CN112272591A

CN112272591A - 超塑性成型设备和方法

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Publication number: CN112272591A
Application number: CN201980038783.3A
Authority: CN
Inventors: 彼得·安德森
Original assignee: Group Rhodes Ltd
Current assignee: Group Rhodes Ltd
Priority date: 2018-06-07
Filing date: 2019-05-02
Publication date: 2021-01-26
Anticipated expiration: 2039-05-02
Also published as: CA3115021A1; WO2019234382A1; US20210245224A1; US11660654B2; EP3781334A1; CN112272591B; GB201809397D0; EP3781334C0; EP3781334B1

Abstract

一种用于通过超塑性成型形成的构件(10)的冷却设备(100)，包括：气源(110)，其被配置以经由气体入口(111)向所述构件(10)的内部空间(15)供应气体；气体出口(12)，其被配置以允许气体离开所述内部空间(15)；以及气柱(120)，其连接至所述气体出口(112)，并且被配置以对作用在所述构件(10)上的外部压力(P)的变化进行补偿。还描述了压力平衡装置、超塑性成型设备以及用于冷却通过超塑性成型形成的构件的方法。

Description

超塑性成型设备和方法

技术领域

本发明涉及超塑性成型设备和方法。

背景技术

具有对于各种复杂形状的薄且坚固的金属构件的需求，特别是在航空航天和汽车工业中。

形成这种构件的一种方法涉及将材料加热到高温(大约1,000℃，但会根据特定的材料而变化)，以使得材料进入“塑性”状态，在“塑性”状态下，材料可以轻松地成型并且模塑为所需的形状。在本领域中，将导致塑性状态的温度称为“转变温度”，并且将该方法称为“超塑性成型”(SPF)。

另外，当材料的片材被加热到它们的转变温度时，可以通过施加诸如夹紧力的载荷使它们结合在一起。该结合过程称为“扩散结合”(DB)，并且可以在片与片之间提供均匀的接合。

在一种示例性的方法中，通过在压模(die)或模具(mould)中放置两层或更多层材料来形成构件，尤其是形成基本上中空的构件。将这些层加热到转变温度，然后在多个结合区处夹紧，以使得这些层在这些结合区处进行扩散结合。然后，将高压气体(例如氩气)引入到这些层之间，从而迫使非结合区域中的这些层分开。当这些层受迫分开时，材料顺应模具的形状，由此形成所需形状的构件。这种方法允许复杂形状的精确生产，并且使用多于两层时能够形成薄的内部区段壁。

通常，在成型过程完成后(即，当材料仍处于塑性状态时)，立即从模具或压模中取出这些构件，以便使生产维持在相对较高的速度。但是，在从模具中取出构件期间以及在随后的构件冷却期间会出现困难。

具体地，具有大表面积(例如超过1m²)的材料的薄区段(例如0.5mm至1mm厚)容易发生扭曲。此外，在冷却期间，特别是在转变温度和材料稳定的温度(以下称为“稳定温度”，通常为550℃左右，但会根据特定的材料而变化)之间，作用在新形成的构件上的内部压力和外部压力之间的任何差异都可能导致作用在构件上的相对较大的力。因此，可能会导致扭曲。

在冷却期间会出现另一个困难，即进入构件的内部空腔的任何氧气都会导致材料的氧化。

本发明的目的是解决以上困难中的至少一些，或者将从下面的描述中领会的其它困难。本发明的另一个目的是提供允许快速、准确和可靠地生产超塑性成型的构件的设备和方法。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于通过超塑性成型形成的构件的冷却设备，该冷却设备包括：

气源，其被配置以经由气体入口向构件的内部空间供应气体；

气体出口，其被配置以允许所述气体离开所述内部空间；以及

气柱，其连接至气体出口，并且被配置以对作用在构件上的外部压力的变化进行补偿。

优选地，所述气体是惰性气体。更优选地，所述气体是氩气。优选地，气源被配置以供应气体，直到构件冷却至稳定温度。有利地，惰性气体防止冷却期间的构件的内部空间的氧化。

优选地，气体入口是连接至构件中的入口孔的管道或管子。更优选地，入口孔是预先存在的孔，在超塑性成型期间，通过该预先存在的孔来引入气体。

优选地，构件由金属形成。更优选地，构件由钛形成。可选地，构件可以由铝形成。

优选地，气柱是基本上竖直对齐的结构，其中气柱的高度，优选地竖直高度，大于气柱的宽度。优选地，气柱至少部分地填充有气体，优选地，该气体与由气源供应的气体相同。优选地，气柱中的气体的重量施加方向朝下的压力。优选地，气柱用于确保优选地由气体施加在内部空间上的内部压力基本上等于作用在构件的外表面上的外部压力。优选地，外部压力是环境大气压力。

