CN115971628A - 钛合金四层结构超塑成形扩散连接三角区圆角的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种钛合金四层结构超塑成形扩散连接三角区圆角的控制方法，属于精密塑性加工领域，包括：下料芯层和蒙皮的、制作阻焊剂图样；加工条块；按照阻焊剂图样和四层结构的结构，定位芯层和蒙皮、涂抹阻焊剂、并将条块固定到蒙皮内表面对应芯层的扩散连接处，得到四层板坯料；将四层板坯料封边焊接，并将芯层通气块与蒙皮通气块焊接到四层板坯料上得到焊后四层板；将焊后四层板安装到模具内，将模具升温至超塑成形/扩散连接温度；模具到温后，给模具施加压力，使模具的模腔实现密封；进行超塑成形扩散连接，在超塑成形扩散连接最后阶段，通过芯层通气管进行三角区的缩小甚至闭合。可以减小甚至消除钛合金四层结构超塑成形扩散连接后的三角区圆角。

Description

钛合金四层结构超塑成形扩散连接三角区圆角的控制方法

技术领域

本发明属于精密塑性加工领域，涉及到一种钛合金四层结构超塑成形扩散连接三角区圆角的控制方法。本方法主要用于钛合金四层结构超塑成形扩散连接过程。

背景技术

钛合金中空四层结构为典型的轻量化整体结构，采用常规的方法难以实现加工制造。超塑成形扩散连接技术是利用钛合金的最佳超塑性温度与最佳扩散连接温度相同为基础，在一个加热循环过程内实现板材的扩散连接及超塑成形过程，可实现中空四层结构的整体加工制造。钛合金四层结构的超塑成形扩散连接过程主要包括三个步骤，第一个步骤是进行芯层的扩散连接，以实现芯层筋条部位的连接；第二个步骤是进行芯层的超塑成形，以实现芯层以及加强筋的成形；第三个步骤是进行芯层与蒙皮间的扩散连接，以实现芯层超塑贴模后与蒙皮的连接。四层结构中空立筋为芯层超塑成形过程两个相邻格子贴合而成的，由于芯层的两个相邻格子贴合蒙皮最后阶段不能完全闭合，在该部位会形成三角区。三角区的大小一方面影响质量和精度，又会降低零件的性能，所以控制乃至于消除超塑成形扩散连接三角区大小尤为重要。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种钛合金四层结构超塑成形扩散连接三角区圆角控制方法，可以减小甚至消除钛合金四层结构超塑成形扩散连接后的三角区圆角，提高零件的性能，保障产品质量和精度。

本发明的技术解决方案是：

钛合金四层结构超塑成形扩散连接三角区圆角的控制方法，包括：

S1：下料制作四层结构的两张芯层和两张蒙皮，并根据四层结构的结构制作阻焊剂图样；

S2：根据四层结构的的三角区截面形状进行条块的加工；

S3：按照阻焊剂图样和四层结构的结构，将芯层和蒙皮定位、涂抹阻焊剂、并将条块固定到蒙皮内表面对应芯层的扩散连接处，得到四层板坯料；

S4：将四层板坯料封边焊接，并将芯层通气块与蒙皮通气块焊接到四层板坯料上，保证芯层通气块一端与两芯层之间的腔体相通、另一端连接芯层通气管；蒙皮通气块一端同时与上蒙皮与上芯层之间的腔体以及下蒙皮与下芯层之间的腔体相通，另一端连接上下蒙皮通气管，得到焊后四层板；

S5：将焊后四层板安装到模具内，将模具升温至四层结构材质的超塑成形/扩散连接温度；

S6：待模具到温后，给模具施加机械压力，以使模具的模腔实现密封；进行焊后四层板的超塑成形扩散连接，在超塑成形扩散连接最后阶段，通过芯层通气管进行三角区的缩小甚至闭合。

所述模具包括上模和下模，上模设有上型腔、密封梗，密封梗位于上型腔的外部，以用于上型腔和下型腔之间的密封；下模设有与上型腔正对的下型腔、以及用于容置芯层通气块与蒙皮通气块的凹槽。

所述上模还设有上排气孔、上排气管，上排气管通过上排气孔实现与上型腔空间的连通，用于上型腔的排气与抽真空；下模还设有下排气孔、下排气管，下排气管通过下排气孔实现与下型腔空间的连通，用于下型腔的排气与抽真空。

