CN110328495A - 一种Ti2AlNb基合金蜂窝结构的制造方法以及Ti2AlNb基合金蜂窝结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于轻质结构件热成形技术领域,具体涉及一种Ti2AlNb基合金蜂窝结构的制造方法以及Ti2AlNb基合金蜂窝结构,在扩散连接过程中采用刚性模具进行施压,可施加远大于气体压力的压紧力,增大了扩散连接压力,保证了连接界面的连接质量,并且,为进一步保证接界面的连接质量,在面板的外侧设置箔材,利用箔材在扩散连接部位补偿止焊剂带来的高度间隙,将刚性压紧力主要集中于扩散连接部位,非扩散连接部位塑性变形和施加的压紧力减小,使得总的压紧力减小,且在采用刚性模具进行加压的过程中,面板外侧的箔材能够将塑性变形主要集中在扩散连接部位,即扩散连接部位的厚度方向变形量仅为箔材的厚度,避免了扩散连接部位以及其他部位的过大塑性变形。
Description
技术领域
本发明属于轻质结构件热成形技术领域,具体涉及一种Ti2AlNb蜂窝结构的制造方法以及Ti2AlNb蜂窝结构。
背景技术
Ti2AlNb基合金由于良好的综合力学性能(高的比强度、比刚度)、好的抗氧化能力和高的高温蠕变抗力,具有广阔应用前景,已经成为最具潜力的航空航天高温结构材料。而超塑成形是Ti2AlNb基合金结构件成形的理想工艺。多层中空结构由于具有轻质(材料减重)高强(结构稳定性好、弯曲刚度高、能量吸收能力强)的特点,在航空航天领域得到广泛的应用。将Ti2AlNb基合金应用于多层结构,具有重要意义。
Ti2AlNb基合金的连接方法有很多,均能实现良好的连接,其中扩散连接由于不存在冶金熔化焊接的缺陷、接头无残余应力、仅在连接局部微区产生塑性变形、可获得与母材性能相近的接头等优点,且扩散连接温度与超塑成形温度相近,可将之与超塑成形技术很好的结合在一起。
现有技术中,授权公告号为CN101028750B的专利文献提供了一种钛合金蜂窝板的制造方法,在该制造方法中的扩散连接步骤中提到:在5分钟内使模具压边力达到650吨,然而Ti2AlNb基合金由于扩散性能较差,扩散连接所需压力大(≥10MPa),热成形温度高(970℃左右),在该专利文献中公开的制造方法中,由于面板及芯板上的止焊剂为间隔涂抹,进而使用于进行扩散连接的区域具有一定间隙。而Ti2AlNb基合金高温强度大、扩散所需压力大,若直接采用刚性模具进行压制易出现间隙处的上下层无法接触或是接触效果较差进而难以实现间隙处的良好扩散连接。
因此,需要研发一种效果更好的Ti2AlNb基合金蜂窝结构的制造方法。
发明内容
本发明提供一种Ti2AlNb基合金蜂窝结构的制造方法以及Ti2AlNb基合金蜂窝结构,以解决现有技术中扩散连接过程中出现的因间隙处的上、下层无法接触或是接触效果较差进而难以实现间隙处的扩散连接的问题。
本发明的一种Ti2AlNb基合金蜂窝结构的制造方法采用如下技术方案:一种Ti2AlNb基合金蜂窝结构的制造方法,包含下列步骤:(1)表面处理、(2)涂止焊剂、(3)封边焊接、(4)扩散连接、(5)超塑成形,沿上下方向层叠放置的、两层以上的Ti2AlNb基合金板料进行封边焊接后形成层叠板结构,位于上下两端的Ti2AlNb基合金板料构成蜂窝结构的面板,位于两层面板之间的Ti2AlNb基合金板料构成蜂窝结构的芯板,在进行所述扩散连接时:所述层叠板结构任意两层板料之间的用于进行焊接的扩散连接区域具有间隙,在两层面板外侧于与所述间隙上下方向对应的位置处放置用于在采用刚性模具进行加压过程中将压力集中在所述间隙位置处的箔材。
优选地,沿上下方向相对应的两层面板外侧的箔材总厚度大于该位置处层叠板结构中任意两层板料之间的间隙总和的尺寸。
优选地,所述扩散连接步骤中的箔材为钛箔。
优选地,在涂止焊剂时,止焊剂的涂抹厚度为0.1mm-0.15mm。
