CN1986137A - 用于扩散结合和超塑成形的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于连接固态基材的扩散结合和超塑成形设备。该扩散结合和超塑成形设备包括上部单元、中部单元、下部单元、连杆、楔子和密封容器。该连杆穿透该中部单元和该下部单元，并且包括固定在该上部单元上的上部和具有楔形槽的下部。该楔子插在该楔形槽中，用于防止该下部单元与该连杆分离。该密封容器用来向在该中部单元中层叠的、进行扩散结合的基材施加压力。

Description

用于扩散结合和超塑成形的设备
相关专利申请的交叉引用
本申请主张2005年12月22日在韩国知识产权局提交的、申请号为No.10-2005-0127661的韩国专利申请的权利，在这里并入其全部公开内容作为参考。
技术领域
本发明涉及一种用于固态结合的设备；更具体地说，涉及一种用于结合由层叠金属片形成的固态基材的扩散结合和超塑成形设备。
背景技术
固态结合是一种在基本上低于被连接基材熔点的温度下产生结合，以便在保持基材固态的同时连接基材连接的结合方法，这种方法不同于常规熔合焊接法。固态结合通过防止或者最大限度地抑制基材被熔化从而保留基材的原始特性，并且通过最小化接触面上产生的缺陷从而最大化结合效果的性能。
随着新型金属比如复合材料的引入和高科技工业的发展，固态结合已经受到关注并取得相关技术的进步。固态结合可以连接使用常规熔合结合技术不能结合的基材和形状复杂的材料。固态结合还可以用于连接要求高质量、高精度焊接过程的基材。
固态结合包括利用摩擦力的摩擦焊接，利用填充金属的铜焊和利用原子扩散连接基材的扩散结合。它们当中，扩散结合是一种连接基材的固态焊接方法，该方法通过在基本上低于被连接基材熔点的温度下施加不影响其冶金性质的压力来进行结合。
通过进行各种成形过程，其中包括超塑成形过程，扩散结合已被用于一体制造形状复杂的零件。
扩散结合是在高压、高温条件下进行的。为了维持高压、高温条件，利用压力机或者气体形成高压。在使用气体形成高压的情况下，需要高容量液压机，并且难于使基材均匀加压。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种扩散结合和超塑成形设备，该设备用来在未使用高容量液压机情况下保持密封状态以形成高压，并且用来在基材上均匀地施加预定压力。
根据本发明的一个方面，提供一种扩散结合和超塑成形设备，其包括上部单元、中部单元、下部单元、连杆、楔子和密封容器。所述连杆穿透所述中部单元和所述下部单元，并且包括固定在所述上部单元上的上部和具有楔形槽的下部。所述楔子插在所述楔形槽中，用于防止所述下部单元与所述连杆分离。所述密封容器用来向在所述中部单元中层叠的、进行扩散结合的基材施加压力。
所述连杆可以包括横截面呈梯形的楔形槽。
所述连杆和所述楔子可以由耐热的镍合金制成。
所述中部单元和所述下部单元可以形成为一体。
所述密封容器可以包括：下片，具有与所述基材横截面相同的形状；上片，具有与所述下片相同的形状并包括流通气体的通孔；以及中片，置于所述下片与所述上片之间并具有用于存储气体的空间。
所述上片和所述下片可以通过钨极惰性气体(TIG)焊接法连接。
所述密封容器可以由与进行扩散结合的基材相同的材料制成。
附图说明
通过参考附图详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和其他特征和优点将变得更加明显，附图中：
图1是本发明示例性实施例的扩散结合和超塑成形设备的剖视图；
图2是图1所示的连杆和楔子的立体图；
图3是图1所示的密封容器的立体图；
图4是图1所示的密封容器的剖视图；以及
图5是通过利用本发明实施例的扩散结合和超塑成形设备进行结合过程所制造产品的接触面的微观结构的照片。
具体实施方式
下面，将参考附图更详细地描述扩散结合和超塑成形设备。
图1是本发明示例性实施例的扩散结合和超塑成形设备的剖视图，图2是图1所示的连杆和楔子的立体图。
参见图1和图2，本实施例的扩散结合和超塑成形设备100包括上部单元110、中部单元120、下部单元130、具有楔形槽141的连杆140、插入楔形槽141中的楔子150以及使基材1 80加压的密封容器160。
成形气体入口111形成在上部单元110上，用来向密封容器160中注入惰性气体，从而加压并形成基材180。优选的是使用氩气作为惰性气体，但是本发明不限于此。
中部单元120置于上部单元110下面，并具有放置基材180的空间。密封片170插在上部单元110与中部单元120之间，用来将上部单元110和中部单元120密封并将上部单元110与中部单元120隔离。
基材180为多个相互层叠的金属片。在这里，优选的是通过化学清洁方法或者机械研磨方法清洁金属片的表面。根据本发明，由层叠金属片形成的基材180置于所述设备100的内部并连接在一起。
下部单元130置于中部单元120下面，并且包括保护气体入口131。通过保护气体入口131注入保护气体。当加压并形成基材时，注入的保护气体防止金属被氧化。优选的是使用氩气作为保护气体，但是本发明不限于此。
连杆140包括形成于其下部、用来容纳楔子150的楔形槽141。连杆140的上部固定在上部单元110上并穿透中部单元120和下部单元130。
为了使下部单元130与上部单元110连接，在楔形槽141中插入楔子150以防止下部单元130与连杆140分离。
楔形槽141的横截面优选为梯形。楔子150插入楔形槽141中越深，下部单元130与上部单元110和夹在它们之间的中部单元连接得就越紧。
连杆140和楔子150优选由耐热的镍合金制造，但是本发明不限于此。在本实施例中，耐热的镍合金为Inconell 625。
利用连杆140和楔子150，通过将上部单元110、中部单元120和下部单元130紧固在一起，甚至在高温、高压条件下也能维持密封状态。
中部单元120和下部单元130可以形成为一体。通过将中部单元120和下部单元130形成为一体，在扩散结合和超塑成形设备100中可以有效地维持密封状态，并且可以进一步提高扩散结合的稳定性和质量。此外，扩散结合和超塑成形设备更稳定，其制造成本更低。
图3是图1所示的密封容器的立体图，图4是图1所示的密封容器的剖视图。
参见图3和图4，本发明实施例的密封容器160包括下片163，它具有与基材横截面相同的预定形状；上片161，它具有与下片163相同的形状和尺寸并具有形成流动气体通道的通孔(图中未示)；以及中片162，它介于下片163和上片161之间并在其中心区域形成用于存储气体的空间。
上片161、中片162和下片163可以通过焊接连接。优选使用钨极惰性气体(TIG)焊接法连接上片161、中片162和下片163。然而，本发明不限于此。当执行TIG焊接来连接上片和下片时，可以使用中片作为填充金属。填充金属是一种靠焊接热量熔化来连接基材并起到焊条作用的金属。
在上片161的通孔(图中未示)周围形成导管165，以提供向密封容器160中注入气体的通道。
因为由注入到密封容器160内部的成形气体产生的压力必须没有损失地均匀传递到基材180上，因此密封容器160优选由与基材相同的材料形成。
在高压下注入到密封容器160内的成形气体通过使密封容器160膨胀来加压基材180。因为气体在所有方向上以恒压加压，所以基材180受到均匀压力。因此，扩散结合的质量进一步提高。
下面，将描述利用本发明实施例的扩散结合和超塑成形设备连接由钛合金形成的基材的过程。
首先，通过切割厚度2.04mm、由直径120mm的圆盘形Ti-6Al-4V形成的金属片，制成上片161和下片163。通过切割内径100mm、外径130mm的环形钛合金片，制成中片162。在上片161上形成直径5mm、用于注入气体的通孔，通过进行TIG焊接固定导管165。中片162置于上片161和下片163之间，通过TIG焊接法焊接中片162，从而形成密封容器160。
切割厚度2.04mm、由直径100mm的圆盘形钛合金Ti-6Al-4V形成的片，从而制成50片圆盘形片。然后，化学清洁其表面，并且将50片清洁的圆盘形片层叠在中部单元120上。随后，将密封容器160置于中部单元120上。然后，使用连杆140和楔子150紧固上部单元110、中部单元120和下部单元130。由Inconell 625合金制造的连杆140和楔子150用来在高温下保持其适当的强度。
在将它们紧固之后，使用真空泵排出上部单元110和下部单元130中的空气，并且在大约800℃下加热上部单元110和下部单元130。然后，在大约40巴或者更低的压力下将氩气注入密封容器160。当扩散结合和超塑成形设备100的温度达到约875℃时，其压力下降至约40巴或者更低，并保持约30分钟。然后，释放气压，逐渐降低温度。
在进行上述过程时，为了防止钛金属片被氧化，将保护气体注入扩散结合和超塑成形设备内部，以使下部单元130内部保持在真空状态和还原状态。
图5是通过利用本发明实施例的扩散结合和超塑成形设备进行结合过程所制造产品的接触面的微观结构的照片。
如图5所示，在接触面上没有显示出缺陷。也就是说，本发明实施例的扩散结合和超塑成形设备通过在固态下的原子扩散和晶界迁移进行了完美的扩散结合，而没有产生诸如裂缝或气泡等缺陷。
如上所述，本发明某些实施例的扩散结合和超塑成形设备能够在未使用高容量液压机情况下保持高压条件，并且在基材上施加均匀压力。因此，该扩散结合和超塑成形设备能够进行高质量扩散结合，而没有在接触面上形成诸如裂缝或气泡等缺陷。
尽管已经参考本发明的示例性实施例具体地显示并描述了本发明，但是本领域所属技术人员将会理解，在不脱离所附权利要求书限定的本发明精神和范围内，可以对本发明做出各种形式和细节上的变化。

