CN110860860A - 一种金属有序多孔结构的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属有序多孔结构的制备方法。钛合金空心结构包括中间空心结构的芯体和两侧面板，该制备方法包括：将多层芯板组件放置在上面板和下面板之间，并在端部设置金属边框；在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，形成金属空心结构的预制坯；将金属空心结构的预制坯进行超塑成形/扩散连接，形成金属有序多孔结构；其中，上模具组件和下模具组件均包括可拆卸的模具和模具包套，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，模具包套为半开式结构，用于将相应侧的模具包覆在其内，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，其中模具的厚度大于模具包套的厚度。

Description

一种金属有序多孔结构的制备方法
技术领域
本发明涉及超塑成形/扩散连接技术领域，特别是涉及一种金属有序多孔结构的制备方法。
背景技术
参见图1所示，是采用超塑成形/扩散连接工艺制备的钛合金有序多孔结构，采用现有方法制备的该类结构的压缩性能较低，主要是由于该类结构是三层结构，内部空间不封闭。
现有技术采用超塑成形/扩散连接工艺制备的三层或多层金属多层蛋盒结构存在一些不足，主要是其抗压缩、弯曲、扭转等力学性能不足。
因此，发明人提供了一种金属有序多孔结构的制备方法。
发明内容
本发明实施例提供了一种金属有序多孔结构的制备方法，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金属有序多孔结构的制备方法，所述钛合金空心结构包括中间空心结构的芯体和两侧面板，该制备方法包括：
将多层芯板组件放置在上面板和下面板之间，并在端部设置金属边框；
在所述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，形成金属空心结构的预制坯；
将金属空心结构的预制坯进行超塑成形/扩散连接，形成金属有序多孔结构；
其中，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。
进一步地，所述制备方法包括：
加工芯板和面板，采用高压水、线切割或数控加工的方法加工出金属材质的所述上面板、下面板和芯板，所述上面板和下面板均为平板，所述芯板为镂空网格板；
叠层封焊，芯板的非连接部位涂覆止焊剂进行扩散连接，将扩散连接后的多层芯板组件之间的端部设置金属边框，然后在两侧叠层所述下面板和上面板，对叠层后的结构四周封焊，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；
超塑成形，将预制坯放入到气体扩散炉中进行超塑成形，将超塑成形后的预制坯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，制备出金属多孔结构。
在一种可实现的方式中，所述上面板和下面板均采用铝合金材质，所述芯板采用铝合金和钛合金两种材质，并在所述铝合金芯板上涂覆止焊剂，然后经过封边焊、烘焙、封装后，放入气体扩散炉进行扩散连接，需在温度为500℃～600℃、压强为100MPa～200MPa的条件下保温保压1h～2h进行扩散连接。
进一步地，所述多层芯板组件中每两层铝合金芯板的两侧均为单层钛合金芯板，需在温度为500℃～600℃、压强为100MPa～200MPa的条件下保温保压1h～2h进行扩散连接；超塑成形时，需在温度为400℃～550℃、压强为1.5MPa～2MPa的条件下保温保压1h～2h进行，使得两层铝合金芯板超塑成形后与单层钛合金芯板接触，并发生原位反应，生成了Al3Ti/Ti复合材料层。
在另一种可实现的方式中，所述芯板和面板均采用钛合金材质，需在温度为900℃～920℃、压强为1.5MPa～2MPa的条件下保温保压1h～2h进行扩散连接/超塑成形。
进一步地，超塑成形后，在真空环境下，通过进气管，向超塑成形的金属多孔结构的内部充入熔融的铝合金，直至填充满钛合金内部的空隙，在温度为500℃～700℃的条件下，使得成形后的多孔结构与填充的铝合金发生原位反应，形成内部按照有序多孔结构分布的复合金属多孔结构。