优选地,所述Ti2AlNb基合金板料的厚度为0.8mm-2.0mm。
优选地,在进行扩散连接时,将放置完箔材的层叠板结构放置在刚性模具中,并在温度为950℃-1000℃的条件下进行预热,待温度恒定后,对所述面板外侧设置有箔材的位置处施加15MPa-20MPa的压力,恒温、恒压2-3小时。
优选地,在进行超塑成形时,将经过扩散连接的层叠板结构放置在相应的超塑成形模具中,并在温度为950℃-1000℃的条件下进行预热,待温度恒定后,将惰性气体通入至层叠板结构的间隙中,并逐步增大惰性气体的压力至2MPa-2.5MPa,使面板贴合超塑成形模具内表面即实现了蜂窝成型。
优选地,所述层叠板结构的层数为4层。
本发明的Ti2AlNb基合金蜂窝结构采用如下技术方案:Ti2AlNb基合金蜂窝结构,所述Ti2AlNb基合金蜂窝结构采用上述一种Ti2AlNb基合金蜂窝结构的制造方法加工而成,具体方法不再赘述。
本发明的有益效果是:
采用本发明提供的该成形方法,在扩散连接过程中采用刚性模具进行施压,可施加远大于气体压力的压紧力,增大了扩散连接压力,保证了连接界面的连接质量,并且,为进一步保证接界面的连接质量,在面板的外侧设置箔材,利用箔材在扩散连接部位补偿止焊剂带来的高度间隙,将刚性压紧力主要集中于扩散连接部位,非扩散连接部位塑性变形和施加的压紧力减小,使得总的压紧力减小,且在采用刚性模具进行加压的过程中,面板外侧的箔材能够将塑性变形主要集中在扩散连接部位,即扩散连接部位的厚度方向变形量仅为箔材的厚度,避免了扩散连接部位以及其他部位的过大塑性变形。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中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性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种Ti2AlNb基合金蜂窝结构的制造方法的具体实施例的结构示意图;
图2为图1中A处放大图;
图3为本发明的一种Ti2AlNb基合金蜂窝结构的制造方法的扩散连接步骤中箔材放置的具体实施例的结构示意图;
图4为本发明的一种Ti2AlNb基合金蜂窝结构的制造方法的超塑成形步骤中与超塑成形模具的装配示意图;
图5采用本发明提供的方法所制得的Ti2AlNb基合金蜂窝结构;
附图标记:
1:面板;2:芯板;3:止焊剂;4:扩散连接区域;5:封边焊接;6:箔材;7:上模具;8:下模具;9:上成形模具;10:下成形模具;11:蜂窝腔体。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进,因此本发明不受下面公开的基体实施的限制。
需要说明的是,当元件被称为“固定于”另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表达只是为了说明的目的,并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明的一种Ti2AlNb基合金蜂窝结构的制造方法的实施例,如图1至图5所示,一种Ti2AlNb基合金蜂窝结构的制造方法包含下列步骤:包含下列步骤:(1)表面处理、(2)涂止焊剂、(3)封边焊接、(4)扩散连接、(5)超塑成形,沿上下方向层叠放置的、两层以上的Ti2AlNb基合金板料进行封边焊接后形成层叠板结构,位于上下两端的Ti2AlNb基合金板料构成蜂窝结构的面板,位于两层面板之间的Ti2AlNb基合金板料构成蜂窝结构的芯板,在进行所述扩散连接时:层叠板结构任意两层板料之间的用于进行焊接的扩散连接区域具有间隙,即扩散连接区域4,在两层面板1外侧于与所述间隙上下方向对应的位置处放置用于在采用刚性模具进行加压过程中将压力集中在间隙位置处的箔材6。