优选地，气柱包括位于其上部的开口，以使得外部压力作用在气柱中的气体的上表面上。优选地，开口向大气开放。更优选地，开口位于气柱的最高点处。优选地，气柱中的气体具有比空气更大的密度。有利地，构件中的过量的内部压力通过气柱排出。有利地，通过由气柱中的气体的重量所引起的构件中的内部压力的增加来对外部压力的增加进行补偿。

优选地，气柱的高度基于构件的内部空间的体积来进行计算。优选地，气柱的高度基于所预期的大气压力的上限来进行计算。优选地，气柱的高度基于所预期的大气压力的下限来进行计算。优选地，气柱的高度基于冷却期间的气体密度的变化来进行计算。有利地，气柱的高度可以进行调节，以冷却不同的构件。

优选地，该设备还包括控制阀，该控制阀被配置以控制气体从该设备的离开。更优选地，控制阀连接到气体出口112。

优选地，气柱连接至位于构件和控制阀之间的位置处的气体出口。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于冷却设备的压力平衡装置，该压力平衡装置包括：

气体出口，其与构件的内部空间可连接，以及

在第二方面的装置中所需的构件的其它优选特征在与第一方面有关的上文进行了限定，并且可以以任何组合方式进行组合。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于形成构件的超塑性成型设备，该超塑性成型设备包括：

加热装置，其被配置以加热材料的多个片材，每个片材包括至少一个结合区；

模具，其与所需的构件的形状相对应，并被配置以接纳多个片材；

第一气源，其被配置以在多个片材之间引入第一气体，以使多个片材在除与所述至少一个结合区对应的区域之外的区域中受迫分开，以与模具的形状一致；

第二气源，其被配置以经由气体入口向构件的内部空间供应第二气体；

气体出口，其被配置以允许第二气体离开内部空间，以及

在第三方面的设备中所需的构件的其它优选特征在与第一方面和第二方面相关的上文进行了限定，并且可以以任何组合方式进行组合。

根据本发明的第四方面，提供了一种冷却通过超塑性成型形成的构件的方法，该方法包括：

向构件的内部空间供应气体；

允许气体经由出口离开内部空间；以及

利用与出口连接的气柱对作用在构件上的外部压力的变化进行补偿。

在第四方面的方法中所需的构件的其它优选特征在与第一方面、第二方面和第三方面相关的上文进行了限定，并且可以以任何组合方式进行组合。

附图说明

为了更好地理解本发明，并且展示如何实现本发明的实施方式，现在将通过示例的方式参考所附的示意图，其中：

图1(a)是涉及两层的示例性超塑性成型过程的剖视图；

图1(b)是涉及三层的示例性超塑性成型过程的剖视图；

图2是用于通过超塑性成型形成的构件的示例性冷却设备的示意图；以及

图3示出了冷却通过超塑性成型形成的构件的示例性方法的流程图。

具体实施方式

图1(a)示出了使构件10超塑性成型的方法，展示了成型前后的材料以及所得到的构件10。在图1(a)中，构件10由两个材料片材形成，两个材料片材为上片材11a和下片材11b。在一个示例中，片材11由钛形成。在其它示例中，片材11由铝形成。

在片材11上限定多个结合区16，在这些结合区16，片材11需要被扩散结合在一起。在一个示例中，通过在不需要进行扩散结合的片材11的区域中，将涂层14施加到片材11中的一者或两者上来限定结合区16。特别地，将涂层14施加到在成型过程中彼此面对地布置的片材11的表面上。换句话说，将涂层施加到上片材11a的下表面和下片材11b的上表面中的一者或两者上。因此，涂层14用作掩膜，由此限定了结合区16。在一个示例中，使用丝网印刷将涂层14施加到片材11或每个片材11上。

使用合适的加热装置将片材11加热到材料的转变温度。例如，加热装置可以包括压板，使用电阻加热系统来加热该压板。当片材进入塑性状态时，塑性状态使得它们可以被容易地模塑和成型，并且允许它们扩散结合。在片材11由钛形成的示例中，转变温度为大约为+925℃。在片材11由铝形成的示例中，转变温度为大约为+495℃。

然后将经加热的片材11放置在模具(mould)30或压模(die)中。模具30限定有一个或多个凹部31，一个或多个凹部31与所需的成品10的形状相对应。夹具20在一个或多个夹紧点21处施加力，以在模具中固定经加热的片材11。