综上，为了制备出金属有序多孔结构，利用超塑成形/扩散连接成形工艺制备出多层有序多孔结构，本发明的进步点有：
1、通过设置金属边框和模具组件，预制坯在气体扩散炉中进行超塑成形，不需要压力机，其成形效率大大提高，其抗压缩、弯曲、扭转等力学性能，成形的压力精度更精确；
2、在金属边框和模具组件的约束下，多层芯板不受限于放置方向，避免了芯板在高温条件下发生弯曲蠕变变形，以便顺利制备多层的多孔结构；
3、通过交叉布置钛合金板和铝合金板，然后相邻层钛合金和铝合金反应，生成钛铝合金多孔结构，每相邻两层铝合金结构之间是Al3Ti/Ti复合材料。
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的面板与芯体预制坯组合示意图。
图2是实施例1的芯板超塑成形示意图。
图3是实施例1的芯板之间以及芯板与面板扩散连接示意图。
图4是实施例1的芯板之间以及芯板与面板扩散连接后的预制坯示意图。
图5是实施例1的去除模具和包套的多孔结构示意图。
图6是实施例1的芯板止焊剂图形的示意图。
图7～图10是实施例2的芯板层超塑成形的四个阶段示意图。
图11是实施例3成形后去除模具和包套后的有序多孔结构示意图。
图12是不同尺寸有序多孔结构的拓展实施方式示意图。
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。
本发明提供了一种金属有序多孔结构的制备方法，金属有序多孔结构包括中间空心结构的芯体和两侧面板，该制备方法包括：将多层芯板组件放置在上面板和下面板之间，并在端部设置金属边框；在所述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，形成金属空心结构的预制坯；将金属空心结构的预制坯进行超塑成形/扩散连接，形成金属有序多孔结构；其中，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。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-图6所示，该制备方法至少包括下步骤S110～步骤S140：
步骤S110为加工芯板和面板，采用高压水、线切割或数控加工的方法加工出金属材质的所述上面板、下面板和芯板，所述上面板和下面板均为平板，所述芯板为镂空网格板。
在本步骤的具体实施中，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为叠层封焊，芯板的非连接部位涂覆止焊剂进行扩散连接，将扩散连接后的多层芯板组件之间的端部设置金属边框，然后在两侧叠层所述下面板和上面板，对叠层后的结构四周封焊，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。
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为超塑成形，将预制坯放入到气体扩散炉中进行超塑成形，将超塑成形后的预制坯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，制备出金属多孔结构。
实施例1中的所述芯板和面板均采用钛合金材质，需在温度为900℃～920℃、压强为1.5MPa～2MPa的条件下保温保压1h～2h进行扩散连接/超塑成形。
实施例2，参见图7-10所示，该制备方法与实施例1不同的有：
(1)实施例2的上面板和下面板均采用铝合金材质，芯板采用铝合金和钛合金两种材质，并在所述铝合金芯板上涂覆止焊剂(止焊剂涂覆图形参见图4)，然后经过封边焊、烘焙、封装后，放入气体扩散炉进行扩散连接，需在温度为500℃～600℃、压强为100MPa～200MPa的条件下保温保压1h～2h进行扩散连接。
(2)实施例2的多层芯板组件中每两层铝合金芯板的两侧均为单层钛合金芯板，需在温度为500℃～600℃、压强为100MPa～200MPa的条件下保温保压1h～2h进行扩散连接；超塑成形时，需在温度为400℃～550℃、压强为1.5MPa～2MPa的条件下保温保压1h～2h进行，使得两层铝合金芯板超塑成形后与单层钛合金芯板接触，并发生原位反应，生成了Al3Ti/Ti复合材料层。
需要说明的是，参见图7所示，预制坯的叠层按照钛合金模具包套、模具、面板、钛合金边框、铝合金芯板、钛合金边框、钛合金芯板(单层)、钛合金边框、铝合金芯板(两层)、钛合金边框……铝合金芯板(两层)、钛合金边框、钛合金芯板(单层)、面板、模具、钛合金模具盖板的顺序进行叠放，并分别进行封边焊。
