CN111069860A - 一种高温合金四层点阵轻量化结构制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高温合金四层点阵轻量化结构制备方法，步骤一、加工中间层板的镂空的菱形网格结构；步骤二、加工蒙皮面板；步骤三、采用酸洗去除蒙皮面板和两个中间层板的表面氧化膜，并用酒精清洁蒙皮面板和两个中间层板表面残留的酸碱和油污；步骤四、在两个中间层板的板材表面涂抹阻焊剂；步骤五、蒙皮面板和中间层板扩散连接；步骤六、超塑成形；步骤七、从超塑成形模具中取出成形后的预制坯，采用机加工方法加工出GH4169高温合金四层点阵轻量化结构。利用本发明制得的四层超薄点阵结构舵翼面，材质为GH4169高温合金，具有良好的加工性能、焊接性能，超薄点阵结构具有轻量化的优点，且四层舵翼面的对称度高，力学性能更好。

Description

一种高温合金四层点阵轻量化结构制备方法
技术领域
本发明属于GH4169高温合金结构成形领域，尤其是涉及一种高温合金四层点阵轻量化结构制备方法。
背景技术
GH4169高温合金是以体心四房的γ”和面心立方的γ’相沉淀强化的镍基高温合金，在-253-700℃温度范围内具有良好的综合性能，650℃以下的区服强度居变形高温合金的首位，并具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能，以及良好的加工性能、焊接性能和长期组织稳定性，能够制造各种形状复杂的零部件，在宇航、核能、石油工业中，在上述温度范围内获得了极为广泛的应用。
点阵结构作为重要轻量化结构广泛应用于航天、航空、车辆、船舶等领域。该结构自身结构特点决定了其具有轻重量、抗冲击、热交换、吸能缓冲等极佳的性能。高速率飞行器对材料要求十分严格，传统镁铝合金零件在高速摩擦产生的高温下极易氧化，复合材料难以在高温下承受较大载荷且加工成本昂贵，常使用钛合金、钛铝基金属间化合物等高强比材料。点阵结构的引入又将带来更为显著的减重效果，但目前点阵结构的研究受材料性能影响停留在中厚板材料，难以全部发挥点阵结构高强轻质的特性。因此，开展超薄板材点阵结构成形工艺的研究十分必要，具有一定前瞻性，且其应用前景十分广阔。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种轻量化点阵结构舵翼面成型方法，利用本方法制得的四层超薄点阵结构舵翼面，材质为GH4169高温合金，具有良好的加工性能、焊接性能，超薄点阵结构具有轻量化的优点，且四层舵翼面的对称度高，力学性能更好。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种高温合金四层点阵轻量化结构制备方法，包括以下步骤：
步骤一、加工中间层板的镂空的菱形网格结构：使用激光切割或机加工将GH4169高温合金板材按设计图样进行加工成镂空的菱形网格结构；
步骤二、加工蒙皮面板：采用激光切割或机加工的方式对GH4169高温合金板材加工成与中间层板外形尺寸相适应的平板；
步骤三、采用酸洗或碱洗的方式去除蒙皮面板和两个中间层板的表面氧化膜，并用酒精或丙酮清洁皮面板和两个中间层板表面残留的酸碱和油污；
步骤四、在两个中间层板的板材表面涂抹阻焊剂，
在每个中间层板的两个表面的镂空的网格上涂抹阻焊剂，具体为：在中间层板的其中一个表面的菱形网格的第一行的结点上涂抹阻焊剂，且中间层板的其中一个表面的菱形网格的上下相邻两行的结点上涂抹阻焊剂状态相反，中间层板的另一个表面上的结点处的阻焊剂的涂抹状态与所对应的其中一个表面的结点的涂抹状态相反；各结点之间的筋条表面均涂抹阻焊剂；
步骤五、蒙皮面板和中间层板扩散连接：按照蒙皮面板、中间层板、中间层板和蒙皮面板的顺序叠层，且两个中间层板的叠放顺序为：中间层板的菱形网格的第一行的结点上涂抹阻焊剂的表面面对面布置，对叠层后的板材边缘对齐封焊，并预留一定宽度的板材边缘为通气槽口，并在通气槽口处焊接不锈钢管，将封边焊后的预制坯放入到扩散连接专用工装模具内，
对预制坯抽真空，真空度为1.0×10-1Pa～1.0×10-3Pa，对扩散连接专用工装模具和预制坯加热，升温至925℃～1045℃，对扩散连接专用工装模具加压，实现预制坯的面板与芯板的扩散连接，扩散连接的工艺参数为：925℃～1045℃/2～4MPa/60～120min；
步骤六、超塑成形：将扩散连接后的预制坯从扩散连接专用工装模具中取出，放入超塑成形模具中，升温至925℃～1045℃，在不锈钢管中通入氩气进行超塑成形，超塑成形工艺参数为：925℃～1045℃/2～4MPa/30～60min；
