CN106271439B - 钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法 - Google Patents

钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属塑性加工技术领域，目的是提供一种材料利用率高、尺寸控制精度高、产品性能好的钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法，通过模具来控制制件的外形和尺寸，完成了复杂型面钛合金制件的成形，缩短了耐热蒙皮制件的制备过程，降低了制造成本；采用先扩散连接后超塑成形的工艺过程，使内蒙皮和外蒙皮的接触部分实现扩散连接，隔离部分实现超塑成形，一次成形出型面复杂、中空结构的耐热蒙皮，大大提高了构件的结构完整性,提升了构件的比强度和比刚度，提高了扩散连接的焊合率，制件具有尺寸精度高、整体性能好、质量轻等优点，且该工艺缩短了加工周期、材料利用率高、制造成本低。

Description

钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法
技术领域
本发明属于金属塑性加工技术领域，特别是涉及一种钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法。
背景技术
超塑成形/扩散连接(SPF/DB)技术自二十世纪70年代后取得迅速发展，它利用具有特定显微组织的金属材料在高温区间优异的延伸率和良好的扩散性能，在热循环中，通过施加适当压力使材料的贴合部分进行扩散连接，分离部分进行超塑成形，从而成形出整体空心结构。利用该项技术能够一次成形出形状复杂的整体结构，同传统的铆接和焊接工艺相比，可有效提高材料利用率、缩短加工周期、降低制造成本。因此，钛合金SPF/DB技术已成为一种先进的轻量化制造技术。以美国为首的发达国家大力推广该技术在航空航天及军事领域的应用，并取得了显著效果。该项工艺在国内起步较晚，且技术难度较大，还不够成熟，工程化水平不高。国内可以利用该技术进行产品生产的单位并不多见。
传统技术成形耐热蒙皮，采用先热压后铆接、点焊或先超塑成形后热压、点焊的方式。采用SPF/DB组合技术一次成形出的耐热蒙皮具有尺寸精度高、整体性能好等特点，且该工艺提高了零件结构整体化、加工周期短、制造成本低。
飞机耐热蒙皮的形状比较复杂，含有诸多局部增加结构，既要超塑成形出空心的增强结构，又要扩散连接为整体零件。零件扩散连接的面积约0.157m2，发生超塑变形区域的面积约 0.17m2，超塑变形区域超过总面积的50％，且超塑成形区域的最小壁厚不得低于原材料厚度的70％，扩散连接的焊合率不低于90％。而目前钛合金超塑成形/扩散连接技术最常见的应用是成形一些外形简单的盆、球类零件，利用超塑成形/扩散连接成形复杂型面两层结构零件则鲜见报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种材料利用率高、尺寸控制精度高、产品性能好的钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法，包括以下步骤：
(1)模具制作：制作模具，包括上模和下模，根据制件的外形轮廓设计上模和下模的型腔，使上模和下模的型腔面与耐热蒙皮外观保持一致，并在上模和下模上分别加工定位孔、测温孔、吊装孔、通气槽，并在上模的型腔面上设置若干排气孔；
(2)坯料加工：先加工内、外蒙皮外轮廓，然后采用酸洗液清洗内、外蒙皮，并在内蒙皮上采用机械加工方式加工通气孔；
(3)坯料止焊剂涂覆与封焊：在内、外蒙皮的超塑成形区域涂覆止焊剂，将涂好止焊剂的内、外蒙皮四边对齐，封焊内、外蒙皮的四周，并将进气管封焊到通气孔的位置；
(4)装模：将上模和下模清理干净后涂覆一层脱模剂，将封焊好的内外蒙皮安装在模具内，将模具放入超塑设备中；
(5)超塑成形和扩散连接：将超塑设备升温，升温过程中保持封焊好的内外蒙皮间10-3 MPa以下的真空度，当模具温度达到920～930℃时，对内、外蒙皮施加77～83T压力，保压 110～130min，使未涂覆止焊剂的部位实现扩散连接；然后通过通气孔向内、外蒙皮之间通入氩气，达到0.8MPa时停止进气，进入保压状态，保压175～185min后实现超塑成形，卸载气压，零件和模具随炉冷却；
