CN109955042B - 钛合金空心结构的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钛合金空心结构的制备方法。钛合金空心结构包括中间芯体和两侧面板，该钛合金空心结构的制备方法包括：在空心结构的预制坯上面板和下面板外侧分别放置相应的上模具组件和下模具组件，所述上模具组件和所述下模具组件均包括可拆卸的模具和模具包套，所述模具的内侧面与相应侧的面板外表面相适配，用于在成形时平衡施加的压力，防止塌陷，所述模具包套为半开式结构，用于将相应侧的所述模具包覆在其内，半开式结构的模具包套的边缘与上面板或下面板的边缘封焊在一起，其中所述模具的厚度大于所述模具包套的厚度。

Description

钛合金空心结构的制备方法

技术领域

本发明涉及超塑成形/扩散连接技术领域，特别是涉及一种钛合金空心结构的制备方法。

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制备方法，通过在预制坯的上面板和下面板外侧分别放置相应的上模具组件和下模具组件，形成了有模预制坯，在扩散连接时，气压载荷通过模具传递到内部的零件上，防止结构发生塌陷。

本发明的实施例提出了一种钛合金空心结构的制备方法，所述钛合金空心结构包括中间芯体和两侧面板该方法，该制备方法包括：

在空心结构的预制坯上面板和下面板外侧分别放置相应的上模具组件和下模具组件，所述上模具组件和所述下模具组件均包括可拆卸的模具和模具包套，所述模具的内侧面与相应侧的面板外表面相适配，用于在成形时平衡施加的压力，防止塌陷，所述模具包套为半开式结构，用于将相应侧的所述模具包覆在其内，半开式结构的模具包套的边缘与上面板或下面板的边缘封焊在一起，其中所述模具的厚度大于所述模具包套的厚度。

在第一种可能的实现方式中，所述制备方法包括：

制备面板和芯体，加工出用于制备钛合金空心结构的所述上面板、下面板和芯体，所述上面板和下面板均为具有预定厚度的钛合金平板，所述芯体为具有预定厚度的镂空网格板；

制备面板和芯体的预制坯，将下面板、芯体和上面板从下至上叠层，对叠层后的多层结构的四周封焊，并留有通气孔，形成面板和芯体的预制坯；

包覆模具，在所述预制坯上面板和下面板外侧分别放置相应的所述上模具组件和所述下模具组件，其中，所述模具的所有外表面均涂覆有止焊剂，然后进行抽真空后封装，获得真空封装后的预制坯；

扩散连接，将真空封装后的预制坯放入到气体扩散炉或热等静压炉中升温加压，使所述上面板、下面板分别和所述芯体进行扩散连接；

钛合金空心结构加工，对扩散连接后的预制坯进行数控加工，去除模具包套后取出相应模具，然后对钛合金空心结构的上、下表面进行数控加工，制备出钛合金空心结构。

在第二种可能的实现方式中，所述制备方法包括：

制备面板和芯体的预制坯，采用数控加工的方法加工出两个对开式的内侧面带筋条结构面板，外侧面为平面或曲面，将两者内侧面的筋条结构对接在一起形成预制坯的芯体，外侧面分别为预制坯的上面板和下面板，然后进行封焊；

包覆模具，在所述上面板和所述下面板外侧分别放置相应的所述上模具组件和所述下模具组件，其中，所述模具的所有外表面均涂覆有止焊剂，然后进行抽真空后封装，获得真空封装后的预制坯；

扩散连接，将真空封装后的预制坯放入到气体扩散炉或热等静压炉中升温加压，使所述上面板、下面板分别和所述芯体进行扩散连接；

钛合金空心结构加工，对扩散连接后的预制坯进行数控加工，去除模具包套后取出相应模具，然后对钛合金空心结构的上、下表面进行数控加工，制备出钛合金空心结构。

在第三种可能的实现方式中，所述制备方法包括：

制备面板和芯板，加工出用于制备钛合金空心结构的所述上面板、下面板和芯板，所述上面板、下面板和芯板均为具有预定厚度的钛合金平板，所述上面板和下面板为槽型框板结构；

芯板扩散连接，将两个或两个以上的芯板非连接面涂敷止焊剂后叠层，经过封焊、真空封装后，使叠层的芯板进行扩散连接，然后将扩散连接的叠层芯板的封口打开，作为后续超塑成形的进气口；