步骤七、从超塑成形模具中取出成形后的预制坯，采用机加工方法加工出GH4169高温合金四层点阵轻量化结构。
进一步的，所述步骤一中，加工完成中间层板的镂空的菱形网格结构后，使用砂带机或白钢刀去除切割毛刺。
进一步的，所述步骤四中，在两个中间层板的板材表面涂抹完成阻焊剂后，进行烘干，使阻焊剂牢固涂覆在中间层板的板材表面不脱落。
进一步的，所述步骤五中的不锈钢管与超塑成形机的气路连接。
进一步的，所述步骤六中，在0.1h～0.2h时间周期内，氩气压力由0.1MPa升至2.0MPa。
进一步的，在扩散连接前在扩散连接专用工装模具中涂抹润滑剂，在超塑成形前，在超塑成形模具中涂抹润滑剂。
相对于现有技术，本发明所述的一种高温合金四层点阵轻量化结构的制备方法具有以下优势：
采用超塑成形方法制备的一种四层点阵轻量化结构即点阵结构舵翼面，
(1)传统是针对钛合金材料的点阵结构的超塑扩散连接，而没有针对GH4169高温合金板材的点阵结构的超塑扩散连接；
(2)目前点阵结构的研究受材料性能影响停留在中厚板材料，难以全部发挥点阵结构高强轻质的特性，而超薄板材点阵结构更能充分发挥点阵结构的高强轻质特性，但是还无相关成形连接方法；
(3)双侧蒙皮在点阵结构上处于对称位置，四层点阵结构相较于三层稳定性更高，力学性能更好，更符合舵翼的使用环境；
(4)与传统四层结构的焊接方法相比，本方法焊合率更高，更可靠。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明中间层板的镂空的菱形网格结构其中一面(A面)的阻焊剂涂抹图形；
图2为本发明中间层板的镂空的菱形网格结构另一面(B面)的阻焊剂涂抹图形；
图3为高温合金四层点阵轻量化结构的四层结构排布的示意图；
图4为利用本发明方法制得的高温合金四层点阵轻量化结构的示意图。
附图标记说明：
1-中间层板，2-蒙皮面层。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-图4所示，一种高温合金四层点阵轻量化结构制备方法，包括以下步骤：
步骤一、加工中间层板的镂空的菱形网格结构：使用激光切割或机加工将GH4169高温合金板材按设计图样进行加工成镂空的菱形网格结构；加工完成中间层板的镂空的菱形网格结构后，使用砂带机或白钢刀去除切割毛刺；中间层板的厚度为1mm；
步骤二、加工蒙皮面板：采用激光切割或机加工的方法对GH4169高温合金板材加工成与中间层板外形尺寸相适应的平板；蒙皮面板的厚度为1mm；
步骤三、采用酸洗或碱洗的方式去除蒙皮面板和两个中间层板的表面氧化膜，并用酒精或丙酮清洁蒙皮面板和两个中间层板表面残留的酸碱和油污；
步骤四、在两个中间层板的板材表面涂抹阻焊剂，
在每个中间层板的两个表面的镂空的网格上涂抹阻焊剂，具体为：在中间层板的其中一个表面的菱形网格的第一行的结点上涂抹阻焊剂，且中间层板的其中一个表面的菱形网格的上下相邻两行的结点上涂抹阻焊剂状态相反，中间层板的另一个表面上的结点处的阻焊剂的涂抹状态与所对应的其中一个表面的结点的涂抹状态相反，中间层板的两个表面的各结点之间的筋条表面均涂抹阻焊剂；在两个中间层板的板材表面涂抹完成阻焊剂后，进行烘干，使阻焊剂牢固涂覆在中间层板的板材表面不脱落；将中间层板的菱形网格的第一行的结点上涂抹阻焊剂的表面定义为A面，将中间层板的菱形网格的另一面定义为B面；
步骤五、蒙皮面板和中间层板扩散连接：按照蒙皮面板、中间层板、中间层板和蒙皮面板的顺序叠层，且两个中间层板的叠放顺序为：中间层板的菱形网格的第一行的结点上涂抹阻焊剂的表面即A面，面对面布置，对叠层后的板材边缘对齐封焊，并预留一定宽度的板材边缘为通气槽口，并在通气槽口处焊接不锈钢管，不锈钢管与超塑成形机的气路连接，将封边焊后的预制坯放入到扩散连接专用工装模具内，
通过不锈钢管对预制坯抽真空，真空度为1.0×10-1Pa，通过超塑成型机对扩散连接专用工装模具和预制坯加热，升温至985±20℃，通过超塑成型机对扩散连接专用工装模具加压，实现预制坯的面板与芯板的扩散连接，扩散连接的工艺参数为：扩散连接温度为985±20℃、扩散连接压力为：3±1MPa、扩散连接时间为90±10min；完成扩散连接后，两个中间层板的面对面部位的的未涂抹阻焊剂位置结合在一起，两个中间层板的背部的表面的未涂抹阻焊剂的位置分别与蒙皮面板结合在一起；
步骤六、超塑成形：将扩散连接后的预制坯从扩散连接专用工装模具中取出，放入超塑成形模具中，通过超塑成型机升温至985±20℃，在不锈钢管中通入氩气进行超塑成形，在0.1h～0.2h时间周期内，氩气压力由0.1MPa升至2.0MPa，超塑成形工艺参数为：超塑成形温度为985±20℃、超塑成形压力为：3±1MPa、超塑成形时间为40±10min；
