CN117020222A - 一种多材料非均质复杂薄壁金属构件的成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于薄壁金属构件成形制造技术领域，公开了一种多材料非均质复杂薄壁金属构件的成形方法，步骤如下：构件分析需要；设计坯料；模具工装设计；预制坯制备；预制坯胀形成形；胀形构件后处理。本发明的成形方法在保证构件区域性能和成形尺寸精度的前提下，可以高效快捷的实现复杂薄壁金属构件的制备，且成本较低。本发明的成形方法解决了传统拼焊板成形性能差以及现有激光金属沉积技术制备大尺寸复杂薄壁构件时加工周期长，成本昂贵且存在因残余应力引起构件变形导致激光束无法作用于构件端面，从而无法完成对薄壁构件持续打印的问题。
Description
技术领域
本发明属于薄壁金属构件成形制造技术领域，具体涉及一种多材料非均质复杂薄壁金属构件的成形方法。
背景技术
随着航空航天科技的进步，为满足新一代航空飞行器及其发动机高马赫数、高性能和高可靠性的发展要求，大尺寸复杂薄壁金属构件的需求不断加大，而这些薄壁构件中由于要满足特定区域的功能需求，常常需要在构件特征区域使用不同的材料，表现为沿面内采用非均质的材料，定制化地将差强、差厚、异种金属材料连接在一起，实现构件材料设计优化和性能的提升。
现有的这种大尺寸非均质材料复杂薄壁构件的制备通常采用先分块冲压成形后焊接或先拼焊制坯再热气压成形两种成形工艺。先分块冲压成形后焊接工艺最大的优点是：可实现不同厚度、不同材料或表面状态的坯料自由搭配，根据零件各部位的形状和功能在冲压毛坯上实现冲压材料厚度、材料强度和抗腐蚀性等功能的优化配置。然而，由于成形构件是由多块较小的冲压件焊接而成，冲压件在成形过程中易产生回弹，难以控制，且后续的焊接工艺过程中由于薄板本身的弯曲刚度较低，靠近焊缝的薄板的初始变形通常是弯曲的，这在轴向拉伸载荷下增加了二次弯矩，导致薄板的结构刚度下降，极易发生失稳变形。先拼焊制坯再热气压成形最大的优点也是可以实现不同壁厚或不同材料性能的坯料的自由搭配，通过优化零件各部位的壁厚材质及性能进行优化配置。然而，由于预制坯的形状与最终构件的形状存在较大差异，在热气压成形时极易在局部区域出现起皱、开裂或壁厚不均等缺陷。
在拼焊过程中，两块或两块以上的同材质或不同材质、等厚或不等厚的金属坯料采用焊接方法连接成整体。然而，焊接是一个高热输入的过程，在一些不等厚或者异种金属材料焊接过程中，坡口结构或相关焊接参数设计不合理时会因两块板吸热的热量相当，导致一端变形严重而另一端仍未焊透，这将严重影响拼焊板后期塑性成形质量的一致性，最终影响结构件使用性能的稳定性。更为重要的是，焊接后由于焊缝区和母材的组织与力学性能不同，在变形时各个区域相互作用，导致焊缝与母材变形难协调，且高温变形后焊缝区域与母材的组织性能难以调控一致。例如，“Threadgill P L,Leonard AJ,Shercliff H R,et al.Friction stir welding of aluminium alloys.[J].International MaterialsReviews,2009,54(2):49-93.”文章研究了激光焊2060-T8铝合金板材的高温变形行为，发现焊接后焊缝区的强度为母材的80％，延伸率仅为1.2％，所有垂直焊缝的拉伸试样均在焊缝处断裂。“Zhang X,Huang T,Yang W,et al.Microstructure and mechanicalproperties of laser beam-welded AA2060 Al-Li alloy.[J].Journal of MaterialsProcessing Technology,2016,237:301-308.”文章指出，对于激光焊和搅拌摩擦焊的6082-T6铝合金板材，焊缝处的强度相对于母材分别降低了33％和25％，垂直于焊缝的拉伸试样同样在焊缝处发生断裂。“Wang Z B,He Z B,Fan X B,et al.High temperaturedeformation behavior of friction stir welded2024-T4 aluminum alloy sheets.