CN115283940A - 一种基于覆板自封闭结构的真空超塑一体化成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于覆板自封闭结构的真空超塑一体化成形方法，包括以下坯料加工、表面处理、涂覆隔离剂、组合焊接、扩散连接、超塑成形、后处理。方法提在扩散连接过程实现真空的保护，有效解决薄壁板材非真空环境下热成形过程的氧化问题，可大幅提升超塑成形后材料的力学性能。同时对于改善成形后构件的微观组织形貌和宏观力学性能具有重要作用。在低成本条件下进行复杂构件的低性能损耗精确成形，一方面实现了金属板材之间的可靠连接，另一方面在金属板材扩散连接之后直接进行了成形，将成形与连接一并进行，缩短了加工周期，提升了生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及飞机蒙皮成形技术，特别是一种基于覆板自封闭结构的真空超 塑一体化成形技术。
背景技术
近十年来，超塑成形工业研究方面取得了长足的进展。国内外公司及学术 机构主要进行钛合金、镁合金和铝合金的超塑成形，用超塑性方法成批生产大 型客机的内部零件、轿车和公共汽车零件及厨房用品等，我国的研究者从20 世纪70年代初开始者手超塑性的研究工作，距今己有30多年的历史。在这段 时向里，国内许多学校和科研院所对超塑成形进行了研究。铁合金超塑产品已 在航空、航天、仪表、电子、轻工、机械和铁道等各个工业部门得到有效的应 用。如国内已生产出了带有密排轴向叶片的钛合金涡轮盘和没有焊缝的整体钛 合金高压球罐，使生产率提高几十倍到二百倍，成本降低到原有成本的 1/8～1/10。另外钛合金超塑产品包括航天工业中的卫星部件、导弹外壳、推进 剂贮箱、整流罩、球形气瓶、圆形容器、波纹板、各种架和框结构以及发动机 部件和火箭气瓶等。超塑成形具有无弹复、只需单侧模具、单工序、设备载荷 低等优点，但还存在一些问题，有待于进一步解决。由于在生产中采用了坯料 预热、热开模、机械手取件或多工作台交替等方案，使超塑成形周期降到10min 以下。而普通冲压需要多台设各、多工序，相比较而言，目前的超塑成形效率 是可以接受的，但现有的国内外传统大型构件的超塑成形/扩散连接均是在空气 气氛中进行，由于成形需要在高温高压环境下进行，空气中的氧气、氢气等气 体会工件发生反应，使工件的力学性能得到显著的下降，产生了许多不必要的 缺陷等，同时由于大型真空设备成本高、控制严格等所以并没有普遍实现。
发明内容
为了解决上述问题本发明解决现有高温合金超塑成形过程中由于温度高， 时间长，导致的与空气接触的外部极易产生氧化、板材表面性能低等问题。
一种基于覆板自封闭结构的真空超塑一体化成形方法，包括以下步骤：
步骤1，坯料加工：基于薄壁复杂型面中空结构的数模外形，采用激光切 割方法将合金板材制出底板和顶板，用不锈钢板材制出上下两块覆板，底板上 加工有通气孔和焊接气道；下覆板上设有保证底板正常通气的通气孔和焊接气 道；
步骤2，表面处理：对步骤1获得的底板、顶板和两块覆板先使用酒精或 丙酮擦拭，然后进行清洗，再然后使用酒精或丙酮擦拭掉残余液体，最后使用 冷风吹干，放在无尘清洁的地方备用；
步骤3，涂覆隔离剂：在表面清洁处理后的底板上按照顶板要成型形状向 底板进行投影，将投影区以外的部分涂覆可剥胶，然后对底板表面裸露部位喷 涂隔离剂，隔离剂喷涂完成后剥离全部可剥胶，在覆板四周粘贴5-10mm的遮盖 带，并在其一侧表面喷涂隔离剂，喷涂完毕后剥离遮盖带；
步骤4，组合焊接：将经过步骤3处理后的底板和顶板组合焊接，焊接完 成后在上下两个表面分别覆盖一层覆板，保证覆板喷涂过隔离剂的表面位于内 侧，对四周封边焊接，焊接气管；
步骤5，扩散连接：将封焊后的四层板材定位装模，抽真空至10-3Pa，升温 加压，使底板和顶板之间的扩散焊接区进行扩散连接；
步骤6，超塑成形：在扩散连接后，降温，保持模具压力，通过充气管通 入氩气，完成超塑成形；
步骤7，后处理：去除覆板，剪断连接区。
进一步地，步骤1中底板、顶板和两块覆板单边增加有工艺段，工艺段用 于加工与模具定位装置配合使用的定位孔。
进一步地，合金板材为钛合金板。
更进一步地，步骤2中清洗是使用体积比为1：6：13的氢氟酸、硝酸和水 的混合液清洗。