在超塑成形过程中，未涂覆止焊剂的一行结点位置随其中一个蒙皮面板成形而移动，与该行结点相临的同一个表面的一行结点未与该蒙皮面板相连接，而与该行结点相临的另一个表面的一行结点则与另一个蒙皮面板相连接，在超塑成形过程中，另一个表面的一行结点随着另一个蒙皮面板向着与该行结点相反的方向移动，这样就通过超塑成形将筋条拉出一个四层点阵结构；
步骤七、从超塑成形模具中取出成形后的预制坯，采用机加工方法加工出GH4169高温合金四层点阵轻量化结构。采用无损检测、力学性能测试等方式，对成形件质量进行评价，得到超塑成形扩散连接焊合率大于90％。
在扩散连接前在扩散连接专用工装模具中涂抹润滑剂，在超塑成形前，在超塑成形模具中涂抹润滑剂。
本发明采用超塑成形/扩散连接技术是一种推动现代航空航天结构设计概念发展和突破传统钣金成形方法的先进制造技术，采用SPF/DB技术制造的钛合金结构件已广泛应用于航空航天领域，并取得良好的技术效益和经济效益。同时也是低成本、高效益、近无余量的成形技术，可用于制造多层空心的轻量化结构，从而达到降低结构重量提高结构完整性和承载效率的目的，在飞机、发动机构件制造方面具有独特的技术优势。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高温合金四层点阵轻量化结构制备方法，其特征在于：
步骤一、加工中间层板的镂空的菱形网格结构：使用激光切割或机加工将GH4169高温合金板材按设计图样进行加工成镂空的菱形网格结构；
步骤二、加工蒙皮面板：采用激光切割或机加工的方式对GH4169高温合金板材加工成与中间层板外形尺寸相适应的平板；
步骤三、采用酸洗或碱洗的方式去除蒙皮面板和两个中间层板的表面氧化膜，并用酒精或丙酮清洁皮蒙皮面板和两个中间层板表面残留的酸碱和油污；
步骤四、在两个中间层板的板材表面涂抹阻焊剂：
在每个中间层板的两个表面的镂空的网格上涂抹阻焊剂，具体为：在中间层板的其中一个表面的菱形网格的第一行的结点上涂抹阻焊剂，且中间层板的其中一个表面的菱形网格的上下相邻两行的结点上涂抹阻焊剂状态相反；中间层板的另一个表面上的结点处的阻焊剂的涂抹状态与所对应的其中一个表面的结点的涂抹状态相反；各结点之间的筋条表面均涂抹阻焊剂；
步骤五、蒙皮面板和中间层板扩散连接：按照蒙皮面板、中间层板、中间层板和蒙皮面板的顺序叠层，且两个中间层板的叠放顺序为：中间层板的菱形网格的第一行的结点上涂抹阻焊剂的表面面对面布置，对叠层后的板材边缘对齐封焊，并预留一定宽度的板材边缘为通气槽口，并在通气槽口处焊接不锈钢管，将封边焊后的预制坯放入到扩散连接专用工装模具内，
对预制坯抽真空，真空度为1.0×10-1Pa～1.0×10-3Pa，对扩散连接专用工装模具和预制坯加热，升温至925℃～1045℃，对扩散连接专用工装模具加压，实现预制坯的面板与芯板的扩散连接，扩散连接的工艺参数为：925℃～1045℃/2～4MPa/60～120min；
步骤六、超塑成形：将扩散连接后的预制坯从扩散连接专用工装模具中取出，放入超塑成形模具中，升温至925℃～1045℃，在不锈钢管中通入氩气进行超塑成形，超塑成形工艺参数为：925℃～1045℃/2～4MPa/30～60min；
步骤七、从超塑成形模具中取出成形后的预制坯，采用机加工方法加工出GH4169高温合金四层点阵轻量化结构。
2.根据权利要求1所述的一种高温合金四层点阵轻量化结构制备方法，其特征在于：所述步骤一中，加工完成中间层板的镂空的菱形网格结构后，使用砂带机或白钢刀去除切割毛刺。
3.根据权利要求1所述的一种高温合金四层点阵轻量化结构制备方法，其特征在于：所述步骤四中，在两个中间层板的板材表面涂抹完成阻焊剂后，进行烘干，使阻焊剂牢固涂覆在中间层板的板材表面不脱落。
4.根据权利要求1所述的一种高温合金四层点阵轻量化结构制备方法，其特征在于：所述步骤五中的不锈钢管与超塑成形机的气路连接。
5.根据权利要求1所述的一种高温合金四层点阵轻量化结构制备方法，其特征在于：所述步骤六中，在0.1h～0.2h时间周期内，氩气压力由0.1MPa升至2.0MPa。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种高温合金四层点阵轻量化结构制备方法，其特征在于：在扩散连接前在扩散连接专用工装模具中涂抹润滑剂，在超塑成形前，在超塑成形模具中涂抹润滑剂。
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