CN109955041B - 钛合金空心结构的无模制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钛合金空心结构的无模制备方法。该方法包括：加工出对开结构的钛合金蒙皮上面板和下面板，加工出具有矩形镂空结构的钛合金箔材芯板，加工出多个矩形环作为箔材中间层，加工出多个与所述矩形环大小相当的矩形块作为箔材最外层，然后基于扩散连接要求，在所述箔材芯板、矩形环、矩形块的非连接部位涂覆止焊剂后，将两层箔材芯板放置在最内层，在两层箔材芯板的两侧均由内向外依次叠层放置多层箔材中间层和单层箔材最外层扩散连接，形成波纹状内包套预制坯，最后将下面板、波纹状内包套预制坯、上面板，由下至上依次叠放后超塑成形/扩散连接制备出钛合金空心结构。该方法没有采用模具，解决了现有技术在成形过程中面板塌陷的问题。

Description

钛合金空心结构的无模制备方法

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结构的无模制备方法。

背景技术

在飞行器及发动机中有很多钛合金空心结构，常用的制备方法主要有扩散连接法、超塑成形/扩散连接等有模制备方法。例如舵面结构就是采用对开结构扩散连接、超塑成形/扩散连接的方法制备出结构件，然而采用现有技术的有模方法制备钛合金空心结构时，特别是四层空心结构，主要存在以下问题：

1、现有技术的有模制备钛合金空心结构需采用液压机加压，一般加压载荷要远大于实际扩散连接压力，这样很容易导致在扩散连接过程中筋条发生变形，使得零件外形失真；

2、采用液压机加压时，载荷方向沿着单向加载，加载零件的侧面以及模具侧面没有压力，导致其模具受到的载荷条件比较恶劣，导致模具寿命降低；

3、受液压机吨位和台面尺寸的限制，一炉成形的零件数有限，成形效率低，如果一次成形多个零件，随着扩散连接模具尺寸的增加，对设备的吨位要求会成倍提高；

4、采用液压机成形时，由于环境是大气环境，需要在对开的钛合金空心结构内部充填氩气，防止空心结构发生塌陷。

因此，发明人提供了一种钛合金空心结构的无模制备方法。

发明内容

本发明实施例提供了一种钛合金空心结构的无模制备方法，在制备钛合金空心结构时，不采用模具，而是采用超塑成形/扩散连接波纹状内包套的方法，实现对开式蒙皮带筋条单元格面板的扩散连接，从而制备出钛合金空心结构，解决了现有技术在成形过程中面板塌陷的问题。

本发明的实施例提出了一种钛合金空心结构的无模制备方法，该制备方法包括：

加工面板，基于钛合金空心结构的数模外形，采用数控加工方法加工出对开结构的钛合金蒙皮上面板和下面板，所述上面板和所述下面板相对的内侧面均加工有一一对应的多个筋条单元格，所述上面板和所述下面板的内侧面筋条单元格相互对合时，可形成所述钛合金空心结构的整体外面板；

加工箔材芯板，加工出具有矩形镂空结构的钛合金箔材芯板，所述矩形镂空结构与所述筋条单元格位置相对应；

加工箔材中间层，将钛合金箔材加工出多个矩形环，采用与所述矩形镂空结构数量相同的矩形环作为箔材中间层，用于放置在所述矩形镂空结构的外侧；

加工箔材最外层，将钛合金箔材加工出多个与所述矩形环大小相当的矩形块，采用与所述矩形环数量相同的矩形块作为箔材最外层，用于放置在所述箔材中间层的外层，覆盖所述箔材芯板和所述矩形环的镂空部分；

制备波纹状内包套预制坯，基于扩散连接要求，在所述箔材芯板、矩形环、矩形块的非连接部位涂覆止焊剂后，将两层箔材芯板放置在最内层，在两层箔材芯板的两侧均由内向外依次叠层放置多层箔材中间层和单层箔材最外层，并对叠层结构的边缘进行点焊定位，然后将其放入钢包套中，在抽真空、烘焙、真空封装后，放入气体扩散炉中进行扩散连接，之后去除钢包套，在叠层结构之间预留进气口，形成波纹状内包套预制坯；

