CN112846643A - 一种钛合金薄壁中空结构成形方法及成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钛合金薄壁中空结构成形方法及成形装置，属于材料成形技术领域，解决了现有技术中薄壁中空结构成形过程繁杂、损耗大的问题。本发明提供一种钛合金薄壁中空结构成形方法，包括：步骤1：制备镂空板；步骤2：制备面板；步骤3：制备覆板；步骤4：将镂空板、面板和覆板装配在上模具和下模具中；步骤5：进行扩散连接和超塑成形；步骤6：去除减重区域。本发明采用了镂空板和覆板，实现了减重区域一次成形，有效解决了薄壁板材非真空环境下热成形过程的氧化问题。

Description

一种钛合金薄壁中空结构成形方法及成形装置

技术领域

本发明涉及材料成型技术领域，尤其涉及一种钛合金薄壁中空结构成形方法及成形装置。

背景技术

随着装备制造向高速化、轻量化方向发展，目前均在追求材料的轻质化、结构最优化、连接形式最简化。

轻量化结构是指通过整体优化设计以及引入轻量化制造技术制造出强度、刚度更高，整体重量更轻的结构类零件。轻量化结构除了采用钛合金、铝合金、镁合金等轻质材料外，另一个重要途径就是在结构上采用“以空代实”。

钛合金作为高强度金属材料，具有优良抗疲劳性能和优越耐腐蚀性能，其工作温度范围可达650℃，是航空航天发动机系统和飞行器结构理想备选材料。钛合金的超塑成形/扩散连接技术是利用材料在超塑性状态下的优异变形性能和扩散连接性能而发展起来的一种新技术，当钛合金处于超塑状态时，其流动性能好，易于填充，从而容易成形出形状复杂的结构零件。然而钛合金超塑成形过程材料处于高温区，不可避免产生晶粒长大，从而导致性能损耗，且相对于传统中空结构，薄壁中空结构行性能损耗对其整体性能影响更大。

因此，新型机翼、尾翼中空结构急需开发新型组织性能、低损耗、精密成形技术，以解决此类共性基础问题。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种钛合金薄壁中空结构成形方法及成形装置，用以解决现有薄壁中空结构成形过程繁杂、损耗大的问题。

本发明提供了一种钛合金薄壁中空结构成形方法及成形装置，具体包括：

步骤1：制备镂空板；

步骤2：制备面板；

步骤3：制备覆板；

步骤4：将所述镂空板、所述面板和所述覆板装配在上模具和下模具中；

步骤5：进行扩散连接和超塑成形；

步骤6：去除减重区域。

进一步，所述镂空板包括沟槽，所述沟槽用于直接去除多余镂空板材实现减重区域一次成形。

进一步，所述镂空板还包括嵌条，所述嵌条的长度为0.8-1.2mm，所述嵌条用于连接切割的镂空板材和所述镂空板。

进一步，所述面板上设计止焊剂图形，在所述止焊剂图形上涂覆厚度为0.1-0.2mm的止焊剂，所述面板的所述止焊剂图形区域不与所述镂空板扩散连接，所述止焊剂图形区域为减重区域。

进一步，所述覆板包括上覆板和下覆板，所述上覆板和所述下覆板上止焊剂的涂覆厚度为0.1-0.2mm，所述覆板形成自封闭结构，使成形零件在高温下始终处于真空和氩气的保护状态下。

进一步，所述上覆板、所述面板、所述镂空板和所述下覆板自上而下依次放置，放置整齐后，进行氩弧焊封焊。

进一步，所述下模具包括进气管，所述进气管中在充入氩气，氩气压力为2MPa，升温到910℃-930℃并保压120分钟。

进一步，所述镂空板与所述面板之间充入氩气，降温至880℃-900℃，气压为1.5MPa，所述镂空板在气压作用下发生吹胀成形贴膜，形成中空结构。

进一步，所述镂空板、所述面板和所述覆板的材料均采用钛合金板材。

本发明还提供实施钛合金薄壁中空结构成形方法的成形装置，包括上模具、下模具和至少一个进气管。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、本发明根据设计的镂空板图形，用激光切割宽度为0.8-1.2mm的沟槽，切割沟槽能够在去除多余的镂空板材时，沿着沟槽直接把多余的镂空板材去掉，操作快捷、简便，相对于现有的需化学铣削或机加工艺等去除方式或方法，在生产工艺上更加省时、省力、环保且成本更低。