制备面板和芯板的预制坯，将下面板、扩散连接后的叠层芯板和上面板从下至上叠层，并进行封焊，在封焊时，预留出所述进气口的位置；

包覆模具，在所述预制坯上面板和下面板外侧分别放置相应的所述上模具组件和所述下模具组件，其中，所述模具的所有外表面均涂覆有止焊剂，然后进行抽真空后封装，获得真空封装后的预制坯；

超塑成形，将真空封装后的预制坯放入到气体扩散炉或热等静压炉中，加载气压，气体通过所述进气口进入到扩散连接的芯板之间，进行超塑成形为三维芯体结构，超塑成形后的芯板与面板内侧接触，通过扩散连接与面板内侧连接在一起，制备出钛合金空心结构，环境温度为820℃～860℃，所述有模预制坯受外部的压强为2MPa～10MPa，在该温度和压强条件下保温保压2h～4h进行超塑成形；

钛合金空心结构加工，对超塑成形后的预制坯进行数控加工，去除模具包套后取出相应模具，然后对钛合金空心结构的上、下表面进行数控加工，制备出钛合金空心结构。

进一步地，所述扩散连接的方法中，扩散连接时的环境温度为900℃～920℃，所述有模预制坯受外部的压强为2MPa～10MPa，在该温度和压强条件下保温保压1h～2h进行扩散连接。

综上，本发明提出了钛合金空心结构的制备方法，其核心思想是在预制坯的上面板和下面板外侧包覆模具组件，形成具有内置模的有模预制坯，然后将有模预制坯整体放置在气体扩散炉中，在预定的扩散连接和/或超塑成形的温度和压强的环境下，进行相应的扩散连接和/或超塑成形，最终制备出满足预定要求的钛合金空心结构后拆除模具。本发明通过包覆模具的方法，这样在外部施加气压进行扩散连接时，气压载荷通过内置的模具传递到内部需扩散连接的面板及芯体上，解决了零件因载荷太大导致变形的问题，而且在扩散连接零件内部时不需要充填氩气类高压气体，从而大大提高了扩散连接的质量和效率。此外，采用包覆模具的方式，在超塑成形四层结构时，成形三角区中是真空状态，扩散连接质量高，结构件性能优异。

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是实施例1中面板与芯体扩散连接原理图。

图2是实施例2中对开式零件扩散连接原理图。

图3是开式蒙皮带筋条结构扩散连接后的示意图。

图4是扩散连接后去除模具后的钛合金空心结构。

图5是实施例3的芯板及止焊剂涂覆图形示意图。

图6是实施例3在包覆模具后的示意图。

图7～图9是实施例3中芯板层超塑成形的三个阶段示意图。

图10是实施例3成形后去除模具的钛合金空心结构。

图中：1-模具包套；2-模具；3-上面板；4-芯体；5-下面板；6-内侧面带筋条结构面板；7-槽型框板结构的上面板；8-芯板；9-槽型框板结构的下面板

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操作方式的任何修改、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制备方法，图1所示为面板与芯体扩散连接原理图，该钛合金空心结构包括中间芯体4和两侧面板(上面板3和下面板5)，该制备方法包括：在空心结构的预制坯上面板3和下面板5外侧分别放置相应的上模具组件和下模具组件，所述上模具组件和所述下模具组件均包括可拆卸的模具2和模具包套1，所述模具的内侧面与相应侧的面板外表面相适配，用于在成形时平衡施加的压力，防止塌陷，所述模具包套为半开式结构，用于将相应侧的所述模具包覆在其内，半开式结构的模具包套的边缘与上面板或下面板的边缘封焊在一起，其中所述模具的厚度大于所述模具包套的厚度。本发明通过在面板外和包套内包覆模具，在制备时形成了内置模的有模预制坯，可以在成形时承载并平衡压力，避免钛合金结构变形，防止发生塌陷问题。