制备钛合金空心结构，将带有筋条单元格的下面板、波纹状内包套预制坯、带有筋条单元格的上面板，由下至上依次叠放，对边缘进行封焊，其中进气口位置不封焊，然后对波纹状内包套预制坯与上面板、下面板之间的空间进行抽真空、烘焙、封装，最后将其放入到气体扩散炉中进行升温，并将氩气通过进气口通入内部空腔进行加压，使多层箔材结构进行超塑成形，多层箔材结构在扩散连接处超塑成形出波纹状结构，超塑成形后形成波纹状内包套，箔材最外层完全与面板的内表面贴合后，进行保温保压，将对开的上面板和下面板在筋条处扩散连接为一体结构，制备出钛合金空心结构。

进一步地，所述加工面板的方法中，在所述上面板和下面板的侧面相对合的位置均预留有进气口。

进一步地，所述加工箔材芯板的方法中，所述矩形镂空结构包括间隔开设的矩形镂空部分和十字型镂空部分，在每个矩形镂空部分的直角外围均设有一个十字型镂空部分，每个矩形镂空部分与十字型镂空部分之间通过实体钛合金箔材相连。

进一步地，所述加工箔材中间层的方法中，所述矩形环的外形边缘尺寸大于所述矩形镂空部分，且边缘不超过十字型镂空部分。

进一步地，所述制备波纹状内包套预制坯的方法中，在两层所述箔材芯板涂覆止焊剂时，其中一层芯板上围绕所述矩形镂空部分的边缘外周预留有不涂止焊剂的间隙，另一层芯板上围绕所述十字型镂空部分的边缘外周预留有不涂止焊剂的间隙。

进一步地，所述制备波纹状内包套预制坯的方法中，在箔材中间层涂覆止焊剂时，在所述矩形环上围绕内环边缘的外周预留有不涂止焊剂的间隙；或者，在所述矩形环上围绕外环边缘的外周预留有不涂止焊剂的间隙。

进一步地，所述制备波纹状内包套预制坯的方法中，在箔材最外层涂覆止焊剂时，在所述矩形块上围绕矩形边缘的外周预留有不涂止焊剂的间隙。

进一步地，所述制备波纹状内包套预制坯的方法中，在气体扩散炉中进行扩散连接时，需将炉内升温至900℃～920℃，通入压强为1.5MPa～2MPa的氩气后保温保压1h～2h。

进一步地，所述制备钛合金空心结构的方法中，在气体扩散炉中超塑成形出波纹状结构时，需将炉内升温至900℃～920℃，通入压强为1.5MPa～2MPa的氩气后保温保压1h～2h。

综上，本发明的钛合金空心结构的无模制备方法，根据数模外形，数控加工出内侧面具有筋条单元格的上面板和下面板，根据面板的分型面几何尺寸，加工出具有矩形镂空结构的箔材芯板，加工出矩形环的箔材中间层，以及加工出矩形块的箔材最外层，按照扩散连接要求，在加工出的各零件表面非连接部位涂覆止焊剂后，按照结构要求依次叠层后进行扩散连接，形成波纹状内包套预制坯，然后再将其与上下两面板组合在一起形成无模预制坯封装，最后将无模预制坯封装放入到气体扩散炉中，升温后，按照加压曲线通入一定压强的氩气，氩气进入到扩波纹状内包套预制坯的内空腔，使得芯板和多层箔材结构胀形而超塑成形，胀形后最外层箔材与面板的内表面贴合，带筋条的面板在成形过程中不会发生塌陷。本发明的无模制备方法中，在气体扩散炉中升温加压进行超塑成形和扩散连接，面板和芯板的结构件性能高、而且可以实现大尺寸复杂型面结构件的高效率、低成本制造。

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是本发明实施例的一种钛合金空心结构的无模制备方法流程示意图。