[J].Journal of Materials Processing Technology,2017,247:184-191.”文章研究了搅拌摩擦焊2024-T4铝合金板材的高温变形行为，发现在400℃的温度和0.001s-1的初始应变速率条件下，拼焊接头的流变应力和极限拉伸强度均低于母材。在单轴拉伸试验和高温下的热气压胀形期间，变形集中在焊缝的焊核区，表现出显著的不均匀变形特征。拼焊板中焊缝和相邻基材的主要应变方向彼此垂直，这种不相容的变形行为导致拼焊板的成形性能差。“Charit I,Mishra R S.High strain rate superplasticity in acommercial2024Al alloy via friction stir processing.[J].Materials Science andEngineering:A,2003,359(1-2):290-296.”文章研究了搅拌摩擦焊(300rpm，25.4mm/min)处理2024铝合金的变形行为。在可比较的温度和应变速率范围下，焊缝的延展性显著高于母材的延展性。但在更高的温度下，零件成形后焊缝区出现晶粒的异常生长，延展性急剧恶化。因此，焊缝的存在大大影响了坯料后续高温下焊缝区与母材区变形的协调性。
目前，激光金属沉积作为一种先进的增材制造技术，已经被广泛应用于航空航天领域，该技术是利用较高功率的激光束使沉积区域产生熔池并持续熔化金属粉末材料，通过逐层沉积制备金属构件，该技术可以成形出具有复杂曲率、截面差大与弯曲轴线的薄壁构件。但由于采用激光金属沉积技术制备大尺寸复杂薄壁金属构件时受到较高的温度梯度和冷却速率的影响会使构件发生不可控变形，从而影响其尺寸精度和表面质量。专利号(CN201911365925.5)提出了一种采用3D打印和热气压胀形制造薄壁金属构件的方法，该方法首先采用3D打印制备出接近最终构件的预制坯，然后通过热气压胀形得到最终成形的构件。该技术原理上虽然可以制备出多材料非均质的薄壁零件，但是，由于3D打印过程由于粉末需要逐层熔化，通常层厚度达到微米级或毫米级别，存在加工周期长，成本昂贵的劣势。尤其由于在制备较大尺寸的复杂异形薄壁构件时，增材制造过程中存在的高温度梯度和冷却速率增加了打印材料内部的残余应力，当变形量大到一定程度时。导致激光束无法作用于构件端面，从而无法完成对薄壁构件的持续打印。更为重要的是，现有的3D打印存在可应用的材料类型有限、材料成本较高及零件制造尺寸受限的问题。
因此，寻求一种高效可控，且保证性能优异的多材料非均质复杂薄壁金属构件的成形方法是目前急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种多材料非均质复杂薄壁金属构件的成形方法，采用现有的轧制板/管A作为基体材料，与之可实现冶金结合的增材粉末在基体A上实现连续的沉积成形，从而实现由轧制板/管A与粉末沉积层B组成的薄壁预制坯，最终通过后续的热气压胀形成形获得符合尺寸精度和性能的薄壁构件。该技术能够解决传统拼焊板成形性能差以及现有激光金属沉积技术制备大尺寸复杂薄壁构件时加工周期长，成本昂贵以及因存在残余应力引起构件变形导致激光束无法作用于构件端面，从而无法完成对薄壁构件的持续打印的问题。
本发明的技术方案：
一种多材料非均质复杂薄壁金属构件的成形方法，步骤如下：
步骤一、构件分析需要：确定所需制备的复杂薄壁金属构件的形状及尺寸，并对构件特征进行分析，从而获得复杂特征区域的几何特征和构件外部的整体几何形状，预制坯通过原始轧制板材/管材及局部特征区域增材制备，构件外部整体形状通过后续的热态气压成形工艺实现整体气胀成形；
步骤二、设计坯料：根据步骤一的分析结果，确定所需轧制板/管A的材料与增材粉末的材料，材料根据构件特定区域的功能需求确定，且不同区域之间的材料需实现良好的冶金结合，以及确定需要通过激光金属沉积区域的材料、轮廓形状及沉积工艺参数，包括：激光功率、激光扫描路径、激光扫描速度及送粉量；
步骤三、模具工装设计：根据步骤二的分析结果确定轧制板/管的位移约束模具，防止激光金属沉积过程中大尺寸的坯料因受热不均匀发生变形导致沉积过程无法持续进行；