进一步地，合金板材为镁合金板。
更进一步地，步骤2中清洗是使用质量分数为30％的铬酐溶液清洗，再使 用浓度为30％稀硝酸溶液进行酸洗。
进一步地，合金板材为铝合金板。
更进一步地，步骤2中清洗是先使用浓度为40g/L的氢氧化钠溶液清洗， 在使用质量浓度为30％稀硝酸溶液进行酸洗。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明方法提出了自封闭结构超塑成形/扩散连接方法，在扩散连接 过程可实现真空的保护，有效解决薄壁板材非真空环境下热成形过程的氧化问 题，可大幅提升超塑成形后材料的力学性能。同时对于改善成形后构件的微观 组织形貌和宏观力学性能具有重要作用。
(2)本发明可以在低成本条件下进行复杂构件的低性能损耗精确成形，一 方面实现了金属板材之间的可靠连接，另一方面在金属板材扩散连接之后直接 进行了成形，将成形与连接几乎一并进行，极大的缩短了加工周期，提升了生 产效率。
附图说明
图1为该发明成形过程示意图；
图2为实施例1成形后构件局部实物图；
图中编号说明：1、底板；2、顶板；3、覆板
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、 试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器， 本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
实施例1：
一、下料：
采用激光切割厚度为0.8mm的Ti60合金板材作为底板1，激光切割厚度为 0.5mm的Ti60合金板材作为顶板2，激光切割不锈钢板材作为覆板3，其中底 板1、顶板2和覆板3的轮廓尺寸相同均为在构件尺寸轮廓方向单边增加60mm 工艺段，工艺段主要作用为加工定位孔，模具密封槽预留尺寸等。底板1和顶 板2的轮廓尺寸相同，方便组焊。在顶板2上规划出连接区、扩散焊接区，其 中连接区尺寸为0.5mm×0.5mm，既能保证成形后的易于撬取。为了准确定位扩 散焊接区和镂空结构，切取掩模板一套。在底板1上加工通气孔和焊接气道。
二、表面处理：
先使用酒精或丙酮除去板料表面油污，在利用体积配比为氢氟酸：硝酸： 水＝1：6：13的酸洗溶液进行酸洗，再采用30％稀硝酸溶液进行酸洗，最后将清 洗后的板材用酒精或丙酮清除掉残余溶液，用冷风吹干。注意在成形过程中需 要对板材表面进行保护以防止表面被污染。
三、隔离剂涂覆：
表面处理后的底板1首先涂覆可剥胶，然后烘干，使用掩模板在底板1上 划线，划出与预镂空筋板相对的扩散焊接区，并剥离扩散焊接区以外以及焊接 气道区域的可剥胶，如图2所示，喷涂氮化硼隔离剂，并在焊接气道处预喷涂 氮化硼隔离剂，防止超塑成形过程中气道焊合，隔离剂喷涂完成后剥离全部可 剥胶。在覆板3四周粘贴5-10mm的遮盖带，并在其一侧表面喷涂隔离剂，喷涂 完毕后剥离遮盖带。
四、组合焊接：
将表面处理的顶板2和经过步骤3处理后的底板1组合焊接，焊接时保证 底板1上未喷涂隔离剂区域与顶板2的扩散焊接区相互对应，防止偏差。然后 在上下两个表面分别覆盖一层覆板3，保证覆板3喷涂过隔离剂的表面位于内 侧，对四周封边焊接，焊接气管。
五、气压扩散连接：
将封焊后的四层板材装模，充气管保持抽真空状态，真空度小于10-3Pa， 以升温速率为10-20℃/min，将板材升温至910-930℃后进行气压扩散连接，升 温过程中模具保持压力，达到扩散连接温度后从上模充入气压，使板料向下模 贴模排气，从而在单侧气压作用下使板材受压实现扩散连接，单侧气压 1.5-2MPa，保压2h，完成扩散区的连接。
六、超塑成形：
完成扩散连接后进行超塑成形，将温度降至890-910℃，保持合模压力，通 过充气管在两层板中间通入高压氩气，充气速率为0.1MPa/5min，进行空心筋 格的超塑成形，成形压力为1.5-2MPa，保压时间1-2h，进行空心筋格的超塑成 形。
七、后处理：去除覆板3，剪断连接区。
实施例2：
本实施例与实施例1不同处为：不在成形板的外围覆盖覆板3进行保护， 在底板1和顶板2连接起来后直接在空气氛围中进行超塑成形。