实施例3，参见图11所示，其制备方法与实施例1、2不同的有：实施例3中的超塑成形后，在真空环境下，通过进气管，向超塑成形的金属多孔结构的内部充入熔融的铝合金，直至填充满钛合金内部的空隙，在温度为500℃～700℃的条件下，使得成形后的多孔结构与填充的铝合金发生原位反应，形成内部按照有序多孔结构分布的复合金属多孔结构。
本发明采用气体扩散炉加压，不需要压力机，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恶劣，能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不会受限于放置方向，可以竖直放置，而不会导致芯板塌陷，不容易出现沟槽问题。此外，根据实践需求，不同层的多孔结构可以设计成不同尺寸，从而可以制备出梯度的多孔材料，实现了多孔材料尺寸的精确设计和控制(参见图12所示)。
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 (7)

1.金属有序多孔结构的制备方法，所述金属有序多孔结构包括中间空心结构的芯体和两侧面板，其特征在于，所述制备方法包括：
将多层芯板组件放置在上面板和下面板之间，并在端部设置金属边框；
在所述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，形成金属空心结构的预制坯；
将金属空心结构的预制坯进行超塑成形/扩散连接，形成金属有序多孔结构；
其中，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所述的金属有序多孔结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
加工芯板和面板，采用高压水、线切割或数控加工的方法加工出金属材质的所述上面板、下面板和芯板，所述上面板和下面板均为平板，所述芯板为镂空网格板；
叠层封焊，芯板的非连接部位涂覆止焊剂进行扩散连接，将扩散连接后的多层芯板组件之间的端部设置金属边框，然后在两侧叠层所述下面板和上面板，对叠层后的结构四周封焊，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；
超塑成形，将预制坯放入到气体扩散炉中进行超塑成形，将超塑成形后的预制坯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，制备出金属多孔结构。
3.根据权利要求2所述的金属有序多孔结构的制备方法，其特征在于，所述芯板的非连接部位涂覆的止焊剂图形不同，由下向上，或者是由上向下，其单元格的尺寸是梯度变化的。
4.根据权利要求2所述的金属有序多孔结构的制备方法，其特征在于，所述上面板和下面板均采用铝合金材质，所述芯板采用铝合金和钛合金两种材质，并在所述铝合金芯板上涂覆止焊剂，然后经过封边焊、烘焙、封装后，放入气体扩散炉进行扩散连接，需在温度为500℃～600℃、压强为100MPa～200MPa的条件下保温保压1h～2h进行扩散连接。
5.根据权利要求3所述的金属有序多孔结构的制备方法，其特征在于，所述多层芯板组件中每两层铝合金芯板的两侧均为单层钛合金芯板，需在温度为500℃～600℃、压强为100MPa～200MPa的条件下保温保压1h～2h进行扩散连接；超塑成形时，需在温度为400℃～550℃、压强为1.5MPa～2MPa的条件下保温保压1h～2h进行，使得两层铝合金芯板超塑成形后与单层钛合金芯板接触，并发生原位反应，生成了Al3Ti/Ti复合材料层。
6.根据权利要求2所述的金属有序多孔结构的制备方法，其特征在于，所述芯板和面板均采用钛合金材质，需在温度为900℃～920℃、压强为1.5MPa～2MPa的条件下保温保压1h～2h进行扩散连接/超塑成形。
7.根据权利要求5或4所述的金属有序多孔结构的制备方法，其特征在于，超塑成形后，在真空环境下，通过进气管，向超塑成形的金属多孔结构的内部充入熔融的铝合金，直至填充满钛合金内部的空隙，在温度为500℃～700℃的条件下，使得成形后的多孔结构与填充的铝合金发生原位反应，形成内部按照有序多孔结构分布的复合金属多孔结构。
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