CN109531077A - 消除钛合金三层结构表面沟槽的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及消除钛合金三层结构表面沟槽的制备方法。该方法包括：切割出网格形式的钛合金镂空芯板，该钛合金镂空芯板的网格式连接筋条相互交叉处形成点阵式节点；加工出钛合金的两侧面板，并加工出加强块；加工出内侧面有块形凹槽的低碳钢包套；在钛合金镂空芯板的连接筋条两侧及点阵式节点的一侧涂覆止焊剂，要求相邻两个节点的两侧面彼此错位涂覆止焊剂，在面板上除节点连接之外的区域以及低碳钢包套上包括块形凹槽在内的内侧面均涂覆止焊剂；将芯板、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，得到三维点阵结构，最后去除低碳钢包套和加强块。

Description

消除钛合金三层结构表面沟槽的制备方法

技术领域

本发明涉及超塑成形/扩散连接技术领域，特别是涉及一种消除钛合金三层结构表面沟槽的制备方法。

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。

钛合金三维点阵结构超塑成形实际上是超塑成形/扩散连接成形的三层结构，当面板厚度小于芯板厚度时，在成形过程中和成形后，很容易在面板表面形成沟槽缺陷，而这些沟槽很难通过控制工艺参数消除。

为了消除表面沟槽缺陷，目前主要的方法有采用外面工艺板方法、内部在筋条位置加厚等方法。其中，采用工艺板的方法，只能通过工艺参数优化，来减弱沟槽，但是不能完全消除。采用在面板和芯板之间的筋条位置加厚的方法，如图2所示，虽然可以消除表面沟槽，但是会导致结构重量增加。另外，如果加厚厚度较大时，会在筋条位置产生褶皱现象，如图3所示。因此，采用现有方法很难在不增加结构重量的条件下，完全消除表面沟槽和褶皱等缺陷。

针对现有技术的不足，发明人提供了一种消除钛合金三层结构表面沟槽的制备方法。

发明内容

本发明实施例提供了一种消除钛合金三层结构表面沟槽的制备方法，解决了现有工艺方法很难在不增加结构重量的条件下，消除钛合金三层结构表面沟槽和褶皱的问题。

本发明的实施例提出了一种消除钛合金三层结构表面沟槽的制备方法，该制备方法包括：

加工芯板，基于钛合金三层结构的中间芯板数模，切割出网格形式的钛合金镂空芯板，所述钛合金镂空芯板的网格式连接筋条相互交叉处形成点阵式节点；

加工面板和加强块，加工出钛合金三层结构的两侧面板，并加工出加强块，用于面板外侧的节点连接处；

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，与芯板和面板上的点阵式节点相对应；

涂覆止焊剂，在钛合金镂空芯板的连接筋条两侧以及点阵式节点的一侧涂覆止焊剂，要求在相邻两个节点的两侧面彼此错位涂覆止焊剂，同时在面板上除节点连接之外的区域均涂覆止焊剂，在低碳钢包套上包括块形凹槽在内的内侧面均涂覆止焊剂；

叠层封装，将芯板、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，使芯板与面板超塑成形出三维点阵结构，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，经通气管通入氩气，保温保压1h～2h，进行超塑成形，成形出钛合金三维点阵结构。

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，制备出无表面沟槽的钛合金三层结构。

综上，本发明的消除钛合金三层结构表面沟槽的制备方法，具有以下优点：

1、可以完全消除表面沟槽，即使是面板厚度远小于芯板厚度，甚至面板是箔材也可以加工出没有沟槽的三层结构，特别是三维点阵结构；

2、制备成形的钛合金三层点阵结构不会增加结构重量；

3、本发明的方法工艺过程简单、可靠，制造成本较低。

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是带有加强块的面板及芯板坯料示意图。

图3是带有块形凹槽的低碳钢包套。

图4是芯板、面板和低碳钢包套的叠层顺序。

图5是超塑成形后的预制坯，带有低碳钢包套。

图6是超塑成形后拆除了低碳钢包套的预制坯。

图7是节点局部有加强块的钛合金三层点阵结构。

图8是去除了节点处加强块的钛合金三层点阵结构。

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。

参见图2～图8所示的实施例，该制备方法包括步骤S110～步骤S170：

步骤S110为加工芯板，基于钛合金三层结构的中间芯板数模，切割出网格形式的钛合金镂空芯板，所述钛合金镂空芯板的网格式连接筋条相互交叉处形成点阵式节点。

在本步骤的具体实施中，提出了如图2所示镂空芯板。具体可以采用高压水、线切割、数控加工的方法切割出满足要求的芯板。

步骤S120为加工面板和加强块，参见如图2所示，加工出钛合金三层结构的两侧面板，并加工出加强块，用于面板外侧的节点连接处。

在本步骤中，基于所述芯板的几何尺寸，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，参见图3所示，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，与芯板和面板上的点阵式节点相对应。

