CN109604410A - 一种钛合金多层板件快速成形装置及其成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种钛合金多层板件快速成形装置及其成形方法，本装置包括石墨上下模、石墨电极、脉冲直流电源、加压装置以及试样；该方法利用直流脉冲电流直接通过特定区域涂抹阻焊剂的试样，短时内产生大量的电阻热和放电热，试样迅速受热进入超塑性状态，然后通入气体使试样涂抹阻焊剂区域快速胀形，同时未涂抹阻焊剂区域原子交换实现扩散连接，进而完成多层板件的快速成型。本发明可以显著缩短钛合金多层板的成形时间，具有成形速度快，成形成本低廉，适应于各种钛合金多层板的成形的优点。

Description

一种钛合金多层板件快速成形装置及其成形方法

技术领域

本发明设计一种关于钛合金多层板的快速成形装置及成形方法，具体涉及一种脉冲电流辅助钛合金多层板快速成形装置及成形方法。。

背景技术

钛合金是20世纪中叶兴起并开始应用在飞机结构上的重要金属材料，钛合金具有许多优良特性，具体体现在：1)比密度高，钛合金的抗拉强度为686～1176MPa，而密度只为钢的3/5； 2)抗腐蚀性能好，钛合金在海水、大气、硝酸等氧化性介质中抗腐蚀性优于大多数不锈钢；3)钛合金材料无磁性。钛合金多层板件主要应用于航空航天领域大型壁板、叶片以及翼舵等结构中，从而代替传统的钢结构件，有利于减轻飞行器的结构重量，极大程度的提升了飞行器的飞行性能。然而，钛合金常温下变形抗力大、塑形差、回弹严重，因此采用冷成形工艺制造其多层板件结构难度较大。

超塑成形/扩散连接组合工艺是利用材料在超塑性状态下良好的固态粘合性能而发展起来的一种组合工艺技术，其原理在于当材料的超塑温度与材料的扩散连接温度相近时，在一次加热过程中同时完成超塑成形和扩散连接两个工艺步骤，从而得到目的件。但是，利用超塑成形/扩散连接技术制造钛合金多层板时，其成形时间长，设备投入大、制造维护成本高昂，严重制约及影响了钛合金多层板的成形效率。

公开号为106881561A的专利提供一种钛合金薄壁多层中空结构的制备方法，该方法首先将面板、芯层单独热压成形，然后装配起来进行整体扩散连接，最后得到钛合金薄壁多层中空结构。这种方法的成形过程复杂，由于需要单独的热压成形及整体的扩散连接，对设备要求高，单件耗时长。

因此，如果能开发一种钛合金多层板快速成形装置及成形方法，对于实现钛合金多层板高效生产、促进航空航天制造技术进步具有重大意义。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种脉冲电流辅助加热的钛合金多层板快速成形装置及成形方法，该装置可快速成形多种钛合金多层板件，具有加热效率高、板件成形速率快、设备投入低的优点。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种钛合金板件快速成形装置，包括石墨上下模、石墨电极、脉冲直流电源、加压装置以及试样，所述试样为两块TC4钛合金板件，试样在实验前经过预处理去除表面杂质及氧化膜，并且在试样相应位置涂上阻焊剂；所述石墨电极分为第一电极和第二电极，第一电极连接所述直流脉冲电源的一端，第二电极连接所述直流脉冲电源另一端，所述试样位于石墨上下模之间，石墨上下模分别通过两个石墨电极与脉冲电源相连，电极两端可通过加压装置对其施加压力，整个装置置于充满保护气氛的保温密封箱内。

本发明还公开了一种脉冲电流辅助钛合金二层板快速成形方法，该方法通过对试样施加脉冲电流，从而快速加热试样，在试样达到一定温度后通入气体，实现试样的最终成形。首先利用加压装置对试样施加一定压力，使两试样充分贴合；然后采用脉冲电流通过试样，产生大量的电阻热和放电热，再外加压力与电阻热及放电热的共同作用下，试样接触面之间达到原子间的接触；待试样温度上升900-1050℃，此时钛合金处于超塑性状态，通入气体，试样成形；最后停止脉冲电流输入，继续保温一段时间，通过原子的短程扩散即可完成焊接过程。