采用本发明提供的该制造方法,在扩散连接过程中采用刚性模具进行施压,可施加远大于气体压力的压紧力,增大了扩散连接压力,保证了连接界面的连接质量,并且,为进一步保证接界面的连接质量,在面板1的外侧设置箔材6,利用箔材6在扩散连接部位补偿止焊剂3带来的高度间隙,将刚性压紧力主要集中于扩散连接部位,非扩散连接部位塑性变形和施加的压紧力减小,使得总的压紧力减小,且在采用刚性模具进行加压的过程中,面板1外侧的箔材6能够将塑性变形主要集中在扩散连接部位,即扩散连接部位的厚度方向变形量仅为箔材6的厚度,避免了扩散连接部位以及其他部位的过大塑性变形。
进一步地,沿上下方向相对应的两层面板1外侧的箔材6总厚度大于该位置处层叠板结构中任意两层板料之间的间隙总和的尺寸,在涂抹止焊剂3时,两层板料之间的止焊剂3间隔涂抹,相邻的由两个板料形成的两个间隔的止焊剂3交错分布,进而形成交替的蜂窝腔体11,且止焊剂3的宽度大于扩散连接区域4的宽度,进而出现层叠板结构的一些位置处的扩散连接区域4为两层,一些是一层,此时,可仅在一层扩散连接区域4处对应的两个面板1中的一个面板1的外侧设置箔材6,或是,在两个面板1外侧均设置厚度较小的箔材6。
进一步地,箔材6为钛箔,钛箔能够承受Ti2AlNb基合金蜂窝结构制造过程中温度和压力。
进一步地,止焊剂3的厚度为0.1mm-0.15mm,本实施例中止焊剂3的涂抹厚度为0.1mm,层叠板结构的层数为4层,其中,位于外侧的两层为面板1,位于两层面板1中间的板料构成蜂窝结构的芯板2。
进一步地,Ti2AlNb基合金板料的厚度为0.8mm-2.0mm,具体来讲,本实施例中Ti2AlNb基合金板料的厚度为1mm。
进一步地,在进行扩散连接时,将放置完箔材的层叠板结构放置在刚性模具中,并在温度为950℃-1000℃的条件下进行预热,待温度恒定后,对面板外侧设置有箔材的位置处(即扩散连接区域)施加15MPa-20MPa的压力,恒温、恒压2-3小时;本实施例中,采用Ti2AlNb基合金板料制作蜂窝结构时,将放置完箔材6的层叠板结构放置在刚性模具中,并设置温度970℃进行预热,待温度恒定后,对面板外侧设置有箔材的位置处(即扩散连接区域)施加15MPa的压力,恒温、恒压2小时。
进一步地,超塑成形步骤为:将经过扩散连接的层叠板结构放置在超塑成形模具中,并设置温度950℃-1000℃进行预热,待温度恒定后,将惰性气体通入至层叠板结构的间隙中,并逐步增大惰性气体的压力至2.0MPa-2.5MPa,使面板1贴合超塑成形模具内表面即实现了蜂窝成型,具体地说,本实施例中的惰性气体压力增大至2.5MPa,采用Ti2AlNb基合金板料制造蜂窝结构时,超塑成形步骤中的预热温度为970℃。
进一步地,本实施例中层叠板结构的层数为4层。
值得说明的是,本实施例中的表面处理步骤为:将用于构成Ti2AlNb基合金蜂窝结构的板料浸泡在酸性溶液中进行酸化处理,将经过酸化处理后的板材采用酒精擦拭,烘干备用;在涂抹止焊剂3时,相应板料上的止焊剂3呈间隔分布的带状结构,以便于在进行超塑成形时,未涂有止焊剂3的区域形成均匀分布的蜂窝空腔;本实施例中的层叠板结构的封边位置处设有用于对层叠板结构中的间隙进行抽气、充气的气体交换嘴,以便于在进行扩散连接时通过气体交换嘴将层叠板结构抽成真空状态,在进行超塑成形时通过气体交换嘴向层叠板结构中充入惰性气体;在完成扩散连接后,将放置在面板1外侧的箔材6敲打下来即可。
在本实施例中,刚性模具为包括上模具7和下模具8,且上模具7和下模具8均具有与两层面板1贴合的水平模压面,在进行扩散连接时,将层叠板结构放置在上模具7和下模具8之间,由于Ti2AlNb基合金的强度非常大,采用气体压强进行扩散连接无法满足其强度要求,且15MPa的气体压强进行扩散连接时易发生爆炸等安全隐患,因此,本发明采用刚性模具进行层叠板结构的扩散连接,不仅能够满足Ti2AlNb基合金的强度需求,还具有安全性好的优点。