(6)出炉：当模具温度冷却到400℃以下,取出热电偶，将模具和零件从设备平台上吊至钳工平台，取出零件；
(7)加工：按照三维数模加工零件的外形尺寸，得到复杂型面的钛合金耐热蒙皮制件。
本发明钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法，进一步的，步骤(2)中，对坯料进行加工之前，先根据耐热蒙皮的外形尺寸计算坯料的理论展开尺寸，补加5mm～10mm工艺余量。
本发明钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法，进一步的，步骤(2)中，酸洗液的组分包括硝酸、氢氟酸和水，体积比为：
质量浓度65％～68％的硝酸 15～45％
质量浓度40％的氢氟酸 2～10％
水 余量。
本发明钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法，进一步的，所述酸洗液的温度为 18～45℃，酸洗时间为2～15min。
本发明钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法，进一步的，步骤(3)中，所述止焊剂采用氮化硼或氧化钇。
本发明钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法，进一步的，步骤(4)中，所述脱模剂采用氮化硼或氧化钇。
本发明钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法，进一步的，步骤(4)中，将热电偶***上模和下模上的测温孔中，并接入到相应的仪表中。
本发明钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法，进一步的，步骤(5)中，模具超过300℃时，通过上、下模上的通气槽向上、下模腔内通入流动氩气。
本发明钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法，通过模具来控制制件的外形和尺寸，完成了复杂型面钛合金制件的成形，减少了成形工装的数量，缩短了耐热蒙皮制件的制备过程，降低了制造成本；采用先扩散连接后超塑成形的工艺过程，使内蒙皮和外蒙皮的接触部分实现扩散连接，隔离部分实现超塑成形，一次成形出型面复杂、中空结构的耐热蒙皮，扩散连接区域为面连接，与传统点焊或者铆接零件点连接相比，大大提高了构件的结构完整性,提升了构件的比强度和比刚度，提高了扩散连接的焊合率，且超塑区与扩散区过渡处应力集中小，成形后耐热蒙皮的整体性能高，制件具有尺寸精度高、整体性能好、质量轻等优点，且该工艺缩短了加工周期、材料利用率高、制造成本低。
下面结合附图对本发明的钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法作进一步说明。
附图说明
图1为本发明钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法中下模的结构示意图；
图2为本发明钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法中上模的结构示意图；
图3为本发明钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法中内蒙皮止焊剂涂覆位置结构图。
具体实施方式
本发明钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法，包括以下步骤：
(1)模具制作
在耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接过程中需要用模具来控制制件的外形和尺寸，如图1和图2所示，模具包括上模1和下模2，根据制件的外形轮廓设计上模1和下模2的型腔，使上模1和下模2的型腔面与耐热蒙皮外观保持一致性，并在上模1和下模2上分别加工定位孔11、测温孔12、吊装孔13、通气槽14，并在上模1的型腔面上设置若干排气孔15；
(2)坯料加工
内、外蒙皮均采用0.8mm厚的TC4钛合金板材，根据耐热蒙皮的外形尺寸计算坯料的理论展开尺寸，补加5～10mm工艺余量，按尺寸要求采用线切割加工内、外蒙皮外轮廓，采用酸洗液清洗内、外蒙皮，并在内蒙皮3上采用机械加工方式加工通气孔31；酸洗液的组分包括硝酸、氢氟酸和水，体积比为：
质量浓度65％～68％的硝酸 15～45％