相应的步骤一表面处理操作过程为：采用激光切割厚度为0.8mm的Ti60 合金板材作为底板1，激光切割厚度为0.5mm的Ti60合金板材作为顶板2，激 光切割不锈钢板材作为覆板3，其中底板1、顶板2和覆板3的轮廓尺寸相同均 为在构件尺寸轮廓方向单边增加60mm工艺段，工艺段主要作用为加工定位孔， 模具密封槽预留尺寸等。底板1和顶板2的轮廓尺寸相同，方便组焊。在顶板 2上规划出连接区、扩散焊接区，其中连接区尺寸为0.5mm×0.5mm，既能保证 成形后的易于撬取。为了准确定位扩散焊接区和镂空结构，切取掩模板一套。 在底板1上加工通气孔和焊接气道。
相应的步骤四操作过程为：将表面处理的顶板2和经过步骤3处理后的底 板1组合焊接，焊接时保证底板1上未喷涂隔离剂区域与顶板2的扩散焊接区 相互对应，防止偏差。
相应的步骤八超塑成形后处理操作过程为：成形结束后脱模取件，切除工 艺段。
其余操作步骤与实施例1相同，完成钛合金板材的薄壁复杂型面轻量化结 构超塑成形/扩散连接。
实施例3：
一、下料：
采用激光切割厚度为0.5mm的AZ31合金板材作为底板1，激光切割厚度为 0.5mm的AZ31镁合金板材作为顶板2，激光切割不锈钢板材作为覆板3，其中 底板1、顶板2和覆板3的轮廓尺寸相同均为在构件尺寸轮廓方向单边增加60mm 工艺段，工艺段主要作用为加工定位孔，模具密封槽预留尺寸等。底板1和顶 板2的轮廓尺寸相同，方便组焊。在顶板2上规划出连接区、扩散焊接区，其 中连接区尺寸为0.5mm×0.5mm，既能保证成形后的易于撬取。为了准确定位扩 散焊接区和镂空结构，切取掩模板一套。在底板1上加工通气孔和焊接气道。
二、表面处理：
质量分数为30％的铬酐溶液清洗，再使用浓度为30％稀硝酸溶液进行酸洗， 用冷风吹干。注意在成形过程中需要对板材表面进行保护以防止表面被污染。
三、隔离剂涂覆：
表面处理后的底板1首先涂覆可剥胶，然后烘干，使用掩模板在底板1上 划线，划出与预镂空筋板相对的扩散焊接区，并剥离扩散焊接区以外以及焊接 气道区域的可剥胶，喷涂氮化硼隔离剂，并在焊接气道处预喷涂氮化硼隔离剂， 防止超塑成形过程中气道焊合，隔离剂喷涂完成后剥离全部可剥胶。在覆板3 四周粘贴5-10mm的遮盖带，并在其一侧表面喷涂隔离剂，喷涂完毕后剥离遮盖 带。
四、组合焊接：
将表面处理的顶板2和经过步骤3处理后的底板1组合焊接，焊接时保证 底板1上未喷涂隔离剂区域与顶板2的扩散焊接区相互对应，防止偏差。然后 在上下两个表面分别覆盖一层覆板3，保证覆板3喷涂过隔离剂的表面位于内 侧，对四周封边焊接，焊接气管。
五、气压扩散连接：
将封焊后的四层板材装模，充气管保持抽真空状态，真空度小于10-3Pa， 以升温速率为15-20℃/min，将板材升温至380-470℃后进行气压扩散连接，升 温过程中模具保持压力，达到扩散连接温度后从上模充入气压，使板料向下模 贴模排气，从而在单侧气压作用下使板材受压实现扩散连接，单侧气压8-15MPa， 保压2-3h，完成扩散区的连接。
六、超塑成形：
完成扩散连接后进行超塑成形，将温度降至400-450℃，保持合模压力，通 过充气管在两层板中间通入高压氩气，充气速率为0.1MPa/5min，进行空心筋 格的超塑成形，成形压力为1.5-2.5MPa，保压时间0.5-1.5h，进行空心筋格的 超塑成形。
七、后处理：去除覆板3，剪断连接区。
实施例4：
一、下料：
采用激光切割厚度为0.5mm的5A90合金板材作为底板1，激光切割厚度为 0.5mm的5A90铝合金板材作为顶板2，激光切割不锈钢板材作为覆板3，其中 底板1、顶板2和覆板3的轮廓尺寸相同均为在构件尺寸轮廓方向单边增加60mm 工艺段，工艺段主要作用为加工定位孔，模具密封槽预留尺寸等。底板1和顶 板2的轮廓尺寸相同，方便组焊。在顶板2上规划出连接区、扩散焊接区，其 中连接区尺寸为0.5mm×0.5mm，既能保证成形后的易于撬取。为了准确定位扩 散焊接区和镂空结构，切取掩模板一套。在底板1上加工通气孔和焊接气道。
二、表面处理：
先使用浓度为40g/L的氢氧化钠溶液清洗，在使用质量浓度为30％稀硝酸 溶液进行酸洗，用冷风吹干。注意在成形过程中需要对板材表面进行保护以防 止表面被污染。