一旦在模具30内固定，就在片材11之间以高压引入气体。气体由合适的气源供应。在一个示例中，气体是惰性气体。在一个示例中，气体是氩气。在一个示例中，经由插入片材11之间的小型针状管引入气体。在一个示例中，以大约6兆帕(60巴)的压力将气体引入到片材之间。

气体迫使片材11在非结合区(即，已经施加涂层14的区域)分开。因此，片材11在模具30内有效地膨胀，气体使得片材11与模具30的凹部31的形状一致。所得到的构件10包括位于片材11之间的非结合区中的一个或多个内部空间或空腔15。

图1(b)示出了使构件10超塑性成型的类似方法。但是，在图1(b)中，构件10由三个片材11形成，三个片材11为：上片材11a、下片材11c和布置在上片材11a和下片材11c之间的中间片材11b。

在图1(b)所示的示例中，在面对另一片材11布置的片材11的表面上限定结合区16。换句话说，将涂层14施加到上片材11a的下表面和中间片材11b的上表面中的一者或两者上。还将涂层14施加到中间片材11b的下表面和下片材11c的上表面中的一者或两者上。

以与上文参考图1(a)所述的方式类似的方式，加热片材11并在模具30中夹紧片材11。同样，以高压将气体引入到片材11之间，并且外片材11a和11c与模具30的形状一致。气体使中间片材11b形成构件10内的内部区段壁，在内部区段壁之间限定了多个空腔15。

本领域技术人员将理解，片材11的数量、结合区16的数量和位置以及模具30的形状可以根据所得到构件的期望形状和内部结构而变化。

在一个示例中，使用包括加热装置、模具和气源的超塑性成型设备来形成构件10。

一旦形成，就在仍然是热的情况下从模具30中移除构件10，然后使用冷却设备100进行冷却，这将在下文参考图2进行描述。将理解的是，在其它示例中，超塑性成型设备包括冷却设备100。在这样的示例中，构件10可以在模具30中进行冷却，而不是在从模具30中移除之后进行冷却。

冷却设备100包括气源110、气体入口111、气体出口112和气柱120。

气源110被配置以经由气体入口111将气体供应至构件10的内部空间15。在一个示例中，气体是惰性气体。在一个示例中，气体是氩气。在一个示例中，气体入口111是连接至构件10中的入口孔的管道或管子。入口孔与在上述超塑性成型过程中以高压将气体引入至片材11之间的入口可以是相同的入口。

气体出口112被配置以允许气体离开构件10的内部空间15。因此，在冷却期间，气体流穿过构件10。在一个示例中，供应气体流直到构件已经达到稳定温度。在构件由钛形成的示例中，稳定温度约为+550℃。气体的供应阻止空气进入构件的内部空间15，从而防止由构件10的热的内表面与空气中的氧气反应而引起的氧化。

供应至构件10的内部空间15的气体在内部空间15上施加压力，以下称为内部压力。同时，外部压力P作用在构件的外表面上。通常，该外部压力是环境大气压力。然而，将理解的是，冷却设备可以位于这样的环境中，在该环境中外部压力不是环境大气压力，而是在该环境中维持的不同的外部压力。

应当理解，外部压力P根据气候条件而变化。如果在冷却期间内部压力和外部压力P不相等，则构件10可能发生变形或扭曲。

气柱120连接至气体出口112，并且用于使内部压力和外部压力P平衡。气柱120是基本上竖直对齐的结构，柱的高度h大于柱的宽度。气柱120的竖直取向导致重力作用于容纳在气柱120中的气体上，由此气体的重量提供方向朝下的压力。

在一个示例中，填充气柱120的气体与由气源110供应的气体相同。气柱120在最高点121处向大气开放。气柱120中容纳的气体具有比空气更大的密度，因此不会被空气中的氧气污染，并且气柱120中的气体也不会逸出。例如，与空气相比，氩气的密度为约1.6kg/m³，而空气的密度为约1.2kg/m³。

在一个示例中，计算气柱120的高度h以在柱的底部获得期望的压力。

在一个示例中，设备100还包括控制阀130。控制阀130连接至气体出口112，并且被配置以控制气体从设备100的离开。在一个示例中，气柱120连接至位于构件10与控制阀130之间的位置处的出口112。

在使用中，将构件10连接至入口111和出口112。气源110将气体供应至构件10的内部空间15，从而使得气体流穿过内部空间15。气体经由出口112流出构件10，并且经由控制阀130流出设备。

在使用中，外部压力P的任何变化由气柱120进行补偿，从而确保内部和外部压力保持基本相等。如果外部压力P减小，则过量的内部压力将从柱120的上端112排出。另一方面，如果外部压力P增加，则气柱120中的气体的重量用以增加内部压力。因此，使得环境压力变化的影响最小化。