2、本发明在切割沟槽的同时需要在镂空板图形的长边上预留宽度0.8-1.2mm的嵌条，嵌条可使切割的镂空板材连接起来，不至于使切割的镂空板材掉下来且需要去除多余镂空板材时直接沿嵌条拆出即可，省事省力，大幅提高作业效率。

3、本发明引入覆板自封闭结构，成形零件在高温下始终处于真空和氩气保护状态下，有效解决薄壁板材非真空环境下热成形过程的氧化问题，大幅度提升超速成形后材料的力学性能，力学性能提升20％-30％。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为薄壁中空结构截面结构示意图；

图2为图1中AA截面结构示意图；

图3为图1中BB截面结构示意图；

图4为图1中CC截面结构示意图；

图5为图1中镂空板结构示意图；

图6为面板上止焊剂图形示意图；

图7为覆板结构示意图；

图8为薄壁中空结构成形装配图；

图9为镂空板减重示意图。

附图标记：

1-镂空板；11-沟槽；12-嵌条；2-面板；3-止焊剂图形；4-覆板；41-上覆板；42-下覆板；5-上模具；6-下模具；7-进气管。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，如图1-图9所示，公开了一种钛合金薄壁中空结构成形方法及装置，步骤包括：

步骤1：制备镂空板1。

准备镂空板材：可采用符合航天标准的TA15、TC4、T160、Ti55等钛合金板材制作镂空板1，镂空板1的厚度为0.5mm；然后设定镂空板图形，镂空板图形根据实际需求情况设定。

镂空板1切割：根据设计的镂空板图形，用激光切割宽度为0.8-1.2mm的沟槽11，切割沟槽11能够在去除多余的镂空板材时，可沿着沟槽11直接把多余的镂空板材去掉，操作快捷、简便。

在切割沟槽11的同时在镂空板图形的长边上预留宽度0.8-1.2mm的嵌条12，嵌条12可使切割的镂空板材连接起来，不至于使切割的镂空板材掉下来，同时后期简单用力即可将切割的镂空板材沿沟槽11直接去除，相对于现有的需化学铣削或机加工艺等去除方式或方法，在生产工艺上更加省时、省力、环保且成本更低。

具体的，当嵌条12的宽度小于0.8mm时，激光切割操作难度大且在运输过程中切割的镂空板材容易掉下来；当嵌条12的宽度大于1.2mm时，在后期将嵌条切除时操作困难。本实施例精确设置嵌条12宽度为0.8-1.2mm，激光较易切割，且在后期去掉嵌条时操作简单。

酸洗镂空板1：镂空板1在加工过程中会出现黑色、黄色的氧化皮。为了提高镂空板1的外观和耐腐蚀性，需去掉氧化皮，因此需要进行酸洗。并且在酸洗处理后的镂空板1表面会形成一层以铬为主要物质的氧化膜，不会再产生二次氧蚀，从而提高镂空板1的表面防腐质量，延长使用寿命。另外，通过酸洗，还可以去掉镂空板1表面的油污。

具体的，酸洗过程中所用的酸为浓度10％HF与浓度65％HNO₃的混合，其体积配比为HF：HNO₃：H₂O＝1:9:10，通过该精确体积配比，能够有效提升酸洗的质量和酸洗效果。

步骤2：制备面板2。

准备面板2：采用符合航天标准的TA15、TC4、T160、Ti55等钛合金板材制备面板2，面板2的厚度为0.5mm。

酸洗面板2：所选用的酸为浓度10％HF与浓度65％HNO₃的混合，其体积配比为HF：HNO₃：H₂O＝1:9:10。酸洗的作用为去除面板2上的氧化皮和油污，由此提高面板2的外观和耐腐蚀性，同时延长了使用寿命。