图2是箔材芯板的结构示意图。

图3是作为箔材中间层的矩形环结构示意图。

图4是作为箔材最外层的矩形块结构示意图。

图5是在箔材芯板上涂覆止焊剂的第一种涂覆方式示意图。

图6是在箔材芯板上涂覆止焊剂的第二种涂覆方式示意图。

图7是在矩形环上涂覆止焊剂的第一种涂覆方式放大示意图。

图8是在矩形环上涂覆止焊剂的第二种涂覆方式放大示意图。

图9是在矩形块上涂覆止焊剂的涂覆方式放大示意图。

图10～图14是制备钛合金空心结构的第一阶段～第五阶段的成形示意图。

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。

本发明提供了一种钛合金空心结构的无模制备方法，参见图1所示，该制备方法至少包括以下步骤S110～步骤S160：

步骤S110为加工面板，基于钛合金空心结构的数模外形，采用数控加工方法加工出对开结构的钛合金蒙皮上面板和下面板，所述上面板和所述下面板相对的内侧面均加工有一一对应的多个筋条单元格，所述上面板和所述下面板的内侧面筋条单元格相互对合时，可形成所述钛合金空心结构的整体外面板。

在本步骤的具体实施中，根据钛合金空心结构的数模外形，可将钛合金空心结构分半进行相应面板的加工，加工出的对开结构的所述上面板内侧面的筋条与所述下面板内侧面的筋条位置相对应，以保证上面板和下面板对合后符合需制备的钛合金空心结构对面板的要求。需要说明的是，在上面板和下面板的侧面相对合的位置均预留有进气口。

步骤S120为加工箔材芯板，参见图2所示，加工出具有矩形镂空结构的钛合金箔材芯板，所述矩形镂空结构与所述筋条单元格位置相对应。

在本步骤中，基于所述上面板和所述下面板的内侧面几何尺寸，可以采用高压水或线切割的方法加工出芯板，芯板材质为钛合金的壁板或箔材。

所述矩形镂空结构包括间隔开设的矩形镂空部分和十字型镂空部分，在每个矩形镂空部分的直角外围均设有一个十字型镂空部分，每个矩形镂空部分与十字型镂空部分之间通过实体钛合金箔材相连。

步骤S130为加工箔材中间层，参见图3所示，将钛合金箔材加工出多个矩形环，采用与所述矩形镂空结构数量相同的矩形环作为箔材中间层，用于放置在所述矩形镂空结构的外侧。

在本步骤中，所述矩形环的外形边缘尺寸大于所述矩形镂空部分，且边缘不超过十字型镂空部分。

步骤S140为加工箔材最外层，参见图4所示，将钛合金箔材加工出多个与所述矩形环大小相当的矩形块，采用与所述矩形环数量相同的矩形块作为箔材最外层，用于放置在所述箔材中间层的外层，覆盖所述箔材芯板和所述矩形环的镂空部分。

步骤S150为制备波纹状内包套预制坯，基于扩散连接要求，在所述箔材芯板、矩形环、矩形块的非连接部位涂覆止焊剂后，将两层箔材芯板放置在最内层，在两层箔材芯板的两侧均由内向外依次叠层放置多层箔材中间层和单层箔材最外层，并对叠层结构的边缘进行点焊定位，然后将其放入钢包套中，在抽真空、烘焙、真空封装后，放入气体扩散炉中进行扩散连接，之后去除钢包套，在叠层结构之间预留进气口，形成波纹状内包套预制坯。在气体扩散炉中进行扩散连接时，需将炉内升温至900℃～920℃，通入压强为1.5MPa～2MPa的氩气后保温保压1h～2h。

在本步骤中，在两层所述箔材芯板涂覆止焊剂时，其中一层芯板上围绕所述矩形镂空部分的边缘外周预留有不涂止焊剂的间隙(参见图5所示)，另一层芯板上围绕所述十字型镂空部分的边缘外周预留有不涂止焊剂的间隙(参见图6所示)。

