CN114310208A - 一种钛合金多层结构机加扩散连接模具及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种钛合金多层结构机加扩散连接模具及方法，拟实现钛合金中空多层结构件机加‑扩散连接成形。与现有加工工艺相比，可消除超塑成形/扩散连接后零件表面沟槽以及成形过程芯层漏气的问题，有效提高产品的质量与合格率；该方法先机加中空腔体，再扩散连接后可实现产品的少无余量的近净成形；该方法在真空设备下进行钛合金多层结构的扩散连接，可避免产品表面氧化，提高产品性能；此外，该方法尤其适合大批量生产，可显著缩短加工周期，降低成本，提高生产效率。
Description
技术领域
本发明属于精密钣金加工领域，涉及一种钛合金多层结构机加扩散连接模具及方法。
背景技术
钛合金中空多层结构主要应用于航空航天的翼舵，口盖，壁板等结构件。钛合金中空多层结构可最大限度实现航空航天结构件的轻量化。通常情况下，钛合金中空多层结构可采用超塑成形/扩散连接的工艺进行加工。但超塑成形/扩散连接加工过程存在工艺流程长，细节控制难度大，成形时极易出现表面沟槽或芯层漏气等问题，造成该工艺不仅成本高、周期长，而且合格率偏低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：本发明提供一种钛合金多层结构机加扩散连接模具及方法，拟实现钛合金中空多层结构件机加-扩散连接成形。与现有加工工艺相比，可消除超塑成形/扩散连接后零件表面沟槽以及成形过程芯层漏气的问题，有效提高产品的质量与合格率；该方法先机加中空腔体，再扩散连接后可实现产品的少无余量的近净成形；该方法在真空设备下进行钛合金多层结构的扩散连接，可避免产品表面氧化，提高产品性能；此外，该方法尤其适合大批量生产，可显著缩短加工周期，降低成本，提高生产效率。
本发明所采用的技术方案是：一种钛合金多层结构机加扩散连接模具，包括上模和下模；
上模和下模上均设置用于安放钛合金多层结构的型腔，均具有通气槽，用于向零件内部通入高压惰性气体；上模和下模的型腔内均具有排气孔，保障模具在真空设备中排除型腔内残留的气体；在下模内设置用于定位零件并在厚度方向上进行限位的定位槽；上下模设置有耦合的定位块。
一种使用所述的钛合金多层结构机加扩散连接模具的机加扩散连接方法，包括步骤如下：
步骤一、将钛合金多层结构的对称面作为扩散连接界面，进行钛合金多层结构的中空型腔的机械加工；
步骤二、钛合金多层结构分半机加完成后进行酸洗处理，酸洗完成后进行钛合金分半结构的装配；
步骤三、将模具升温到钛合金扩散连接温度，给上模施加机械压力并一直保压，进行十字立筋间以及其他扩散连接部位的扩散连接。
步骤一中：机加时，以扩散连接界面为分界面对钛合金多层结构的型腔进行分半加工；机加时，型腔中的十字立筋高度以及其他扩散连接部位厚度方向采用0～+0.2mm的正偏差；在每个格子的十字立筋处开出豁口，在与扩散连接模具对应部位开出进气孔。
步骤二中，采用手工氩弧焊的方法进行钛合金分半结构的装配，具体为：
将对称的两半型腔以机加轮廓为基准对齐并用夹具夹紧；采用手工氩弧焊的方式将两半型腔的四周对接面焊接；最后在钛合金多层结构的进气孔处焊接进气管；焊接完成后检查进气管及型腔的气密性；检测完气密性后将坯料放于下模型腔的定位槽内，进气管与模具的通气槽对齐，合上上模并连接外部管路。
步骤三中，在坯料的进气管内通入高压惰性气体并保压，保压结束后先将设备温度降至500℃以下再卸载进气管的高压惰性气体，最后卸载上模施加的机械压力。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明与现有加工工艺相比，可消除超塑成形/扩散连接后零件表面沟槽以及成形过程芯层漏气的问题，有效提高产品的质量与合格率；
