CN110480279A - 一种钛合金变壁厚空心主动冷却舱体制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于舱体制备技术领域，具体涉及一种结构功能一体化的钛合金变壁厚空心主动冷却舱体制备方法，本方法采用钛合金板坯制备筒形管坯，然后超塑成形/扩散连接技术一次成形变壁厚空心主动冷却舱体制备方法，这种方法一次成形出360°回转形舱体，内部带空心主动冷却通道，零件成形精度高，零件整体性好，实现了零件结构和功能一体化。本发明提出的冷却结构空心舱体，由于是空心夹层结构，因此其强度刚度高，重量轻。由于带主动冷却结构，因而可实现主动冷却，而且这种冷却剂可直接采用燃料舱中燃料，没有增加整体重量，冷却完毕后燃料还可继续参与燃烧，没有浪费。

Description

一种钛合金变壁厚空心主动冷却舱体制备方法

技术领域

本发明属于舱体制备技术领域，具体涉及一种结构功能一体化的钛合金变壁厚空心主动冷却舱体制备方法。

背景技术

空心夹层结构具有质量轻、刚度大等突出优点，在航空航天和国防领域中得到了大量应用。近几年随着高超声速武器的发展，对结构的轻量化和材料耐热性能提出更高的要求。由于传统耐热材料其比重一般较高，一味追求材料的耐热特性，就势必增加结构重量。如何在轻量化同时还满足耐热特性，这是武器化发展中提出的新问题，要解决这一似乎矛盾的问题，仅仅靠防隔热这种被动冷却方式还远远不够，因此提出了主动冷却结构形式，这种结构形式将结构和功能实现有机结合，将空心结构设计成流道形式，流道中实现液体的循环冷却，这种流道兼具结构强度和主动冷却双重功能，实现了结构功能一体化。这种结构形式在燃料舱中尤为适用。燃料舱为了增大储油量希望内空间越大越好，舱体本身希望高结构强度和刚度，同时为了保证燃料温度，燃料舱还必须防热隔热，而采用主动冷却结构能够很好解决以上三个问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出一种钛合金变壁厚空心主动冷却舱体制备方法，以解决如何制备空心封闭结构舱体的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种钛合金变壁厚空心主动冷却舱体制备方法，该制备方法包括如下步骤：

第一步、管坯制备：将变壁厚空心主动冷却舱体分为采用10根钛合金管坯进行制备；10根管坯分别为外层管坯、第一芯层管坯、第二芯层管坯、内层管坯、第一局部增强管坯、第二局部增强管坯、第三局部增强管坯、第四局部增强管坯、第一隔离管坯和第二隔离管坯；该步骤具体包括：

A1.1设计管坯成形模具，管坯成形采用内模具胀形成形，利用钛合金和模具钢材料的膨胀系数差异进行管坯制备；

A1.2：计算管坯展开料，根据最终管坯尺寸计算展开料，并适当考虑卷圆时两端直线段；

A1.3：下料，根据计算的坯料尺寸，通过剪板机或激光切割下料；坯料尺寸等于展开料尺寸加上工艺端，需要切割10块坯料；

A1.4：划线，在坯料上画出直线段切割线，在第一芯层管坯和第二芯层管坯的坯料上画出用于开进气槽的进气槽位置线；

A1.5：在第一芯层管坯和第二芯层管坯的坯料上，根据划线位置在平板状态下加工进气槽；

A1.6：进行管坯预成形，形成圆形管坯；

A1.7：将圆形管坯进行退火处理；

A1.8：切除圆形管坯直线端并修配对焊边；

A1.9：激光焊接纵向焊缝形成圆形管坯，

A1.10：退火校形，使用应力松弛模校形激光焊接后的圆形管坯；

第二步、芯层止焊剂图形制备：将芯层止焊剂图形制备在第二芯层管坯的外表面上；该步骤具体包括：

A2.1：对所有管坯进行表面酸洗处理；

A2.2：在第二芯层管坯的外表面涂覆可剥胶；

A2.3：制备一块圆形划线管坯，该圆形划线管坯内径和第二芯层管坯的外径实现配合；

A2.4：将圆形划线管坯套在第二芯层管坯上并同抱环压紧后划线，划线时第二芯层管坯采用内支撑环进行支撑；

A2.5：撕掉需要涂覆止焊剂部位的可剥胶；

A2.6：沿第二芯层管坯的外表面喷涂止焊剂图形；

A2.7：撕掉剩余的可剥胶；

第三步、10层管坯组装焊接；该步骤具体包括：

A3.1：装配好10层管坯，装配顺序为内层管坯-第一局部增强管坯和第四局部增强管坯-第二芯层管坯-第一隔离管坯和第二隔离管坯-第一芯层管坯-第二局部增强管坯和第三局部增强管坯-外层管坯；