步骤S140为涂覆止焊剂，在钛合金镂空芯板的连接筋条两侧以及点阵式节点的一侧涂覆止焊剂，要求在相邻两个节点的两侧面彼此错位涂覆止焊剂，同时在面板上除节点连接之外的区域均涂覆止焊剂，在低碳钢包套上包括块形凹槽在内的内侧面均涂覆止焊剂。以防在后续扩散连接时非连接面连接在一起。

步骤S150为叠层封装，参见图4所示，将芯板、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。

步骤S160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S170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，使芯板与面板超塑成形出三维点阵结构，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，经通气管通入氩气，保温保压1h～2h，进行超塑成形，制备出无表面沟槽的钛合金三层结构。

参见图6～图8所示，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，获得无表面沟槽的钛合金三层结构。

综上，本发明为了克服现有超塑成形/扩散连接工艺制备三维点阵结构表面沟槽的不足，提出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包套，其中面向面板的表面上，对应加厚节点处，加工出与加厚板厚度相同深度的凹槽。在钛合金镂空的网格状芯板对应节点处涂覆止焊剂，涂覆原则是一个节点涂覆止焊剂与其周围直接通过筋条连接四个节点的涂覆情况相反，也就是说，一个节点只在面向其中的一个面板的非连接一侧涂覆止焊剂，相邻两个节点是在不同面涂覆止焊剂。还在低碳钢包套的内侧面加工了凹槽的整个表面上涂覆止焊剂。按照带凹槽的低碳钢包套、钛合金面板、镂空芯板、钛合金面板、带凹槽的低碳钢板从上至下(或从下至上)的顺序叠层，并且在两侧面板与低碳钢包套之间设有加工好的加强块，使加强块与低碳钢包套上的块形凹槽相应匹配设置，然后将叠层后的组合结构放入气体扩散炉中，实现加厚面板与镂空芯板之间的扩散连接。将扩散连接后的预制坯边缘数控加工后，边缘露出内部的钛合金板材，焊接进气管，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面板去除，然后去除面板上加强块，最后，制备出了无表面沟槽的钛合金三层结构。

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.消除钛合金三层结构表面沟槽的制备方法，其特征在于，包括：

加工芯板，基于钛合金三层结构的中间芯板数模，切割出网格形式的钛合金镂空芯板，所述钛合金镂空芯板的网格式连接筋条相互交叉处形成点阵式节点；

加工面板和加强块，加工出钛合金三层结构的两侧面板，并加工出加强块，用于面板外侧的节点连接处；

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，与芯板和面板上的点阵式节点相对应；

涂覆止焊剂，在钛合金镂空芯板的连接筋条两侧以及点阵式节点的一侧涂覆止焊剂，要求在相邻两个节点的两侧面彼此错位涂覆止焊剂，同时在面板上除节点连接之外的区域均涂覆止焊剂，在低碳钢包套上包括块形凹槽在内的内侧面均涂覆止焊剂；

叠层封装，将芯板、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，使芯板与面板超塑成形出三维点阵结构，最后去除低碳钢包套和加强块。

2.根据权利要求1所述的消除钛合金三层结构表面沟槽的制备方法，其特征在于，所述加工芯板的方法中，采用高压水、线切割、数控加工的方法切割出芯板。

3.根据权利要求1所述的消除钛合金三层结构表面沟槽的制备方法，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所述的消除钛合金三层结构表面沟槽的制备方法，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所述的消除钛合金三层结构表面沟槽的制备方法，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所述的消除钛合金三层结构表面沟槽的制备方法，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，经通气管通入氩气，保温保压1h～2h，进行超塑成形，成形出钛合金三层结构。

7.根据权利要求1所述的消除钛合金三层结构表面沟槽的制备方法，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，制备出无表面沟槽的钛合金三层结构。