本发明先机加中空腔体，再扩散连接后可实现产品的少无余量的近净成形；
本发明在真空设备下进行钛合金多层结构的扩散连接，可避免产品表面氧化，提高产品性能；
本发明尤其适合大批量生产，可显著缩短加工周期，降低成本，提高生产效率。
附图说明
图1为钛合金多层结构机加扩散连接模具图；
图2为钛合金多层结构剖面结构图；
图3为钛合金多层结构装配示意图。
具体实施方式
为避免成形过程出现表面沟槽或芯层漏气的缺陷，提高钛合金中空多层结构产品的质量和合格率，本发明提出了一种钛合金多层结构机加扩散连接模具及方法。
图3为钛合金多层结构装配示意图。本发明提出了一种钛合金多层结构机加扩散连接模具如图1所示。钛合金多层结构机加扩散连接模具包括上模1和下模2；
上模1和下模2均具有通气槽3，便于钛合金多层结构扩散连接过程向零件内部通入高压惰性气体，以此避免在高温下零件表面下塌；上模1和下模2的型腔内均具有排气孔4，保障模具在真空设备中可以排除型腔内残留的气体；为保证装模时坯料定位准确，在下模2设置定位槽5；该定位槽5不仅可以定位零件，还可以在厚度方向进行限位，保证高温高压扩散连接时零件不被压薄。为保证模具合模后扩散连接过程零件不发生错位，上下模设置有耦合的定位块。
一种钛合金多层结构机加扩散连接方法，包括步骤如下：
钛合金多层结构在进行扩散连接前，需要先进行中空型腔的机加工作。本方法将钛合金多层结构的对称面作为扩散连接界面，机加时以扩散连接界面为分界面对型腔进行分半加工，如图2所示。机加时为保障十字立筋以及其他扩散连接部位的扩散焊合率，十字立筋高度以及其他扩散连接部位厚度方向采用0～+0.2mm的正偏差。为便于扩散连接时在中空腔体的每个格子内通入高压惰性气体，机加时在每个格子的十字立筋处开出豁口6，豁口6大小一般为2×2mm；同时，在与扩散连接模具对应部位开出进气孔7。
钛合金多层结构分半机加完成后需酸洗处理，去除机加过程残留的切削液以及表面的污染层。酸洗完成后进行扩散连接前钛合金分半结构的装配，本发明采用手工氩弧焊的方法进行分半结构的装配。具体为：将对称的两半型腔以机加轮廓为基准对齐并用夹具夹紧；采用手工氩弧焊的方式将两半型腔的四周对接面9焊接；最后在钛合金多层结构的进气孔7处焊接进气管8；焊接完成后检查进气管8及型腔的气密性。检测完气密性后将坯料放于下模2型腔的定位槽内，进气管8与模具的通气槽3对齐，合上上模1并连接外部管路。
管路连接好后将模具升温到钛合金扩散连接温度，然后给上模1施加机械压力并一直保压进行十字立筋间以及其他扩散连接部位的扩散连接。过程中为了避免在高温下零件表面下塌，在坯料的进气管内通入高压惰性气体并保压。保压结束后先将设备温度降至500℃以下再卸载进气管的高压惰性气体，最后卸载上模施加的机械压力。
实施例：
本实施例提供了一种钛合金多层结构机加扩散连接模具及方法；实施例零件为钛合金中空带十字加强筋的四层结构，材料牌号为TA15。
本实施例的具体方法步骤如下：
设计制作TA15四层结构扩散连接模具；根据零件模型设计制作TA15四层结构扩散连接模具。根据TA15的扩散连接温度为920～930℃，TA15四层结构的材料选为Ni7N；考虑到高温下模具和零件的线膨胀系数不同，对TA15四层结构扩散连接模具进行缩小7‰的处理。