质量浓度40％的氢氟酸 2～10％
水 余量
酸洗液的温度为18～45℃，酸洗时间为2～15min；
(3)坯料止焊剂涂覆与封焊
如图3所示，在内、外蒙皮的超塑成形区域即图中阴影区域涂覆止焊剂，止焊剂可采用氮化硼、氧化钇、氮化硼和氧化钇的混合物，将涂好止焊剂的内、外蒙皮四边对齐，沿边缘采用氩弧焊封口焊接，封焊内、外蒙皮的四周，并将进气管封焊到通气孔的位置；将进气管与真空泵连接，抽真空，当真空度达到10-3MPa时，真空度若无明显变化则表明气密合格；
(4)装模
将上模1和下模2清理干净后涂覆一层脱模剂，脱模剂可采用氮化硼、氧化钇、氮化硼和氧化钇的混合物，将零件安装在模具内，将模具放入超塑设备中，将热电偶***上模1和下模2上的测温孔中，并接入到相应的仪表中，例如温度巡检仪；
(5)超塑成形和扩散连接
将超塑设备升温，升温过程中对内、外蒙皮保持10-3MPa以下的真空度，模具超过300℃时，通过上、下模1、2上的通气槽向上、下模腔内通入流动氩气,当模具温度达到920～930℃时，对内、外蒙皮施加77～83T压力，保压110～130min，使未涂覆止焊剂的部位实现扩散连接；然后关闭真空泵，通过通气孔向内、外蒙皮之间通入氩气，达到0.8MPa时停止进气，进入保压状态，保压175～185min后实现超塑成形，卸载气压，冷却零件和模具；
(6)出炉
当模具温度冷却到400℃以下，取出热电偶，将模具和零件从设备平台上吊至钳工平台，取出零件；
(7)加工：按照三维数模加工零件的外形尺寸，得到复杂型面的钛合金耐热蒙皮制件。
本发明钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法，所得制件扩散连接区域的壁厚要求不低于1.6mm，扩散连接区域的焊合率不低于90％，超塑成形区域的最小壁厚不低于0.5mm。制件的机械性能可以达到原始材料的90％以上，具体见表1。
实施例1
一种钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法，包括以下步骤：
(1)模具制作
在耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接过程中需要用模具来控制制件的外形和尺寸，模具包括上模和下模，根据制件的外形轮廓设计上模和下模的型腔，使上模和下模的型腔面与耐热蒙皮外观保持一致，并在上模和下模上分别加工定位孔、测温孔、吊装孔、通气槽，上模和下模上通气槽的位置相对应，并在上模的型腔面上设置若干排气孔；
(2)坯料加工
内、外蒙皮均采用0.8mm厚的TC4钛合金板材，根据耐热蒙皮的外形尺寸计算坯料的理论展开尺寸，补加5mm工艺余量，按尺寸要求采用线切割加工内、外蒙皮外轮廓，采用酸洗液清洗内、外蒙皮，并在内蒙皮上采用铣床加工通气孔；酸洗液的组分包括硝酸、氢氟酸和水，体积比为：
硝酸(浓度65％) 45％
氢氟酸(浓度40％) 2％
水 余量
酸洗液的温度为18℃，酸洗时间为2min；
(3)坯料止焊剂涂覆与封焊
如图3所示，在内、外蒙皮的超塑成形区域即图中阴影区域涂覆止焊剂，止焊剂采用氮化硼，将涂好止焊剂的内、外蒙皮四边对齐，沿边缘采用氩弧焊封口焊接，封焊内、外蒙皮的四周，并将进气管封焊到通气孔的位置；将进气管与真空泵连接，抽真空，当真空度达到 10-3MPa时，1min内真空度若无明显变化则表明气密合格；
(4)装模
将上模和下模清理干净后涂覆一层脱模剂，脱模剂采用氮化硼，将零件安装在模具内，将模具放入超塑设备中，将热电偶***上模和下模上的测温孔中，并接入到相应的仪表中，例如温度巡检仪；
(5)超塑成形和扩散连接
将超塑设备升温，升温过程中对内、外蒙皮保持10-3MPa以下的真空度，模具超过300℃时，通过上、下模上的通气槽向上、下模腔内通入流动氩气,当模具温度达到920℃时，对内、外蒙皮施加83T压力，保压130min，使未涂覆止焊剂的部位实现扩散连接；然后关闭真空泵，通过通气孔向内、外蒙皮之间通入氩气，达到0.8MPa时停止进气，进入保压状态，保压185min 后实现超塑成形，卸载气压，冷却零件和模具；
(6)出炉
当模具温度冷却到400℃以下，取出热电偶将模具和零件从设备平台上吊至钳工平台，取出零件；
(7)加工：按照三维数模加工零件的外形尺寸，得到复杂型面的钛合金耐热蒙皮制件。
所得制件扩散连接区域的壁厚为1.66mm，扩散连接区域的焊合率为93.62％，超塑成形区域的最小壁厚为0.64mm，力学性能见表1。