A3.2：将所有的管坯在端面进行封口焊接；

A3.3：检查外层管坯和第一芯层管坯之间形成的空腔，第一芯层管坯和内层管坯之间形成的空腔，以及第一芯层管坯和第二芯层管坯之间形成的空腔的气密性；

第四步、超塑与扩散成形；该步骤具体包括：

A4.1：将组焊后的管坯放入模具中一起加热至超塑成形温度；

A4.2：外层进气：在外层管坯、第一芯层管坯和第二芯层管坯3以及内层管坯进气，使第一芯层管坯和第二芯层管坯发生扩散连接，外层管坯和内层管坯贴模；

A4.3：内层进气：在第一芯层管坯和第二芯层管坯之间进气，使第一芯层管坯和第二芯层管坯之间未扩散区域超塑胀形，第一芯层管坯胀形部位和外层管坯贴合，第二芯层管坯胀形部位和内层管坯贴合，并发生扩散连接形成所需要的空心结构；

第五步、加工去除工艺端：将预置结构从实心部位切除掉，得到变壁厚的空心舱体零件。

进一步地，在步骤A1.6中，对于4mm以内的坯料采用卷板机卷圆管坯；对于厚度超过4mm的坯料，采用对半热压成形，热压成形温度为750℃。

进一步地，在步骤A1.7中，退火温度700℃。

进一步地，圆形划线管坯设计成开口形状，以便于装入和取出。

(三)有益效果

本发明提出的钛合金变壁厚空心主动冷却舱体制备方法，采用钛合金板坯制备筒形管坯，然后超塑成形/扩散连接技术一次成形变壁厚空心主动冷却舱体制备方法，这种方法一次成形出360°回转形舱体，内部带空心主动冷却通道，零件成形精度高，零件整体性好，实现了零件结构和功能一体化。

本发明提出的冷却结构空心舱体，由于是空心夹层结构，因此其强度刚度高，重量轻。由于带主动冷却结构，因而可实现主动冷却，而且这种冷却剂可直接采用燃料舱中燃料，没有增加整体重量，冷却完毕后燃料还可继续参与燃烧，没有浪费。

本发明的有益技术效果，具体包括如下部分：

(1)本发明提出一种空心结构舱体成形方法，将空心结构主动冷却结构舱体采用超塑成形与扩散连接复合工艺实现一次成形，并且实现360°回转舱体的一次成形。

(2)本发明提出一种变厚度舱体的分型方法，将变厚度部位采用两层坯料进行预置，最终扩散连接后形成整体，解决变厚度板坯难以实现问题。

(3)本发明在两芯层管坯之间预置一块隔离管坯，该隔离管坯可防止内层管坯装配时止焊剂涂料被刮伤的问题。

(4)本发明采用预置坯料嵌入外层管坯和芯层管坯之间，将外层和内层之间形成的空间作为芯层变形的空间，外层管坯和内层管坯之间形成零件的轮廓尺寸，外层管坯和内层管坯不参与变形，这种方式解决了超塑成形四层结构对称变形的问题，同时也解决了内层管坯无法向内压缩变形问题。

附图说明

图1为本发明实施例的舱体制备方法所要制备的变壁厚空心主动冷却舱体结构示意图；

图2为本发明实施例的舱体制备方法中终成形坯料装配示意图；

图3为本发明实施例的舱体制备方法中应力松弛模示意图；

图4为本发明实施例的舱体制备方法中圆形划线管坯示意图；

图5为本发明实施例的舱体制备方法中管坯装备示意图；

图6为本发明实施例的舱体制备方法中芯层管坯变形的法向截面示意图；

图7为本发明实施例的舱体制备方法中管坯工艺端切割示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本实施例提出一种钛合金变壁厚空心主动冷却舱体制备方法，该变壁厚空心主动冷却舱体为360°封闭回转体，带有局部增强结构，其内部为航向空心结构，两端壁厚t1大于中间壁厚t2，如图1所示。