上述方法包括以下具体步骤：

(1)焊前准备，使用砂纸打磨试样表面，碱洗后酸洗破坏试样表面氧化层，使试样表面充分接触，在试样相应位置涂上阻焊剂，将两试样边缘预先焊接并接上气管。

(2)将处理之后的试样放置于石墨模具上，通过压力机给装置施加预压力，在试样的接触面处固定放置一个热电偶，保证整个成形过程中热电偶始终测定的是连接界面及其附近温度。

(3)向保温密封箱内通入氩气，是保护气氛充满密封箱，接通脉冲电源对试样进行加热，待试样温度升至950～1050℃，通入惰性气体进行板件成形。

(4)关闭脉冲电源，保温一段时间，随后随炉冷却至室温，撤除预置压力，完成整个试样成形过程。

在本发明中，通入脉冲电流后钛合金试样在电阻热与放电热作用下温度快速升高，钛合金试样未涂抹阻焊剂部分原子间充分接触发生原子间的扩散，当钛合金试样温度升至 950～1050℃时，试样进入超塑性状态，此时通入惰性气体即可快速完成多层板件的成形。

有益效果：与以往技术相比，本发明的一种钛合金多层板快速成形装置及其成形方法，有以下优点：

(1)成形速度快。通过脉冲电流直接对试样进行加热，加热效率较传统电阻丝加热高得多，因此可在极短时间内使试样达到超塑性状态下，然后通入气体能实现快速胀形。

(2)焊接温度高，原子扩散系数大，扩散速率快，扩散层深，焊接质量好。在电流影响下，试样的原子得到一定活化，原子扩散速率增加，扩散层更深，因此可以得到焊接更好的钛合金多成板件。

(3)本发明工艺简单、设计精巧、使用方便，成形成本低廉，适应于各种钛合金多层板的成形制造。本发明所述一种钛合金多层板件快速成形装置，设备投入低，使用方便，维护成本低廉，适应钛合金二层板、三层板等多种多层板的成形。

附图说明

图1为钛合金多层板快速成形装置示意图；

图2为预处理示意图；

图3为钛合金二层板件成形过程图；

图4为钛合金二层板件图（钛合金二层板单元及成品件）；

图5为钛合金三层板件预处理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的一种钛合金多层板件快速成形装置，包括保温密封箱1、石墨上模2、石墨下模3、测温孔4、石墨电极5、通气管6、直流脉冲电源7和试样，试样为两块 TC4钛合金板圆板件；石墨电极5分为第一电极和第二电极，第一电极通过导线连接在直流脉冲电源的一端，第二电极通过导线连接在直流脉冲电源另一端；试样位于石墨上模2与石墨下模3之间，石墨上下模分别通过两个石墨电极5与脉冲电源相连；电极两端可通过加压装置对其施加压力，整个装置置于保温密封箱1内。

本发明的一种钛合金板件快速成形装置原理：首先将试样经过预处理后去除表面杂质及破坏表面氧化层，在试样接触表面相应位置涂上阻焊剂，然后将试样沿边缘预焊接并留出通气道，在通气道口焊上通气管，将处理后的试样放置于石墨上模2与石墨下模3之间，压力机预先对装置施加压力，保证两试样充分接触，打开脉冲电源7对试样通电，两试样通电后温度迅速升高，同时在压力作用下，接触面达到原子间接触并发生原子间的扩散，而涂有阻焊剂的位置并不会发生扩散焊接；当温度达到钛合金超塑性温度范围后，通过通气管对试样通气进行气胀成形，由于钛合金超塑性状态下具有优良的塑性，故短时内即可实现多层板件成形。

在上述发明所述一种钛合金多层板件快速成形装置及其成形方法中，选用石墨模具，石墨模具材料为公开技术；脉冲直流电源7的脉冲频率为1～200Hz，脉冲电流峰值为10000A，基值电流55％～70％；通气时温度为900～1000℃，外加压力为5～10MPa，通气时间为30s。