实施例1，参见图1所示，该制备方法至少包括下步骤S110～步骤S150：

步骤S110为制备面板和芯体，加工出用于制备钛合金空心结构的所述上面板、下面板和芯体，所述上面板和下面板均为具有预定厚度的钛合金平板，所述芯体为具有预定厚度的镂空网格板。

在本步骤的具体实施中，可采用数控加工、高压水切割或线切割的方法，加工钛合金材质的所述上面板、所述下面板和所述芯体。还需对加工出的所述上面板、所述下面板和所述芯体进行表面清洁处理，具体可以采用化洗方式对加工出的各个钛合金板的表面进行除油除尘等处理，以提高后续扩散连接质量和效率。需要说明的是，本步骤中，加工好的芯体结构满足需制备的钛合金空心结构对芯体结构的要求。

步骤S120为制备面板和芯体的预制坯，将下面板、芯体和上面板从下至上叠层，对叠层后的多层结构的四周封焊，并留有通气孔，形成面板和芯体的预制坯。

步骤S130为包覆模具，在预制坯的上面板和下面板外侧分别放置相应的所述上模具组件和所述下模具组件，其中，所述模具的所有外表面均涂覆有止焊剂，然后进行抽真空后封装，获得真空封装后的预制坯。

在本步骤中，需根据上面板和下面板的结构形式，预先制备相应的扩散连接模具，使扩散连接模具的内表面与相应的上面板和下面板的外表面很好的贴合，在扩散连接模具的外部包覆金属模具包套以固定模具，将模具与叠层的预制坯包覆起来，能够使模具更好的包覆在上面板和下面板的外部，包覆的模具包套采用钛合金板材。

步骤S140为扩散连接，将真空封装后的预制坯放入到气体扩散炉或热等静压炉中升温加压，使所述上面板、下面板分别和所述芯体进行扩散连接。

步骤S150为钛合金空心结构加工，对扩散连接后的预制坯进行数控加工，去除模具包套后取出相应模具，然后对钛合金空心结构的上、下表面进行数控加工，制备出钛合金空心结构。

实施例2，参见图2所示的采用对开式零件扩散连接原理图，该制备方法至少包括下步骤S110～步骤S140：

步骤S110为制备面板和芯体的预制坯，采用数控加工的方法加工出两个对开式的内侧面带筋条结构面板，外侧面为平面或曲面，将两者内侧面的筋条结构对接在一起形成预制坯的芯体，外侧面分别为预制坯的上面板和下面板，然后进行封焊。需要说明的是，该实施例中，只需加工两个对开式的内侧面带筋条结构面板，不需要分开加工面板和芯板，成形时只需将两个加工好的内侧面筋条对接就能形成空心结构的芯体，而两个外侧面形成了空心结构的两侧面板，大大提高了成形精度和质量，有效预防了成形中因施压不稳定导致的面板塌陷问题。

步骤S120为包覆模具，在所述上面板和所述下面板外侧分别放置相应的所述上模具组件和所述下模具组件，其中，所述模具的所有外表面均涂覆有止焊剂，然后进行抽真空后封装，获得真空封装后的预制坯。

步骤S130为扩散连接，将真空封装后的预制坯放入到气体扩散炉或热等静压炉中升温加压，使所述上面板、下面板分别和所述芯体进行扩散连接。成形为如图3所示的空心结构。

步骤S140为钛合金空心结构加工，对扩散连接后的预制坯进行数控加工，去除模具包套后取出相应模具，然后对钛合金空心结构的上、下表面进行数控加工，制备出钛合金空心结构。

需要说明的是，在本实施例中，将钛合金空心结构按照对开式零件加工，也就是加工出两个对开式的内侧面带筋条结构面板，内侧面筋条结构连接后中间形成整体筋条结构形成待制备的钛合金空心结构的芯体结构。成形的芯体与上、下面板为一体结构，形成了钛合金的空心结构(参见图4所示)。

