa的条件下，保温保压1h～2h进行扩散连接。
5.根据权利要求1所述的钛合金空心筋条结构的SPF/DB制备方法，其特征在于，所述超塑成形的方法前，在扩散连接后，将组合结构边缘的低碳钢包套去除，露出内部钛合金，在芯板与面板之间焊接通气管。
6.根据权利要求5所述的钛合金空心筋条结构的SPF/DB制备方法，其特征在于，所述超塑成形的方法中，组合结构放置在超塑成形炉中，在温度为900℃～920℃的条件下，经通气管通入1.5MPa～2MPa的氩气，保温保压1h～2h，进行超塑成形，成形出空心筋条点阵结构。
7.根据权利要求1所述的钛合金空心筋条结构的SPF/DB制备方法，其特征在于，所述超塑成形的方法后，采用数控加工的方法去除低碳钢包套，并去除面板表面的加强块，获得钛合金空心筋条点阵结构。
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