进一步地,超塑成形模具包括均具有凹槽的上成形模具9、下成形模具10,且上成形模具9、下成形模具10的凹槽相对设置进而使超塑成形模具具有用于使层叠板结构进行蜂窝成型操作的空腔。
需要说明的是,在本发明的其他实施例中,箔材还可以是不锈钢材质的,或是能够承受扩散连接步骤中温度、压力的其他材质;止焊剂3的厚度为0.1mm或0.15mm;Ti2AlNb基合金板料的厚度可以是0.8mm,也可以是2.0mm;板料可以是6层或是3层的;对刚性模具施加压力可以是15MPa,或是20MPa;扩散连接的温度可以是950℃或1000℃;超塑成形步骤中的惰性气体的压力增大至2.5MPa或2MPa;采用本发明所提供的Ti2AlNb基合金蜂窝结构的制造方法还可以对TiAl基合金板料、高温合金板料进行扩散连接或制作蜂窝机构,板料的材质还可以是其他在气体压力下扩散连接质量较差的板料。
本发明的Ti2AlNb基合金蜂窝结构的实施例,Ti2AlNb基合金蜂窝结构,该Ti2AlNb基合金蜂窝结构采用上述一种Ti2AlNb基合金蜂窝结构制造方法加工而成,具体方法不再赘述,本实施例中的Ti2AlNb基合金蜂窝结构为四层结构,如图5所示。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种Ti2AlNb基合金蜂窝结构的制造方法,包含下列步骤:(1)表面处理、(2)涂止焊剂、(3)封边焊接、(4)扩散连接、(5)超塑成形,沿上下方向层叠放置的、两层以上的Ti2AlNb基合金板料进行封边焊接后形成层叠板结构,位于上下两端的Ti2AlNb基合金板料构成蜂窝结构的面板,位于两层面板之间的Ti2AlNb基合金板料构成蜂窝结构的芯板,其特征在于,在进行所述扩散连接时:所述层叠板结构任意两层板料之间的用于进行焊接的扩散连接区域具有间隙,在两层面板外侧于与所述间隙上下方向对应的位置处放置用于在采用刚性模具进行加压过程中将压力集中在所述间隙位置处的箔材。
2.根据权利要求1所述的一种Ti2AlNb基合金蜂窝结构的制造方法,其特征在于,沿上下方向相对应的两层面板外侧的箔材总厚度大于该位置处层叠板结构中任意两层板料之间的间隙总和的尺寸。
3.根据权利要求2所述的一种Ti2AlNb基合金蜂窝结构的制造方法,其特征在于,所述扩散连接步骤中的箔材为钛箔。
4.根据权利要求3所述的一种Ti2AlNb基合金蜂窝结构的制造方法,其特征在于,在涂止焊剂时,止焊剂的涂抹厚度为0.1mm-0.15mm。
5.根据权利要求4所述的一种Ti2AlNb基合金蜂窝结构的制造方法,其特征在于,所述Ti2AlNb基合金板料的厚度为0.8mm-2.0mm。
6.根据权利要求5所述的一种Ti2AlNb基合金蜂窝结构的制造方法,其特征在于,在进行扩散连接时,将放置完箔材的层叠板结构放置在刚性模具中,并在温度为950℃-1000℃的条件下进行预热,待温度恒定后,对所述面板外侧设置有箔材的位置处施加15MPa-20MPa的压力,恒温、恒压2-3小时。
7.根据权利要求6所述的一种Ti2AlNb基合金蜂窝结构的制造方法,其特征在于,在进行超塑成形时,将经过扩散连接的层叠板结构放置在相应的超塑成形模具中,并在温度为950℃-1000℃的条件下进行预热,待温度恒定后,将惰性气体通入至层叠板结构的间隙中,并逐步增大惰性气体的压力至2MPa-2.5MPa,使面板贴合超塑成形模具内表面即实现了蜂窝成型。
8.根根据权利要求7所述的一种Ti2AlNb基合金蜂窝结构的制造方法,其特征在于,所述层叠板结构的层数为4层。
9.Ti2AlNb基合金蜂窝结构,其特征在于,所述Ti2AlNb基合金蜂窝结构采用权利要求1至8任意一项中的一种Ti2AlNb基合金蜂窝结构的制造方法加工而成。
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