实施例2
一种钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法，包括以下步骤：
(1)模具制作
在耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接过程中需要用模具来控制制件的外形和尺寸，模具包括上模和下模，根据制件的外形轮廓设计上模和下模的型腔，使上模和下模的型腔面与耐热蒙皮外观保持一致，并在上模和下模上分别加工定位孔、测温孔、吊装孔、通气槽，上模和下模上通气槽的位置相对应，并在上模的型腔面上设置若干排气孔；
(2)坯料加工
内、外蒙皮均采用0.8mm厚的TC4钛合金板材，根据耐热蒙皮的外形尺寸计算坯料的理论展开尺寸，补加8mm工艺余量，按尺寸要求采用线切割加工内、外蒙皮外轮廓，采用酸洗液清洗内、外蒙皮，并在内蒙皮上采用铣床加工通气孔；酸洗液的组分包括硝酸、氢氟酸和水，体积比为：
硝酸(浓度66％) 30％
氢氟酸(浓度40％) 8％
水 余量
酸洗液的温度为30℃，酸洗时间为10min；
(3)坯料止焊剂涂覆与封焊
如图3所示，在内、外蒙皮的超塑成形区域即图中阴影区域涂覆止焊剂，止焊剂采用氧化钇，将涂好止焊剂的内、外蒙皮四边对齐，沿边缘采用氩弧焊封口焊接，封焊内、外蒙皮的四周，并将进气管封焊到通气孔的位置；将进气管与真空泵连接，抽真空，当真空度达到 10-3MPa时，1min内真空度若无明显变化则表明气密合格；
(4)装模
将上模和下模清理干净后涂覆一层脱模剂，脱模剂采用氧化钇，将零件安装在模具内，将模具放入超塑设备中，将热电偶***上模和下模上的测温孔中，并接入到相应的仪表中，例如温度巡检仪；
(5)超塑成形和扩散连接
将超塑设备升温，升温过程中对内、外蒙皮保持10-3MPa以下的真空度，模具超过300℃时，通过上、下模上的通气槽向上、下模腔内通入流动氩气,当模具温度达到930℃时，对内、外蒙皮施加77T压力，保压110min，使未涂覆止焊剂的部位实现扩散连接；然后关闭真空泵，通过通气孔向内、外蒙皮之间通入氩气，达到0.8MPa时停止进气，进入保压状态，保压175min 后实现超塑成形，卸载气压，冷却零件和模具；
(6)出炉
当模具温度冷却到400℃以下，取出热电偶，进行冷却，待模具冷却之后，将制件从模具中取出来；
(7)加工：按照三维数模加工零件的外形尺寸，得到复杂型面的钛合金耐热蒙皮制件。所得制件扩散连接区域的壁厚为1.67mm，扩散连接区域的焊合率为92.58％，超塑成形区域的最小壁厚为0.67mm，力学性能见表1。
实施例3
一种钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法，包括以下步骤：
(1)模具制作
在耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接过程中需要用模具来控制制件的外形和尺寸，模具包括上模和下模，根据制件的外形轮廓设计上模和下模的型腔，使上模和下模的型腔面与耐热蒙皮外观保持一致，并在上模和下模上分别加工定位孔、测温孔、吊装孔、通气槽，上模和下模上通气槽的位置相对应，并在上模的型腔面上设置若干排气孔；
(2)坯料加工
内、外蒙皮均采用0.8mm厚的TC4钛合金板材，根据耐热蒙皮的外形尺寸计算坯料的理论展开尺寸，补加10mm工艺余量，按尺寸要求采用线切割加工内、外蒙皮外轮廓，采用酸洗液清洗内、外蒙皮，并在内蒙皮上采用铣床加工通气孔；酸洗液的组分包括硝酸、氢氟酸和水，体积比为：
硝酸(浓度68％) 15％
氢氟酸(浓度40％) 10％
水 余量
酸洗液的温度为45℃，酸洗时间为15min；
(3)坯料止焊剂涂覆与封焊
如图3所示，在内、外蒙皮的超塑成形区域即图中阴影区域涂覆止焊剂，止焊剂采用氮化硼和氧化钇的混合物，将涂好止焊剂的内、外蒙皮四边对齐，沿边缘采用氩弧焊封口焊接，封焊内、外蒙皮的四周，并将进气管封焊到通气孔的位置；将进气管与真空泵连接，抽真空，当真空度达到10-3MPa时，1min内真空度若无明显变化则表明气密合格；
(4)装模
将上模和下模清理干净后涂覆一层脱模剂，脱模剂采用氮化硼和氧化钇的混合物，将零件安装在模具内，将模具放入超塑设备中，将热电偶***上模和下模上的测温孔中，并接入到相应的仪表中，例如温度巡检仪；
(5)超塑成形和扩散连接