所述下模设有压块，压块包括蒙皮管压块和芯层管压块，凹槽设置两个，蒙皮管压块将蒙皮通气管压在一个凹槽内，芯层管压块将芯层通气管压在另一个凹槽内。

所述密封梗设置为压住芯层通气块以及蒙皮通气块的外沿。

所述压块厚度设置为装配后高出模具型面2mm，当模具合模后，在超塑成形温度时，压块在上模的压力下发生镦粗类塑性变形并完全嵌入下模的人凹槽内，以此实现下模腔的密封。

所述步骤S6的焊后四层板的超塑成形扩散连接依次包括：芯层间的扩散连接；

芯层的超塑成形和芯层与蒙皮的扩散连接；

三角区的缩小甚至闭合。

所述芯层间的扩散连接包括：向蒙皮通气管内通入2MPa高压氩气，保压2小时以实现芯层间的扩散连接。

所述芯层扩散连接完成后，卸载蒙皮通气管内的气压降至0.1MPa～0.2MPa，同时向芯层通气管内通入1.5MPa～2.5MPa高压氩气，保压60min～120min以实现芯层的超塑成形以及芯层与蒙皮的扩散连接。

所述保压至60min～120min的3/4时，同时对上排气管、下排气管以及蒙皮通气管进行抽真空并且芯层继续以1.5MPa～2.5MPa保压，以实现三角区的缩小甚至闭合。

综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果：

通过该方法可以减小甚至消除钛合金四层结构超塑成形扩散连接后的三角区圆角。与常规方法相比，本发明可缩小或闭合三角区，从而提高产品的综合力学性能；亦可避免因三角区过大造成的沟槽，凹陷等缺陷，从而提高产品的型面精度；最后，该方法可提高四层结构超塑成形扩散连接合格率，进而缩短加工周期并且降低生产成本。

附图说明

图1为钛合金四层结构超塑成形扩散连接模具的整体结构示意图；

图2为上模的结构示意图；

图3为下模的结构示意图；

图4为钛合金四层结构的结构示意图；

图5的上图为四层结构与模具装配示意图，图5的下图为隐去四层结构的装配示意图、旨在体现密封梗与芯层通气块和蒙皮通气块的位置；

图6为四层结构通气管连接示意图；

图7上图为上芯层和下芯层的整体结构示意图，图7下图为三角区与条块装配关系示意图。

附图标记说明：1、上模；11、上排气管；12、上排气孔；13、上型腔；14、密封梗；

2、下模；21、下排气管；22、下排气孔；23、下型腔；24、蒙皮管压块；25、芯层管压块；

31、下蒙皮；32、下芯层；33、上芯层；34、上蒙皮；

41、芯层通气块；42、芯层通气管；43、蒙皮通气块；44、蒙皮通气管；

5、条块；6、四层板坯料。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细的描述：

本发明针对钛合金四层结构的超塑成形扩散连接过程，本实施例提出了一种对于TA15钛合金四层结构超塑成形扩散连接三角区圆角的控制方法。

首先，如图4所示，钛合金四层结构包括两个芯层和位于两个芯层外侧的两个蒙皮，就为依次设置的下蒙皮31、下芯层32、上芯层33、上蒙皮34，下芯层32和上芯层33正对的一侧设有正对的筋板。

如图1-图3所示，控制三角区圆角的模具主要由上模1，下模2等组成；上模1包含4个上排气管11、4个上排气孔12、密封梗14、上型腔13，密封梗14位于上型腔13的外部的一周，上排气管11通过上排气孔12实现与上型腔13空间的连通；下模2包含4个下排气管21、4个下排气孔22、下型腔23，下排气管21通过下排气孔22实现与下型腔23空间的连通。钛合金四层结构位于上模1的上型腔13和下模2的下型腔23合成的空腔内。

其中，上型腔13的四个角有4个上模1排气孔，且4个上模1排气孔与模具外面的4个排气管相通，用于上型腔13的排气与抽真空。下型腔23的四个角有4个下模2排气孔，且4个下模2排气孔与模具外面的4个排气管相通，用于下型腔23的排气与抽真空。为了实现密封在上模1设置有密封梗14。下模2设置有压块，用于四层结构芯层管和蒙皮管通气块的密封装配。