机械加工TA15中空分半型腔；根据零件模型，以扩散连接界面为分界面对型腔进行分半加工。机加时为保障十字立筋以及其他扩散连接部位的扩散焊合率，十字立筋高度以及其他扩散连接部位厚度方向采用0～+0.2mm的正偏差。为便于扩散连接时在中空腔体的每个格子内通入高压惰性气体，机加时在每个格子的十字立筋处开出豁口，豁口大小一般为2×2mm；同时，在与扩散连接模具对应部位开出进气孔，通气孔大小
将TA15中空分半型腔焊接成整体；零件酸洗完成后，将对称的两半型腔以机加轮廓为基准对齐并用夹具夹紧；采用手工氩弧焊的方式将两半型腔的四周对接面焊接；最后在钛合金多层结构的进气孔处焊接进气管；焊接完成后检查进气管及型腔的气密性。
坯料装模定位，对模具升温；检测完气密性后将坯料放于下模型腔的定位槽内，进气管与模具的通气槽对齐，合上上模并连接外部管路。
TA15中空四层结构扩散连接；管路连接好后将模具升温到TA15扩散连接温度920～930℃，然后给上模施加4MPa的机械压力并一直保压，以进行十字立筋间以及其他扩散连接部位的扩散连接。过程中为了避免在高温下零件表面下塌，在坯料的进气管内通入0.1MPa的高压氩气并一直保压。待保压2小时后先将设备温度降至500℃以下再卸载进气管的高压惰性气体，最后卸载上模施加的机械压力。
零件降温至200℃以下时开模取件。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。
Claims (5)
1.一种钛合金多层结构机加扩散连接模具，其特征在于，包括上模(1)和下模(2)；
上模(1)和下模(2)上均设置用于安放钛合金多层结构的型腔，均具有通气槽(3)，用于向零件内部通入高压惰性气体；上模(1)和下模(2)的型腔内均具有排气孔(4)，保障模具在真空设备中排除型腔内残留的气体；在下模(2)内设置用于定位零件并在厚度方向上进行限位的定位槽(5)；上下模设置有耦合的定位块。
2.一种使用如权利要求1所述的钛合金多层结构机加扩散连接模具的机加扩散连接方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤一、将钛合金多层结构的对称面作为扩散连接界面，进行钛合金多层结构的中空型腔的机械加工；
步骤二、钛合金多层结构分半机加完成后进行酸洗处理，酸洗完成后进行钛合金分半结构的装配；
步骤三、将模具升温到钛合金扩散连接温度，给上模(1)施加机械压力并一直保压，进行十字立筋间以及其他扩散连接部位的扩散连接。
3.根据权利要求2所述的钛合金多层结构机加扩散连接方法，其特征在于，步骤一中：机加时，以扩散连接界面为分界面对钛合金多层结构的型腔进行分半加工；机加时，型腔中的十字立筋高度以及其他扩散连接部位厚度方向采用0～+0.2mm的正偏差；在每个格子的十字立筋处开出豁口(6)，在与扩散连接模具对应部位开出进气孔(7)。
4.根据权利要求3所述的钛合金多层结构机加扩散连接方法，其特征在于，步骤二中，采用手工氩弧焊的方法进行钛合金分半结构的装配，具体为：
将对称的两半型腔以机加轮廓为基准对齐并用夹具夹紧；采用手工氩弧焊的方式将两半型腔的四周对接面(9)焊接；最后在钛合金多层结构的进气孔(7)处焊接进气管(8)；焊接完成后检查进气管(8)及型腔的气密性；检测完气密性后将坯料放于下模(2)型腔的定位槽内，进气管(8)与模具的通气槽(3)对齐，合上上模(1)并连接外部管路。
5.根据权利要求4所述的钛合金多层结构机加扩散连接方法，其特征在于，步骤三中，在坯料的进气管(8)内通入高压惰性气体并保压，保压结束后先将设备温度降至500℃以下再卸载进气管(8)的高压惰性气体，最后卸载上模(1)施加的机械压力。
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