Claims (7)

1.一种具有上部单元、中部单元和下部单元的扩散结合和超塑成形设备，其包括：
连杆，其穿透所述中部单元和所述下部单元，并且包括固定在所述上部单元上的上部和具有楔形槽的下部；
楔子，其插在所述楔形槽中，用于防止所述下部单元与所述连杆分离；以及
密封容器，用来向在所述中部单元中层叠的、进行扩散结合的基材施加压力。
2.如权利要求1所述的扩散结合和超塑成形设备，其特征在于，所述连杆包括横截面呈梯形的楔形槽。
3.如权利要求1所述的扩散结合和超塑成形设备，其特征在于，所述连杆和所述楔子由耐热的镍合金制成。
4.如权利要求1所述的扩散结合和超塑成形设备，其特征在于，所述中部单元和所述下部单元形成为一体。
5.如权利要求1所述的扩散结合和超塑成形设备，其特征在于，所述密封容器包括：
下片，具有与所述基材横截面相同的形状；
上片，具有与所述下片相同的形状并包括流通气体的通孔；以及
中片，置于所述下片与所述上片之间并具有用于存储气体的空间。
6.如权利要求5所述的扩散结合和超塑成形设备，其特征在于，所述上片和所述下片通过钨极惰性气体(TIG)焊接法连接。
7.如权利要求5所述的扩散结合和超塑成形设备，其特征在于，所述密封容器由与进行扩散结合的基材相同的材料制成。
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