如图5所示，为配合密封梗14实现上下模2腔的密封，四层结构芯层和蒙皮的通气装置设置为通气块形式，通气苦熬具体包括芯层通气管42、蒙皮通气块43，其中，芯层通气块41一端与两芯层之间的腔体相通，一端连接有芯层通气管42，以实现对芯层腔体进行通气；蒙皮通气块43一端同时与上蒙皮34与上芯层33之间的腔体以及下蒙皮31与下芯层32之间的腔体相通，一端连接有蒙皮通气管44，以实现对上下蒙皮31腔体进行通气。如图3所示。具体的，下模2设置的压块包括蒙皮管压块24和芯层管压块25，下模2开设有凹槽，芯层管压块25和蒙皮管压块24置于凹槽内，芯层通气管42卡设于芯层管压块25和凹槽底部之间，蒙皮通气管44卡设于蒙皮管压块24和凹槽底部之间。蒙皮管压块24和芯层管压块25对芯层通气管42和蒙皮通气管44起到支撑作用，同时，提高了芯层通气管42和蒙皮通气管44的外周向的密封性。

如图6所示，由于密封梗14的存在，在高温高压下合模后，上模1腔内可实现密封；为实现下模2腔的密封，本发明将密封梗14设置为可以压住芯层通气块41以及蒙皮通气块43的外沿，且两种通气块的通气孔均处于密封梗14范围内，以保证气体能通入密封梗14内部区域。本发明将压块厚度设置为装配后高出模具型面2mm，当模具合模后，在超塑成形温度时，压块在上模1的压力下发生镦粗类塑性变形并完全嵌入下模2的人凹槽内，以此实现下模2腔的密封。待上下模2腔实现密封后可通过上排气管11和下排气管21对上模1腔和下模2腔抽真空处理。

如图7所示，为实现对超塑成形扩散连接三角区圆角的控制，本发明在进行钛合金四层结构超塑成形扩散连接时，首先进行芯层阻焊剂图样的制备；之后进行条块5的加工和定位，在进行条块5定位时，条块5需按照阻焊剂图样点焊固定到上下蒙皮31内面的对应芯层的扩散连接处，以在上下芯层32超塑成形贴模时将条块5挤在三角区，实现三角区的缩小或闭合；然后进行四层板的封边焊接和芯层、蒙皮通气块43的焊接；最后进行四层板的超塑成形扩散连接，在超塑成形扩散连接最后阶段可通过同时对上排气管11，下排气管21以及蒙皮通气管44进行抽真空并且芯层通入高气压，以实现三角区的缩小甚至闭合。

具体方法步骤如下：

第一，下料，制作双层板阻焊剂图样。用激光切割的方式进行两张芯层和两张蒙皮的下料。然后根据模型内部结构制作阻焊剂图样。

第二，进行条块5的加工。通过机加的方式实现条块5加工，条块5截面应按照三角区截面形状进行设计并加工。

第三，进行条块5定位。条块5定位时需按照阻焊剂图样点焊固定到上下蒙皮31内面对应芯层的扩散连接处。

第四，封边焊接。进行上下蒙皮31以及上下芯层32的封边焊接。将芯层通气块41与蒙皮通气块43焊接到四层板坯料6上，保证芯层通气块41一端与两芯层之间的腔体相通，一端连接芯层通气管42；蒙皮通气块43一端同时与上蒙皮34与上芯层33之间的腔体以及下蒙皮31与下芯层32之间的腔体相通，一端连接上下蒙皮31通气管。

第五，装模升温。将焊后的四层板坯安装在下模2上，此时通气块及通气管应对应放置于下模2的凹槽内，用压块压实通气管；最后合上上模1。将模具升温至TA15钛合金的超塑成形/扩散连接温度920～930℃。

第六，芯层间的扩散连接。待模具到温后，给上模1施加机械压力4MPa，以使上下模2腔实现密封；同时向蒙皮通气管44内通入2MPa高压氩气，保压2小时以实现芯层间的扩散连接。

芯层的超塑成形和芯层与蒙皮的扩散连接。芯层扩散连接完成后，卸载蒙皮通气管44内的气压降至0.1MPa，同时向芯层通气管42内通入2MPa高压氩气，保压2小时以实现芯层的超塑成形以及芯层与蒙皮的扩散连接；在超塑成形扩散连接保压完1.5个小时后同时对上排气管11，下排气管21以及蒙皮通气管44进行抽真空并且芯层继续以2MPa保压0.5小时，以实现三角区的缩小甚至闭合。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.钛合金四层结构超塑成形扩散连接三角区圆角的控制方法，其特征在于：包括