三、隔离剂涂覆：
表面处理后的底板1首先涂覆可剥胶，然后烘干，使用掩模板在底板1上 划线，划出与预镂空筋板相对的扩散焊接区，并剥离扩散焊接区以外以及焊接 气道区域的可剥胶，喷涂氮化硼隔离剂，并在焊接气道处预喷涂氮化硼隔离剂， 防止超塑成形过程中气道焊合，隔离剂喷涂完成后剥离全部可剥胶。在覆板3 四周粘贴5-10mm的遮盖带，并在其一侧表面喷涂隔离剂，喷涂完毕后剥离遮盖 带。
四、组合焊接：
将表面处理的顶板2和经过步骤3处理后的底板1组合焊接，焊接时保证 底板1上未喷涂隔离剂区域与顶板2的扩散焊接区相互对应，防止偏差。然后 在上下两个表面分别覆盖一层覆板3，保证覆板3喷涂过隔离剂的表面位于内 侧，对四周封边焊接，焊接气管。
五、气压扩散连接：
将封焊后的四层板材装模，充气管保持抽真空状态，真空度小于10-3Pa， 以升温速率为15-25℃/min，将板材升温至450-530℃后进行气压扩散连接，升 温过程中模具保持压力，达到扩散连接温度后从上模充入气压，使板料向下模 贴模排气，从而在单侧气压作用下使板材受压实现扩散连接，单侧气压8-13MPa， 保压1.5-3h，完成扩散区的连接。
六、超塑成形：
完成扩散连接后进行超塑成形，将温度降至420-420℃，保持合模压力，通 过充气管在两层板中间通入高压氩气，充气速率为0.1MPa/5min，进行空心筋 格的超塑成形，成形压力为1.5-2.5MPa，保压时间0.5-1.5h，进行空心筋格的 超塑成形。
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、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于覆板自封闭结构的真空超塑一体化成形方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，坯料加工：基于薄壁复杂型面中空结构的数模外形，采用激光切割方法将合金板材制出底板和顶板，用不锈钢板材制出上下两块覆板，底板上加工有通气孔和焊接气道；下覆板上设有保证底板正常通气的通气孔和焊接气道；
步骤2，表面处理：对步骤1获得的底板、顶板和两块覆板先使用酒精或丙酮擦拭，然后进行清洗，再然后使用酒精或丙酮擦拭掉残余液体，最后使用冷风吹干，放在无尘清洁的地方备用；
步骤3，涂覆隔离剂：在表面清洁处理后的底板上按照顶板要成型形状向底板进行投影，将投影区以外的部分涂覆可剥胶，然后对底板表面裸露部位喷涂隔离剂，隔离剂喷涂完成后剥离全部可剥胶，在覆板四周粘贴5-10mm的遮盖带，并在其一侧表面喷涂隔离剂，喷涂完毕后剥离遮盖带；
步骤4，组合焊接：将经过步骤3处理后的底板和顶板组合焊接，焊接完成后在上下两个表面分别覆盖一层覆板，保证覆板喷涂过隔离剂的表面位于内侧，对四周封边焊接，焊接气管；
步骤5，扩散连接：将封焊后的四层板材定位装模，抽真空至10-3Pa，升温加压，使底板和顶板之间的扩散焊接区进行扩散连接；
步骤6，超塑成形：在扩散连接后，降温，保持模具压力，通过充气管通入氩气，完成超塑成形；
步骤7，后处理：去除覆板，剪断连接区。
2.根据权利要求1所述的一种基于覆板自封闭结构的真空超塑一体化成形方法，其特征在于所述的步骤1中的底板、顶板和两块覆板单边增加有工艺段，工艺段上设有与模具配合使用的定位孔。
3.根据权利要求1所述的一种基于覆板自封闭结构的真空超塑一体化成形方法，其特征在于所述的步骤1中的合金板材为钛合金板，步骤2中清洗是使用体积比为1：6：13的氢氟酸、硝酸和水的混合液清洗。
4.根据权利要求1所述的一种基于覆板自封闭结构的真空超塑一体化成形方法，其特征在于所述的步骤1中的合金板材为镁合金板，步骤2中清洗是使用质量分数为30％的铬酐溶液清洗，再使用浓度为30％稀硝酸溶液进行酸洗。
5.根据权利要求1所述的一种基于覆板自封闭结构的真空超塑一体化成形方法，其特征在于所述的步骤1中的合金板材为铝合金板，步骤2中清洗是先使用浓度为40g/L的氢氧化钠溶液清洗，在使用质量浓度为30％稀硝酸溶液进行酸洗。
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