在箔材中间层涂覆止焊剂时，在所述矩形环上围绕内环边缘的外周预留有不涂止焊剂的间隙(参见图7)；或者，在所述矩形环上围绕外环边缘的外周预留有不涂止焊剂的间隙(参见图8所示)。

在箔材最外层涂覆止焊剂时，在所述矩形块上围绕矩形边缘的外周预留有不涂止焊剂的间隙(参见图9所示)。

需要说明的是，在涂覆止焊剂前需对每个芯板进行表面清洁处理，涂覆止焊剂是为了扩散连接时，使非连接部位不会扩散连接在一起，止焊剂的涂覆形式需根据空心结构的形式相应设计，本发明对此不做限制，通气孔需连通相邻两层之间的涂覆有止焊剂部位的间隙。

步骤S160为制备钛合金空心结构，参见图10～图14所示，将带有筋条单元格的下面板、波纹状内包套预制坯、带有筋条单元格的上面板，由下至上依次叠放，对边缘进行封焊，其中进气口位置不封焊，然后对波纹状内包套预制坯与上面板、下面板之间的空间进行抽真空、烘焙、封装，最后将其放入到气体扩散炉中进行升温，并将氩气通过进气口通入内部空腔进行加压，使所述多层箔材结构进行超塑成形，多层箔材结构在扩散连接处超塑成形出波纹状结构，超塑成形后形成波纹状内包套，箔材最外层完全与面板的内表面贴合后，进行保温保压，将对开的上面板和下面板在筋条处扩散连接为一体结构，制备出钛合金空心结构。

本步骤中，在气体扩散炉中超塑成形出波纹状结构时，需升温至900℃～920℃，再按照加载曲线，通入压强为1.5MPa～2MPa的氩气后保温保压1h～2h，氩气通过通气孔进入到扩散连接的预制坯内腔，使得多层箔材结构胀形，只在上、下面板之间的空腔部分胀形成形，在筋条位置处相连接的两层板因胀形而形成弧形边缘，随着加压胀形，芯板和多层箔材结构的端部扩散连接处因受压胀形为波纹形结构，这样可以大大降低超塑成形所需要的压力，胀形部分的板材厚度也较小，一般厚度为0.1mm-0.3mm，胀形后的箔材最外层与上面板和下面板的内表面贴合连接。由于数控加工的上面板和下面板厚度较厚，远大于0.1mm-0.3mm，箔材最外层在塑性成形过程中几乎不会使两个面板塌陷。在多层箔材结构超塑成形后，还需将上面板内侧面的筋条与下面板内侧面的筋条相对应扩散连接，最后制备出钛合金空心结构。本发明的无模制备方法中，面板和芯板的结构件性能高、而且可以实现大尺寸复杂型面结构件的高效率、低成本制造。

本发明的无模制备方法中，多层箔材结构的扩散连接/超塑成形都是气体扩散炉中来实现，不经制造的结构件性能高、而且可以实现大尺寸复杂型面结构件的高效率、低成本制造，与现有制造技术相比较，本发明采用的无模制备方法，具有非常显著的优势，在航空航天领域具有非常广泛的应用前景。

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 (9)

1.钛合金空心结构的无模制备方法，其特征在于，包括：

加工面板，基于钛合金空心结构的数模外形，采用数控加工方法加工出对开结构的钛合金蒙皮上面板和下面板，所述上面板和所述下面板相对的内侧面均加工有一一对应的多个筋条单元格，所述上面板和所述下面板的内侧面筋条单元格相互对合时，可形成所述钛合金空心结构的整体外面板；

加工箔材芯板，加工出具有矩形镂空结构的钛合金箔材芯板，所述矩形镂空结构与所述筋条单元格位置相对应；

加工箔材中间层，将钛合金箔材加工出多个矩形环，采用与所述矩形镂空结构数量相同的矩形环作为箔材中间层，用于放置在所述矩形镂空结构的外侧；

加工箔材最外层，将钛合金箔材加工出多个与所述矩形环大小相当的矩形块，采用与所述矩形环数量相同的矩形块作为箔材最外层，用于放置在所述箔材中间层的外层，覆盖所述箔材芯板和所述矩形环的镂空部分；