图3示出了示例性的方法的流程图。

该方法包括第一步骤S301，该第一步骤S301是将气体供应到构件10的内部空间15。该方法包括第二步骤S302，该第二步骤S302是允许气体经由出口112离开内部空间15。由此，气体流被供应至构件的内部。该方法还包括步骤S303，该步骤S303是利用与出口112连接的气柱120来补偿大气(即外部)压力P的变化。因此，作用在构件上的内部压力和外部压力保持基本相等。

上述设备和方法提供了冷却通过超塑性成型形成的构件的有利方法。这样的构件，特别是与形成这些构件的材料的厚度相比具有大表面积的构件，在冷却期间容易由于作用在构件上的内部压力和外部压力的差异而发生扭曲。上述设备和方法提供了对例如由于气候条件的变化而导致的作用在构件上的外部压力的变化进行补偿的简单且经济的方式。因此，消除了对昂贵、复杂和脆弱的控制系统和阀的需求。

需要注意与本说明书同时或在本说明书之前提交的与本申请相关的并且与本说明书一起公开供公众查阅的所有论文和文献，所有这些论文和文献的内容通过引用并入本文。

本说明书(包括任何所附的权利要求书、说明书摘要和说明书附图)公开的所有特征，和/或公开的任意方法或过程的所有步骤，除了其中至少一些特征和/或步骤互相排斥的组合之外，可以以任意组合的方式组合。

除非另有明确说明，否则本说明书(包括任何随附的权利要求书、摘要和附图)中公开的每个特征可以由用于相同、等同或类似目的的替代性特征替换。因此，除非另有明文规定，所公开的每个特征只是一系列相等或类似特征的示例。

本发明不限于前述实施例的细节。本发明延伸到本说明书(包括任何随附的权利要求书、摘要和附图)中所公开的特征的任何新的一个或任何新的组合，或所公开的任何方法或过程的步骤的任何新的一个或任何新的组合。

Claims

1.一种用于通过超塑性成型形成的构件的冷却设备，包括：

气源，其被配置以经由气体入口向所述构件的内部空间供应气体；

气柱，其连接至所述气体出口，并且被配置以对作用在所述构件上的外部压力的变化进行补偿。

2.根据权利要求1所述的冷却设备，其特征在于，所述气源被配置以供应所述气体，直到所述构件冷却至稳定温度。

3.根据权利要求1或2所述的冷却设备，其特征在于，所述气体入口是连接至所述构件中的入口孔的管道或管子。

4.根据权利要求3所述的冷却设备，其特征在于，所述入口孔是预先存在的孔，所述预先存在的孔适于在超塑性成型期间使气体通过所述预先存在的孔而引入。

5.根据前述权利要求中任一项所述的冷却设备，其特征在于，所述气柱是基本上竖直对齐的结构。

6.根据前述权利要求中任一项所述的冷却设备，其特征在于，所述气柱的竖直高度大于所述气柱的宽度。

7.根据前述权利要求中任一项所述的冷却设备，其特征在于，所述气柱至少部分地填充有气体。

8.根据权利要求7所述的冷却设备，其特征在于，至少部分地填充所述气柱的气体与由所述气源供应的气体相同。

9.根据前述权利要求中任一项所述的冷却设备，其特征在于，所述气柱包括位于所述气柱的上部的开口，以使得所述外部压力作用在所述气柱中的气体的上表面上。

10.根据前述权利要求中任一项所述的冷却设备，其特征在于，所述气柱中的气体具有比空气更大的密度。

11.根据前述权利要求中任一项所述的冷却设备，其特征在于，还包括控制阀，所述控制阀被配置以控制所述气体从所述设备的离开。

12.一种用于冷却设备的压力平衡装置，包括：

气体出口，其与构件的内部空间可连接；以及

13.一种用于形成构件的超塑性成型设备，包括：

模具，其与所需的所述构件的形状相对应，并被配置以接纳所述多个片材；

第一气源，其被配置以在所述多个片材之间引入第一气体，以使所述多个片材在除与所述至少一个结合区对应的区域之外的区域中受迫分开，以与所述模具的形状一致；

第二气源，其被配置以经由气体入口向所述构件的内部空间供应第二气体；

气体出口，其被配置以允许所述第二气体离开所述内部空间；以及

14.一种冷却通过超塑性成型形成的构件的方法，包括：

向所述构件的内部空间供应气体；

允许所述气体经由出口离开所述内部空间；以及

利用与所述出口连接的气柱对作用在所述构件上的外部压力的变化进行补偿。