S1：下料制作四层结构的两张芯层和两张蒙皮，并根据四层结构的结构制作阻焊剂图样；

S2：根据四层结构的的三角区截面形状进行条块(5)的加工；

S3：按照阻焊剂图样和四层结构的结构，将芯层和蒙皮定位、涂抹阻焊剂、并将条块(5)固定到蒙皮内表面对应芯层的扩散连接处，得到四层板坯料(6)；

S4：将四层板坯料(6)封边焊接，并将芯层通气块(41)与蒙皮通气块(43)焊接到四层板坯料(6)上，保证芯层通气块(41)一端与两芯层之间的腔体相通、另一端连接芯层通气管(42)；蒙皮通气块(43)一端同时与上蒙皮(34)与上芯层(33)之间的腔体以及下蒙皮(31)与下芯层(32)之间的腔体相通，另一端连接上下蒙皮(31)通气管，得到焊后四层板；

S5：将焊后四层板安装到模具内，将模具升温至四层结构材质的超塑成形/扩散连接温度；

S6：待模具到温后，给模具施加机械压力，以使模具的模腔实现密封；进行焊后四层板的超塑成形扩散连接，在超塑成形扩散连接最后阶段，通过芯层通气管(42)进行三角区的缩小甚至闭合。

2.根据权利要求1所述的钛合金四层结构超塑成形扩散连接三角区圆角的控制方法，其特征在于：所述模具包括上模(1)和下模(2)，上模(1)设有上型腔(13)、密封梗(14)，密封梗(14)位于上型腔(13)的外部，以用于上型腔(13)和下型腔(23)之间的密封；下模(2)设有与上型腔(13)正对的下型腔(23)、以及用于容置芯层通气块(41)与蒙皮通气块(43)的凹槽。

3.根据权利要求2所述的钛合金四层结构超塑成形扩散连接三角区圆角的控制方法，其特征在于：所述上模(1)还设有上排气孔(12)、上排气管(11)，上排气管(11)通过上排气孔(12)实现与上型腔(13)空间的连通，用于上型腔(13)的排气与抽真空；下模(2)还设有下排气孔(22)、下排气管(21)，下排气管(21)通过下排气孔(22)实现与下型腔(23)空间的连通，用于下型腔(23)的排气与抽真空。

4.根据权利要求2所述的钛合金四层结构超塑成形扩散连接三角区圆角的控制方法，其特征在于：所述下模(2)设有压块，压块包括蒙皮管压块(24)和芯层管压块(25)，凹槽设置两个，蒙皮管压块(24)将蒙皮通气管(44)压在一个凹槽内，芯层管压块(25)将芯层通气管(42)压在另一个凹槽内。

5.根据权利要求2所述的钛合金四层结构超塑成形扩散连接三角区圆角的控制方法，其特征在于：所述密封梗(14)设置为压住芯层通气块(41)以及蒙皮通气块(43)的外沿。

6.根据权利要求1所述的钛合金四层结构超塑成形扩散连接三角区圆角的控制方法，其特征在于：所述压块厚度设置为装配后高出模具型面1.5mm-2.5mm，当模具合模后，在超塑成形温度时，压块在上模(1)的压力下发生镦粗类塑性变形并完全嵌入下模(2)的人凹槽内，以此实现下模(2)腔的密封。

7.根据权利要求1所述的钛合金四层结构超塑成形扩散连接三角区圆角的控制方法，其特征在于：所述步骤S6的焊后四层板的超塑成形扩散连接依次包括：芯层间的扩散连接；

芯层的超塑成形和芯层与蒙皮的扩散连接；

三角区的缩小甚至闭合。

8.根据权利要求7所述的钛合金四层结构超塑成形扩散连接三角区圆角的控制方法，其特征在于：所述芯层间的扩散连接包括：向蒙皮通气管内通入1.5MPa～2.5MPa高压氩气，保压以实现芯层间的扩散连接。

9.根据权利要求7所述的钛合金四层结构超塑成形扩散连接三角区圆角的控制方法，其特征在于：所述芯层扩散连接完成后，卸载蒙皮通气管(44)内的气压降至0.1MPa_～0.2MPa，同时向芯层通气管(42)内通入1.5MPa～2.5MPa高压氩气，保压60min～120min以实现芯层的超塑成形以及芯层与蒙皮的扩散连接。

10.根据权利要求9所述的钛合金四层结构超塑成形扩散连接三角区圆角的控制方法，其特征在于：所述保压至60min～120min的3/4时，同时对上排气管(11)、下排气管(21)以及蒙皮通气管(44)进行抽真空并且芯层继续以1.5MPa～2.5MPa保压，以实现三角区的缩小甚至闭合。

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