实施例3，参见图5～图10，该制备方法至少包括下步骤S110～步骤S160：

步骤S110为制备面板和芯板，加工出用于制备钛合金空心结构的所述上面板、下面板和芯板，所述上面板、下面板和芯板均为具有预定厚度的钛合金平板(参见图6中芯板8)，所述上面板和下面板为槽型框板结构(参见图6中槽型框板结构的上面板7和槽型框板结构的下面板9)。

步骤S120为芯板扩散连接，将两个或两个以上的芯板非连接面涂敷止焊剂后叠层，经过封焊、真空封装后，使叠层的芯板进行扩散连接，然后将扩散连接的叠层芯板的封口打开，作为后续超塑成形的进气口。

在本步骤中，参见图5所示的芯板及止焊剂涂覆图形，可以采用一层或者一层以上的多层芯板叠层在所述上面板和所述下面板之间，具体根据需要制备的钛合金空心结构的要求选用相应层数的芯板。此外，涂覆止焊剂是为了在扩散连接时，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，进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S130为制备面板和芯板的预制坯，将下面板、扩散连接后的叠层芯板和上面板从下至上叠层，并进行封焊，在封焊时，预留出所述进气口的位置。

步骤S140为包覆模具，在所述预制坯上面板和下面板外侧分别放置相应的所述上模具组件和所述下模具组件，其中，所述模具的所有外表面均涂覆有止焊剂，然后进行抽真空后封装，获得真空封装后的预制坯。参见图6所示为该步骤完成后的示意图。

步骤S150为超塑成形，将真空封装后的预制坯放入到气体扩散炉或热等静压炉中，加载气压，气体通过所述进气口进入到扩散连接的芯板之间，进行超塑成形为三维芯体结构，超塑成形后的芯板与面板内侧接触，通过扩散连接与面板内侧连接在一起，制备出钛合金空心结构，环境温度为820℃～860℃，所述有模预制坯受外部的压强为2MPa～10MPa，在该温度和压强条件下保温保压2h～4h进行超塑成形。参见图7～图9为超塑成形的三个阶段示意图。

步骤S160为钛合金空心结构加工，对超塑成形后的预制坯进行数控加工，去除模具包套后取出相应模具，然后对钛合金空心结构的上、下表面进行数控加工，制备出钛合金空心结构。参加图10为成形后去除模具的钛合金空心结构示意图。

需要说明的是，在以上实施例的扩散连接方法中，扩散连接时的环境温度为900℃～920℃，所述有模预制坯受外部的压强为2MPa～10MPa，在该温度和压强条件下保温保压1h～2h进行扩散连接。

在超塑成形的方法中，超塑成形时的环境温度为820℃～860℃，所述有模预制坯的通气孔通入压强为2MPa～10MPa的氩气，在该温度和压强条件下保温保压2h～4h进行扩散连接，形成钛合金空心结构。

本发明采用气体扩散炉加压，加载方向垂直于预制坯的外表面，加载零件的侧面以及模具侧面有气体压力，不会导致其模具受到的载荷条件比较恶劣，从而大大提高了模具的使用寿命。超塑成形时，成形的预制坯面板和芯板的平面可以垂直放置，而不会导致芯板塌陷，不容易出现沟槽问题。采用气体扩散炉加压，不会受液压机吨位和台面尺寸的限制，可以一次成形多个零件，随着扩散连接模具尺寸的增加，对设备的要求不会提高。

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 (5)

1.钛合金空心结构的制备方法，所述钛合金空心结构包括中间芯体和两侧面板，其特征在于，所述制备方法包括：

在空心结构的预制坯上面板和下面板外侧分别放置相应的上模具组件和下模具组件，所述上模具组件和所述下模具组件均包括可拆卸的模具和模具包套，所述模具的内侧面与相应侧的面板外表面相适配，用于在成形时平衡施加的压力，防止塌陷，所述模具包套为半开式结构，用于将相应侧的所述模具包覆在其内，半开式结构的模具包套的边缘与上面板或下面板的边缘封焊在一起，其中所述模具的厚度大于所述模具包套的厚度。