在具体焊接过程中，使用砂纸打磨试样表面，碱洗后酸洗破坏试样表面氧化层，使试样表面充分接触，在试样相应位置涂上阻焊剂，将两试样边缘预先焊接并接上气管；将处理好的试样放于石墨上下模之间同时施加压力使之充分接触并固定；预先在保温密封箱内充满保护气氛后即可开始。在成形结束后，随炉冷却至室温，撤除压力，即可得到成形件。

如图2、图3所示，为了进一步说明本发明提出的一种钛合金多层板件快速成形装置及其成形方法，钛合金二层板为例对本发明的成形过程做如下详细说明：

第一步预处理过程：将试样用砂纸打磨后涂上阻焊剂，然后对试样进行预焊，阻焊剂涂抹位置如图2所示，涂抹阻焊剂时应注意将气道部分一并涂上，以防止预焊时阻塞气道，最后将试样与气管焊接。

第二步如图3所示，将预处理后的试样装载到装置中，加压固定试样，通入电流加热试样，待温度上升到900度，通入气体3min，保温15min，完成胀形。

第三步停止通气，关闭电源，去除压力，待温度冷却，取出成形件即可。所述及所列说明图仅以钛合金二层板单元为例说明，完整钛合金二层板件如图4所示。

在此应当指出，本发明适应于制造钛合金多层板，包括二层板、三层板等，三层板预处理见图5，成形过程与二层板成形过程相同，在此不作赘述。

Claims (7)

1.一种钛合金多层板件快速成形装置及其成形方法，其特征在于：一套电辅助钛合金多层板快速气胀成形装置，包括带有通气孔的保温密封箱(1)，石墨上模具(2)、石墨下模具(3)、测温孔(4)、石墨电极(5)、通气管(6)、直流脉冲电源(7)；所述石墨电极(5)分为第一电极和第二电极，第一电极通过导线连接在所述直流脉冲电源的一端，第二电极通过导线连接在所述直流脉冲电源另一端，所述试样位于石墨上模(2)与石墨下模(3)之间，石墨上下模分别通过两个石墨电极(5)与脉冲电源相连形成回路，同时电极两端可通过加压装置对其施加压力，整个装置置于带有通气孔的保温密封箱(1)。

2.根据权利要求1所述一种钛合金多层板件快速成形装置及其成形方法，其特征在于：试样经过图2所示方法处理后置于石墨上模具(2)与石墨下模具(3)中通过石墨电极(5)加压预紧。

3.根据权利要求2所述一种钛合金多层板件快速成形装置及其成形方法，其特征在于：所述石墨下模具(3)根据所需成形的钛合金多层板尺寸加工出对应尺寸形状。

4.根据权利要求1至3所述一种钛合金多层板件快速成形装置及其成形方法，其特征在于：保温密封箱(1)开有通气孔和测温孔(4)，且保温密封箱(1)内预先充满氩气，石墨上模具(2)、石墨下模具(3)及试样在成形过程中处于保护气氛中。

5.一种钛合金多层板件快速成形方法，其特征在于以下具体步骤：

(1)焊前准备，使用砂纸打磨试样表面，碱洗后酸洗破坏试样表面氧化层，使试样表面充分接触，在试样相应位置涂上阻焊剂，将两试样边缘预先焊接并接上通气管。

(2)将处理之后的试样放置于石墨模具上，通过压力机给装置施加预压力，在试样的接触面处固定放置一个热电偶，保证整个成形过程中热电偶始终测定的是连接界面及其附近温度。

(3)通入氩气使氩气充满箱体，接通脉冲电源对试样进行加热，待试样温度升至950～1050℃，通入惰性气体进行板件成形。

(4)关闭脉冲电源，保温一段时间，随后随炉冷却至室温，撤除预压力，完成整个试样成形过程。

6.根据权利要求5所述一种钛合金多层板件快速成形方法，其特征在于：通过直流脉冲电源(7)对试样直接通入电流，产生大量电阻热和放电热，使试样迅速加热至超塑性状态，同时通入气体实现迅速成形。

7.根据权利要求5所述一种钛合金多层板件快速成形方法，其特征在于：钛合金多层板通入气体成形过程中试样同时进行原子的扩散，在相应区域实现扩散连接。