设计止焊剂图形3：根据需求在面板2上设计止焊剂图形3，止焊剂图形3需要与镂空板1的图形相对应。在止焊剂图形3上涂覆止焊剂，止焊剂可以选用Y₂0₃或者Zr0₂陶瓷粉末配置，涂覆止焊剂的厚度为0.1-0.2mm。

步骤3：制备覆板4。

准备覆板4板材：采用符合航天标准的TA15、TC4、T160、Ti55等钛合金板材制作覆板4，分为上覆板41和下覆板42。

酸洗覆板4：所选用的酸为浓度10％HF与浓度65％HNO₃的混合，其体积配比为HF：HNO₃：H₂O＝1:9:10。酸洗的作用为去除覆板4上的氧化皮和油污，由此提高覆板4的外观和耐腐蚀性，延长使用寿命。

涂覆止焊剂涂料：在上覆板41和下覆板42的其中一面上涂覆止焊剂涂料，止焊剂可以选用Y203或者Zr02陶瓷粉末配置，止焊剂的厚度为0.1-0.2mm之间。

具体的，当止焊剂的厚度小于0.1mm时，止焊剂作用会减弱，导致无法阻止物体焊接；当止焊剂的厚度大于0.2mm时，止焊剂作用已经达到饱和，会造成止焊剂用量浪费。所以本实施例精确设置止焊剂的厚度为0.1-0.2mm，止焊剂已经达到完全止焊作用，且不会造成浪费。

步骤4：装配。

首先，将下覆板42放在下层，涂覆有止焊剂一面的朝上，接着在下覆板42上放置镂空板1，在镂空板1上面对应放置面板2，在面板2上放置上覆板41，上覆板41涂覆有止焊剂的一面与面板2接触。上覆板41、镂空板1、面板2与下覆板42叠放整齐之后四周进行氩弧焊封焊，即覆板4形成自封闭结构。

本发明创新性地引入覆板4形成自封闭结构，有效解决了薄壁板材非真空环境下热成形过程的氧化问题，由于引入了覆板4，成形零件在高温下始终处于真空和氩气保护状态下，零件表面不存在氧化问题，大幅度提升超速成形后材料的力学性能，力学性能提升20％-30％。

其次，在下模具6焊接至少一个进气管7，具体进气管7的个数根据需要进行焊接。焊接完毕之后对进气管进行气密性检查，检查方式可采用正压检漏，检漏压力为0.02MPa，需保压5分钟或者打压后在焊缝周边进行肥皂水检漏。下模具6根据止焊剂图形3设计为具有凹槽形状，以使镂空板进行贴膜成形。

最后，将装配好的零件装入模板中，其中，上覆板41置于上模具5下方，下覆板42置于下模具6上方。

步骤5：超塑成形和扩散连接。

将模具内部均抽为真空状态，之后进行加温，升温到设定温度910℃-930℃，接着在下模具6中的进气管7内进氩气，进氩气压力为2MPa，保压120分钟，确保实现镂空板1与面板2中未涂覆止焊剂的位置进行扩散连接。

停止在下模具6中的进气管7内进氩气，降温至880℃-900℃，接着在镂空板1与面板2之间充氩气，气压为1.5MPa，镂空板1和下覆板42在气压的作用下，发生吹胀成形贴膜。

步骤6：去除减重区域。

将模具降温至常温后，去除上模具5和下模具6，然后切除镂空板1、面板2、上覆板41和下覆板42的四周封焊边，紧接着去除上覆板41和下覆板42，因为在上覆板41和下覆板42上均涂覆有止焊剂，在去除时操作简单。镂空板1和面板2之间除了涂覆止焊剂图形区域外，其他部分发生扩散连接，形成一个整体。在止焊剂图形区域，镂空板1与面板2未发生扩散连接，随即将止焊剂图形3区域去掉，先将嵌条12去掉，使镂空板1的减重区域与镂空板1不再连接，然后通过沟槽11将镂空板1的减重区域去掉，操作简单，省时省力。