2.根据权利要求1所述的钛合金空心结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

制备面板和芯体，加工出用于制备钛合金空心结构的所述上面板、下面板和芯体，所述上面板和下面板均为具有预定厚度的钛合金平板，所述芯体为具有预定厚度的镂空网格板；

制备面板和芯体的预制坯，将下面板、芯体和上面板从下至上叠层，对叠层后的多层结构的四周封焊，并留有通气孔，形成面板和芯体的预制坯；

包覆模具，在所述预制坯上面板和下面板外侧分别放置相应的所述上模具组件和所述下模具组件，其中，所述模具的所有外表面均涂覆有止焊剂，然后进行抽真空后封装，获得真空封装后的预制坯；

扩散连接，将真空封装后的预制坯放入到气体扩散炉或热等静压炉中升温加压，使所述上面板、下面板分别和所述芯体进行扩散连接；

钛合金空心结构加工，对扩散连接后的预制坯进行数控加工，去除模具包套后取出相应模具，然后对钛合金空心结构的上、下表面进行数控加工，制备出钛合金空心结构。

3.根据权利要求1所述的钛合金空心结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

制备面板和芯体的预制坯，采用数控加工的方法加工出两个对开式的内侧面带筋条结构面板，外侧面为平面或曲面，将两者内侧面的筋条结构对接在一起形成预制坯的芯体，外侧面分别为预制坯的上面板和下面板，然后进行封焊；

包覆模具，在所述上面板和所述下面板外侧分别放置相应的所述上模具组件和所述下模具组件，其中，所述模具的所有外表面均涂覆有止焊剂，然后进行抽真空后封装，获得真空封装后的预制坯；

扩散连接，将真空封装后的预制坯放入到气体扩散炉或热等静压炉中升温加压，使所述上面板、下面板分别和所述芯体进行扩散连接；

钛合金空心结构加工，对扩散连接后的预制坯进行数控加工，去除模具包套后取出相应模具，然后对钛合金空心结构的上、下表面进行数控加工，制备出钛合金空心结构。

4.根据权利要求1所述的钛合金空心结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

制备面板和芯板，加工出用于制备钛合金空心结构的所述上面板、下面板和芯板，所述上面板、下面板和芯板均为具有预定厚度的钛合金平板，所述上面板和下面板为槽型框板结构；

芯板扩散连接，将两个或两个以上的芯板非连接面涂敷止焊剂后叠层，经过封焊、真空封装后，使叠层的芯板进行扩散连接，然后将扩散连接的叠层芯板的封口打开，作为后续超塑成形的进气口；

制备面板和芯板的预制坯，将下面板、扩散连接后的叠层芯板和上面板从下至上叠层，并进行封焊，在封焊时，预留出所述进气口的位置；

包覆模具，在所述预制坯上面板和下面板外侧分别放置相应的所述上模具组件和所述下模具组件，其中，所述模具的所有外表面均涂覆有止焊剂，然后进行抽真空后封装，获得真空封装后的预制坯；

超塑成形，将真空封装后的预制坯放入到气体扩散炉或热等静压炉中，加载气压，气体通过所述进气口进入到扩散连接的芯板之间，进行超塑成形为三维芯体结构，超塑成形后的芯板与面板内侧接触，通过扩散连接与面板内侧连接在一起，制备出钛合金空心结构，环境温度为820℃～860℃，所述预制坯受外部的压强为2MPa～10MPa，在该温度和压强条件下保温保压2h～4h进行超塑成形；

钛合金空心结构加工，对超塑成形后的预制坯进行数控加工，去除模具包套后取出相应模具，然后对钛合金空心结构的上、下表面进行数控加工，制备出钛合金空心结构。

5.根据权利要求2～4任一项所述的钛合金空心结构的制备方法，其特征在于，所述扩散连接的方法中，扩散连接时的环境温度为900℃～920℃，所述预制坯受外部的压强为2MPa～10MPa，在该温度和压强条件下保温保压1h～2h进行扩散连接。

Images