本实施例的制备方法，具体包括如下步骤：

第一步、管坯制备：将变壁厚空心主动冷却舱体分为采用10根钛合金管坯进行制备。如图2所示，10根管坯分别为外层管坯1、第一芯层管坯2、第二芯层管坯3、内层管坯4、第一局部增强管坯5、第二局部增强管坯6、第三局部增强管坯7、第四局部增强管坯8、第一隔离管坯9和第二隔离管坯10。该步骤具体包括：

A1.1：设计管坯成形模具，管坯成形采用内模具胀形成形，利用钛合金和模具钢材料的膨胀系数差异进行管坯制备；

A1.2：计算管坯展开料，根据最终管坯尺寸计算展开料，并适当考虑卷圆时两端直线段；

A1.3：下料，根据计算的坯料尺寸，通过剪板机或激光切割下料；坯料尺寸等于展开料尺寸加上工艺端，需要切割10块坯料；

A1.4：划线，在坯料上画出直线段切割线，在第一芯层管坯2和第二芯层管坯3的坯料上画出用于开进气槽的进气槽位置线；

A1.5：在第一芯层管坯2和第二芯层管坯3的坯料上，根据划线位置在平板状态下加工进气槽；

A1.6：管坯预成形，对于4mm以内的板坯料可采用卷板机卷圆管坯；对于零件中预置结构管坯(如第一局部增强管坯5、第二局部增强管坯6、第三局部增强管坯7和第四局部增强管坯8)，如果厚度超过4mm，则可采用对半热压成形，热压成形温度为750℃；

A1.7：退火，将卷圆管坯用工装进行退火处理，退火温度700℃；

A1.8：切除圆形管坯直线端并修配对焊边；

A1.9：激光焊接纵向焊缝形成圆形管坯，

A1.10：退火校形，使用如图3所示的应力松弛模校形激光焊接后的圆形管坯，圆形管坯和应力松弛模装配困难时可采用加热钛合金圆形管坯，然后热装入。

第二步、芯层止焊剂图形制备：将芯层止焊剂图形制备在第二芯层管坯3的外表面上。该步骤具体包括：

A2.1：对所有钛合金管坯进行表面酸洗处理；

A2.2：在第二芯层管坯3的外表面涂覆可剥胶；

A2.3：制备一块圆形划线管坯，如图4所示，该划线管坯内径要和第二芯层管坯3的外径实现配合，划线管坯设计成开口形状，以便于装入和取出；

A2.4：将圆形划线管坯套在第二芯层管坯3上并同抱环压紧后划线，划线时第二芯层管坯3可采用内支撑环进行支撑；

A2.5：撕掉需要涂覆止焊剂部位的可剥胶；

A2.6：用喷枪沿第二芯层管坯3的外表面喷涂止焊剂图形；

A2.7：撕掉剩余的可剥胶。

第三步、10层管坯组装焊接。该步骤具体包括：

A3.1：装配好10层管坯，装配顺序为内层管坯4-第一局部增强管坯5和第四局部增强管坯8-第二芯层管坯3-第一隔离管坯9和第二隔离管坯10-第一芯层管坯2-第二局部增强管坯6和第三局部增强管坯7-外层管坯1，如图5所示；

A3.2：将所有的管坯在端面进行氩弧焊接封口焊接；

A3.3：检查外层管坯1和第一芯层管坯2之间形成的空腔，第一芯层管坯3和内层管坯4之间形成的空腔，以及第一芯层管坯2和第二芯层管坯3之间形成的空腔的气密性。

第四步、超塑与扩散成形。该步骤具体包括：

A4.1：将组焊后的管坯放入模具中一起加热至超塑成形温度；

A4.2：外层进气：在外层管坯1、第一芯层管坯2和第二芯层管坯3以及内层管坯4进气，使第一芯层管坯2和第二芯层管坯3发生扩散连接，外层管坯1和内层管坯4贴模；

A4.3：内层进气：在第一芯层管坯2和第二芯层管坯3之间进气，使第一芯层管坯2和第二芯层管坯3之间未扩散区域超塑胀形，最终第一芯层管坯2胀形部位和外层管坯1贴合，第二芯层管坯3胀形部位和内层管坯4贴合，并发生扩散连接形成所需要的空心结构，如图6所示。