步骤四、预制坯制备：根据步骤一、二和三的分析结果，将轧制板/管A作为基体材料固定在工作平台上，激光头在轧制板/管A基体上进行连续沉积得到由轧制板/管基体A和粉末沉积层B组成的预制坯；
步骤五、预制坯胀形成形：加热热气胀成形模具，使模具温度达到设定条件，将步骤四得到的局部增材成形后的预制坯放置于胀形成形模具中，合模，然后向管坯内部充入高压气体介质，使预制坯发生胀形变形并贴靠模具型腔，得到所需要的外形轮廓，同时令模具保持闭合状态，使成形后的构件在高温高压下停留一定时间，降低构件内部或表面的气体压力至设定值，并使模具温度降低至设定值后，取出成形后的构件；
步骤六、胀形构件后处理：对热气胀成形后的薄壁金属构件进行工艺段去除，并对构件端部和表面进行必要的去毛刺、抛光和清洗处理，得到最终所需的复杂薄壁金属构件。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的一种多材料非均质复杂薄壁金属构件的成形方法，采用现有的轧制板/管A为基体材料，与之可实现冶金结合的粉末层在基体A上实现连续的沉积过程，并实现由轧制板/管A与粉末沉积层B组成的薄壁预制坯，最终通过热气压胀形获得成形构件。该技术解决了传统拼焊板成形性能差以及现有激光金属沉积技术制备大尺寸复杂薄壁构件时加工周期长，成本昂贵且存在因残余应力引起构件变形导致激光束无法作用于构件端面，从而无法完成对薄壁构件持续打印的问题。
(2)本发明的一种多材料非均质复杂薄壁金属构件的成形方法，可以实现激光金属沉积层B的复杂特征与大尺寸基体材料A简单/复杂特征的结合，实现材料设计优化和性能提升。此外，区域A与区域B可以实现连续平滑过渡，尤其是针对变壁厚的区域A与B的结合，更容易实现。
(3)本发明的一种多材料非均质复杂薄壁金属构件的成形方法，在保证构件区域性能和成形尺寸精度的前提下，可以高效快捷的实现复杂薄壁金属构件的制备，且成本较低。
附图说明
图1为本发明一种多材料非均质复杂薄壁金属构件的成形方法原理图。
图2为本发明轧制管A示意图。
图3为本发明轧制管A受模具约束示意图。
图4为本发明以轧制管A作为基体材料的激光金属沉积过程示意图。
图5为本发明预制坯示意图。
图6为本发明预制坯胀形成形示意图。
图7为本发明最终成形的复杂薄壁金属构件示意图。
图中：1轧制管A，2约束模具，3沉积层B，4工作平台，5旋转主轴，6激光头，7送粉器，8粉末喷嘴，9预制坯，10模具型腔，11热成形模具，12气源，13成形构件。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7说明，本发明提出的一种多材料非均质复杂薄壁金属构件的成形方法，该方法是按照以下步骤进行的：
步骤一、构件特征分析：确定所需制备的复杂薄壁金属构件的形状及尺寸，并对构件特征进行分析，从而获得复杂特征区域的几何特征和构件外部的整体几何形状，预制坯通过原始轧制板材/管材及局部特征区域增材制备，构件外部整体形状通过后续的热态气压成形工艺实现整体气胀成形；
步骤二、设计坯料：根据步骤一的分析结果，确定所需轧制管A的材料TA2与增材粉末的材料选用TA15钛合金粉末，以及需要通过激光金属沉积区域的轮廓形状及沉积工艺参数，包括：激光功率选用1000～1600w、激光单层提升量为0.2～0.5mm、送粉速度为6g/min～10g/min、激光扫描速度为400mm/min～800mm/min；
步骤三、模具工装设计：根据步骤二的分析结果确定轧制管A的位移约束模具，防止激光金属沉积过程中因受热不均匀发生变形导致沉积过程无法持续进行；
步骤四、预制坯制备：根据步骤一、二和三的分析结果，将轧制管TA2作为基体材料固定在工作平台上，激光头在TA2基体上进行沉积得到由基体TA2和沉积层TA15组成的预制坯；
步骤五、预制坯胀形成形：加热热气胀成形模具，使模具温度达到设定条件，将步骤四得到的局部增材成形后的预制坯放置于胀形成形模具中，合模，然后向管坯内部充入高压气体介质，使预制坯发生胀形变形并贴靠模具型腔，得到所需要的外形轮廓，同时令模具保持闭合状态，使成形后的构件在高温高压下停留一定时间，降低构件内部或表面的气体压力至设定值，并使模具温度降低至设定值后，取出成形后的构件；