制备波纹状内包套预制坯，基于扩散连接要求，在所述箔材芯板、矩形环、矩形块的非连接部位涂覆止焊剂后，将两层箔材芯板放置在最内层，在两层箔材芯板的两侧均由内向外依次叠层放置多层箔材中间层和单层箔材最外层，并对叠层结构的边缘进行点焊定位，然后将其放入钢包套中，在抽真空、烘焙、真空封装后，放入气体扩散炉中进行扩散连接，之后去除钢包套，在叠层结构之间预留进气口，形成波纹状内包套预制坯；

制备钛合金空心结构，将带有筋条单元格的下面板、波纹状内包套预制坯、带有筋条单元格的上面板，由下至上依次叠放，对边缘进行封焊，其中进气口位置不封焊，然后对波纹状内包套预制坯与上面板、下面板之间的空间进行抽真空、烘焙、封装，最后将其放入到气体扩散炉中进行升温，并将氩气通过进气口通入内部空腔进行加压，使多层箔材结构进行超塑成形，多层箔材结构在扩散连接处超塑成形出波纹状结构，超塑成形后形成波纹状内包套，箔材最外层完全与面板的内表面贴合后，进行保温保压，将对开的上面板和下面板在筋条处扩散连接为一体结构，制备出钛合金空心结构。

2.根据权利要求1所述的钛合金空心结构的无模制备方法，其特征在于，所述加工面板的方法中，在所述上面板和下面板的侧面相对合的位置均预留有进气口。

3.根据权利要求1所述的钛合金空心结构的无模制备方法，其特征在于，所述加工箔材芯板的方法中，所述矩形镂空结构包括多个间隔开设的矩形镂空部分，在每个矩形镂空部分的直角外围均设有一个十字型镂空部分，每个矩形镂空部分与十字型镂空部分之间通过实体钛合金箔材相连。

4.根据权利要求3所述的钛合金空心结构的无模制备方法，其特征在于，所述加工箔材中间层的方法中，所述矩形环的外形边缘尺寸大于所述矩形镂空部分，且边缘不超过十字型镂空部分。

5.根据权利要求3所述的钛合金空心结构的无模制备方法，其特征在于，所述制备波纹状内包套预制坯的方法中，在两层所述箔材芯板涂覆止焊剂时，其中一层芯板上围绕所述矩形镂空部分的边缘外周预留有不涂止焊剂的间隙，另一层芯板上围绕所述十字型镂空部分的边缘外周预留有不涂止焊剂的间隙。

6.根据权利要求3所述的钛合金空心结构的无模制备方法，其特征在于，所述制备波纹状内包套预制坯的方法中，在箔材中间层涂覆止焊剂时，在所述矩形环上围绕内环边缘的外周预留有不涂止焊剂的间隙；或者，在所述矩形环上围绕外环边缘的外周预留有不涂止焊剂的间隙。

7.根据权利要求3所述的钛合金空心结构的无模制备方法，其特征在于，所述制备波纹状内包套预制坯的方法中，在箔材最外层涂覆止焊剂时，在所述矩形块上围绕矩形边缘的外周预留有不涂止焊剂的间隙。

8.根据权利要求1所述的钛合金空心结构的无模制备方法，其特征在于，所述制备波纹状内包套预制坯的方法中，在气体扩散炉中进行扩散连接时，需将炉内升温至900℃～920℃，通入压强为1.5MPa～2MPa的氩气后保温保压1h～2h。

9.根据权利要求1所述的钛合金空心结构的无模制备方法，其特征在于，所述制备钛合金空心结构的方法中，在气体扩散炉中超塑成形出波纹状结构时，需将炉内升温至900℃～920℃，通入压强为1.5MPa～2MPa的氩气后保温保压1h～2h。

Images