第五步、加工去除工艺端：将预置结构从实心部位切除掉，如图7所示，得到变壁厚的空心舱体零件。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种钛合金变壁厚空心主动冷却舱体制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

第一步、管坯制备：将变壁厚空心主动冷却舱体分为采用10根钛合金管坯进行制备；10根管坯分别为外层管坯、第一芯层管坯、第二芯层管坯、内层管坯、第一局部增强管坯、第二局部增强管坯、第三局部增强管坯、第四局部增强管坯、第一隔离管坯和第二隔离管坯；该步骤具体包括：

A1.1设计管坯成形模具，管坯成形采用内模具胀形成形，利用钛合金和模具钢材料的膨胀系数差异进行管坯制备；

A1.2：计算管坯展开料，根据最终管坯尺寸计算展开料，并适当考虑卷圆时两端直线段；

A1.3：下料，根据计算的坯料尺寸，通过剪板机或激光切割下料；坯料尺寸等于展开料尺寸加上工艺端，需要切割10块坯料；

A1.4：划线，在坯料上画出直线段切割线，在第一芯层管坯和第二芯层管坯的坯料上画出用于开进气槽的进气槽位置线；

A1.5：在第一芯层管坯和第二芯层管坯的坯料上，根据划线位置在平板状态下加工进气槽；

A1.6：进行管坯预成形，形成圆形管坯；

A1.7：将圆形管坯进行退火处理；

A1.8：切除圆形管坯直线端并修配对焊边；

A1.9：激光焊接纵向焊缝形成圆形管坯，

A1.10：退火校形，使用应力松弛模校形激光焊接后的圆形管坯；

第二步、芯层止焊剂图形制备：将芯层止焊剂图形制备在第二芯层管坯的外表面上；该步骤具体包括：

A2.1：对所有管坯进行表面酸洗处理；

A2.2：在第二芯层管坯的外表面涂覆可剥胶；

A2.3：制备一块圆形划线管坯，该圆形划线管坯内径和第二芯层管坯的外径实现配合；

A2.4：将圆形划线管坯套在第二芯层管坯上并同抱环压紧后划线，划线时第二芯层管坯采用内支撑环进行支撑；

A2.5：撕掉需要涂覆止焊剂部位的可剥胶；

A2.6：沿第二芯层管坯的外表面喷涂止焊剂图形；

A2.7：撕掉剩余的可剥胶；

第三步、10层管坯组装焊接；该步骤具体包括：

A3.1：装配好10层管坯，装配顺序为内层管坯-第一局部增强管坯和第四局部增强管坯-第二芯层管坯-第一隔离管坯和第二隔离管坯-第一芯层管坯-第二局部增强管坯和第三局部增强管坯-外层管坯；

A3.2：将所有的管坯在端面进行封口焊接；

A3.3：检查外层管坯和第一芯层管坯之间形成的空腔，第一芯层管坯和内层管坯之间形成的空腔，以及第一芯层管坯和第二芯层管坯之间形成的空腔的气密性；

第四步、超塑与扩散成形；该步骤具体包括：

A4.1：将组焊后的管坯放入模具中一起加热至超塑成形温度；

A4.2：外层进气：在外层管坯、第一芯层管坯和第二芯层管坯3以及内层管坯进气，使第一芯层管坯和第二芯层管坯发生扩散连接，外层管坯和内层管坯贴模；

A4.3：内层进气：在第一芯层管坯和第二芯层管坯之间进气，使第一芯层管坯和第二芯层管坯之间未扩散区域超塑胀形，第一芯层管坯胀形部位和外层管坯贴合，第二芯层管坯胀形部位和内层管坯贴合，并发生扩散连接形成所需要的空心结构；

第五步、加工去除工艺端：将预置结构从实心部位切除掉，得到变壁厚的空心舱体零件。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤A1.6中，对于4mm以内的坯料采用卷板机卷圆管坯；对于厚度超过4mm的坯料，采用对半热压成形，热压成形温度为750℃。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤A1.7中，退火温度700℃。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述圆形划线管坯设计成开口形状，以便于装入和取出。