步骤六、胀形构件后处理：对热气胀成形后的薄壁金属构件进行工艺段去除，并对构件端部和表面进行必要的去毛刺、抛光和清洗处理，得到最终所需的复杂薄壁金属构件。
采用现有的轧制管TA2为基体材料，与之可实现冶金结合的粉末层TA15在基体TA2上实现连续的沉积过程，并实现由轧制管TA2与粉末沉积层TA15组成的薄壁预制坯，最终通过热气压胀形获得成形构件。该技术解决了传统拼焊板成形性能差以及现有激光金属沉积技术制备大尺寸复杂薄壁构件时加工周期长，成本昂贵且存在因残余应力引起构件变形导致激光束无法作用于构件端面，从而无法完成对薄壁构件的持续打印的问题；此外，在保证构件区域性能和成形尺寸精度的前提下，可以高效快捷的实现复杂薄壁金属构件的制备，且成本较低。
实施例2：在步骤四中，对制备后的预制坯区域A与区域B的冶金结合区域进行预处理，预处理为打磨处理，其它步骤，与实例1相同。
通过对区域A与区域B的冶金结合区域进行打磨处理，为后续热气压胀形顺利进行提供保障，提高金属构件的成形质量。
实施例3：结合图6说明，在步骤五中，采用高频感应加热设备对模具进行加热，将模具加热到650-850℃，其它步骤，与实例1相同。
将钛合金管坯在短时间内加热到600℃左右，此温度在消除应力范围内，提高了板坯的塑性，使材料的变形能力提高，同时变形抗力显著降低；在制备金属管件时，对模具加热后，改变了预制坯的胀形温度，高温作用使预制坯软化，从而降低了成形所需的最高压力。
实施例4：结合图7说明，在步骤六中，对成形后的胀形构件采用线切割方法对局部工艺材料进行切割，然后采用细砂纸对构件的表面和端部进行抛光处理，再通过超声波对其表面进行清洗，其它步骤，与实例1相同。
采用线切割去除局部工艺材料时加工余量较小、精度较高、生产成本较低，并能有效地节约贵重的材料；采用细砂纸对构件的表面和端部进行抛光处理，可以提高构件的尺寸精度和几何形状精度，使表面更加光滑；采用超声波可以清洗表面的杂质。
Claims (1)
1.一种多材料非均质复杂薄壁金属构件的成形方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一、构件分析需要：确定所需制备的复杂薄壁金属构件的形状及尺寸，并对复杂薄壁金属构件特征进行分析，获得复杂薄壁金属构件的复杂特征区域的几何特征和复杂薄壁金属构件的外部整体几何形状，预制坯通过原始轧制板材或原始轧制管材及复杂特征区域增材制备，构件外部整体形状通过后续的热态气压成形工艺实现整体气胀成形；
步骤二、设计坯料：根据步骤一的分析结果，确定所需轧制板A或轧制管A的材料与增材粉末的材料，材料根据复杂薄壁金属构件特定区域的需求确定，且不同区域之间的材料需实现良好的冶金结合，以及确定需要通过激光金属沉积区域的材料、轮廓形状及沉积工艺参数，包括：激光功率、激光扫描路径、激光扫描速度及送粉量；
步骤三、模具工装设计：根据步骤二的分析结果确定轧制板A或轧制管A的位移约束模具，防止激光金属沉积过程中大尺寸的坯料因受热不均匀发生变形导致沉积过程无法持续进行；
步骤四、预制坯制备：根据步骤一、二和三的分析结果，将轧制板A或轧制管A作为基体材料固定在工作平台上，激光头在基体上进行连续沉积得到由轧制板A或轧制管A和粉末沉积层B组成的预制坯；
步骤五、预制坯胀形成形：加热热气胀成形模具，使热气胀成形模具温度达到设定条件，将步骤四得到的局部增材成形后的预制坯放置于胀形成形模具中，合模，然后向预制坯内部充入高压气体介质，使预制坯发生胀形变形并贴靠热气胀成形模具型腔，得到所需要的外形轮廓，同时令热气胀成形模具保持闭合状态，使成形后的复杂薄壁金属构件在高温高压下停留一定时间，降低复杂薄壁金属构件内部或表面的气体压力至设定值，并使热气胀成形模具温度降低至设定值后，取出成形后的复杂薄壁金属构件；
步骤六、胀形构件后处理：对热气胀成形后的复杂薄壁金属构件进行工艺段去除，并对复杂薄壁金属构件端部和表面进行必要的去毛刺、抛光和清洗处理，得到最终所需的复杂薄壁金属构件。
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