本发明提出了覆板自封闭结构扩散连接和超塑成形一体化新技术，有效解决薄壁板材非真空环境下热成形过程的氧化问题；同时，本发明创新性地在成形时引入了镂空板1和覆板4，由于引入了覆板4，成形零件在高温下始终处于真空和氩气保护状态下，零件表面不存在氧化问题，大幅度提升超速成形后材料的力学性能，性能提升20％-30％。

另外，由于引入了镂空板结构，实现了减重区域一次成形，节省了模具和成形次数，且通过设置沟槽11和嵌条12，保证成形后无需化学铣削或机加工艺即可实现快速、精确去除减重区域，避免后续工序引起的零件变形，实现低成本精确成形，也避开了化学铣削等常规处理方式，实现了绿色、低成本制造、高效率生产制造。

本发明采用预制镂空减重板和超塑成形中空结构相结合的新工艺，实现构件在材料厚度和空间结构上的双重减重，相对于现有技术，具有明显的进步和提升。

本发明还提供一种实施钛合金薄壁中空结构成形方法的成形装置，成形装置包括上模具5和下模具6，上模具5和下模具6的材料为耐热钢。

上模具5为平板结构。

下模具6包括至少一个凹槽和至少一个进气管7，进气管7与凹槽连通；在向进气管7中充入氩气后，通过凹槽向下覆板42进行充气，使下覆板42、镂空板1、面板2和上覆板41在气压的作用下进行贴合连接。

进气管7焊接在下模具6中，焊接结束后要进行气密性检查，检查方法为正压检漏，检漏压力为0.02MPa，需保压5分钟或者打压后在焊缝周边进行肥皂水检漏。

成形装置还包括用于在镂空板1和面板2之间充入氩气的充气组件(如：进气管等)。在镂空板1和面板2之间充入氩气时，镂空板1在气压作用下会发生吹胀成形贴膜，镂空板1贴附在膜具的凹槽内，镂空板1形成中空结构。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钛合金薄壁中空结构成形方法，其特征在于，步骤包括：

步骤1：制备镂空板(1)；

步骤2：制备面板(2)；

步骤3：制备覆板(4)；

步骤4：将所述镂空板(1)、所述面板(2)和所述覆板(4)装配在上模具(5)和下模具(6)中；

步骤5：进行扩散连接和超塑成形；

步骤6：去除减重区域。

2.根据权利要求1所述的钛合金薄壁中空结构成形方法，其特征在于，所述镂空板(1)包括沟槽(11)。

3.根据权利要求2所述的钛合金薄壁中空结构成形方法，其特征在于，所述镂空板(1)还包括嵌条(12)。

4.根据权利要求1所述的钛合金薄壁中空结构成形方法，其特征在于，所述面板(2)上设计止焊剂图形(3)。

5.根据权利要求1所述的钛合金薄壁中空结构成形方法，其特征在于，所述覆板(4)包括上覆板(41)和下覆板(42)。

6.根据权利要求1-5任一项所述的钛合金薄壁中空结构成形方法，其特征在于，所述上覆板(41)、所述面板(2)、所述镂空板(1)和所述下覆板(42)自上而下依次放置，放置整齐后，进行氩弧焊封焊。

7.根据权利要求1所述的钛合金薄壁中空结构成形方法，其特征在于，所述下模具(6)包括进气管(7)。

8.根据权利要求7所述的钛合金薄壁中空结构成形方法，其特征在于，所述镂空板(1)与所述面板(2)之间充入氩气。

9.根据权利要求8所述的钛合金薄壁中空结构成形方法，其特征在于，所述镂空板(1)、所述面板(2)和所述覆板(4)的材料均采用钛合金板材。

10.一种实施权利要求1-9所述的钛合金薄壁中空结构成形方法的成形装置，其特征在于，包括上模具(5)、下模具(6)和至少一个进气管(7)。

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