将超塑设备升温，升温过程中对内、外蒙皮保持10-3MPa以下的真空度，模具超过300℃时，通过上、下模上的通气槽向上、下模腔内通入流动氩气,当模具温度达到925℃时，对内、外蒙皮施加80T压力，保压120min，使未涂覆止焊剂的部位实现扩散连接；然后关闭真空泵，通过通气孔向内、外蒙皮之间通入氩气，达到0.8MPa时停止进气，进入保压状态，保压180min 后实现超塑成形，卸载气压，冷却零件和模具；
(6)出炉
当模具温度冷却到400℃以下，取出热电偶将模具和零件从设备平台上吊至钳工平台，取出零件；(7)加工：按照三维数模加工零件的外形尺寸，得到复杂型面的钛合金耐热蒙皮制件。
所得制件扩散连接区域的壁厚为1.62mm，扩散连接区域的焊合率为94.15％，超塑成形区域的最小壁厚为0.66mm，力学性能见表1。
表1
本发明钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法与现有技术相比，具有以下有益效果：通过模具来控制制件的外形和尺寸，完成了复杂型面钛合金制件的成形，减少了成形工装的数量，缩短了耐热蒙皮制件的制备过程，降低了制造成本；采用先扩散连接后超塑成形的工艺过程，使内蒙皮和外蒙皮的接触部分实现扩散连接，隔离部分实现超塑成形，一次成形出型面复杂、中空结构的耐热蒙皮，扩散连接区域为面连接，与传统点焊或者铆接零件点连接相比，大大提高了构件的结构完整性,提升了构件的比强度和比刚度，提高了扩散连接的焊合率，且超塑区与扩散区过渡处应力集中小，成形后耐热蒙皮的整体性能高，制件具有尺寸精度高、整体性能好、质量轻等优点，且该工艺缩短了加工周期、材料利用率高、制造成本低。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)模具制作：制作模具，包括上模和下模，根据制件的外形轮廓设计上模和下模的型腔，使上模和下模的型腔面与耐热蒙皮外观保持一致，并在上模和下模上分别加工定位孔、测温孔、吊装孔、通气槽，并在上模的型腔面上设置若干排气孔；
(2)坯料加工：先加工内、外蒙皮外轮廓，然后采用酸洗液清洗内、外蒙皮，并在内蒙皮上采用机械加工方式加工通气孔；
(3)坯料止焊剂涂覆与封焊：在内、外蒙皮的超塑成形区域涂覆止焊剂，将涂好止焊剂的内、外蒙皮四边对齐，封焊内、外蒙皮的四周，并将进气管封焊到通气孔的位置；
(4)装模：将上模和下模清理干净后涂覆一层脱模剂，将封焊后的内外蒙皮安装在模具内，将模具放入超塑设备中；
(5)超塑成形和扩散连接：将超塑设备升温，升温过程中保持封焊后内外蒙皮之间10- 3MPa以下的真空度，当模具温度达到920～930℃时，对内、外蒙皮施加77～83T压力，保压110～130min，使未涂覆止焊剂的部位实现扩散连接；然后通过通气孔向内、外蒙皮之间通入氩气，达到0.8MPa时停止进气，进入保压状态，保压175～185min后实现超塑成形,卸载气压，冷却模具和零件；
(6)出炉：当模具温度冷却到400℃以下，取出热电偶，将模具和零件从设备平台上吊至钳工平台，取出零件；
(7)机加：按三维模型加工零件的外形尺寸，得到复杂型面的钛合金耐热蒙皮制件。
2.根据权利要求1所述的钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法，其特征在于：步骤(2)中，对坯料进行加工之前，先根据耐热蒙皮的外形尺寸计算坯料的理论展开尺寸，补加5mm～10mm工艺余量。
3.根据权利要求1所述的钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法，其特征在于：步骤(2)中，酸洗液的组分包括硝酸、氢氟酸和水，体积比为：
质量浓度65％～68％的硝酸 15～45％
质量浓度40％的氢氟酸 2～10％
水 余量。
4.根据权利要求3所述的钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法，其特征在于：所述酸洗液的温度为18～45℃，酸洗时间为2～15min。
5.根据权利要求1所述的钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法，其特征在于：步骤(3)中，所述止焊剂采用氮化硼或氧化钇。
6.根据权利要求1所述的钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法，其特征在于：步骤(4)中，所述脱模剂采用氮化硼或氧化钇。
7.根据权利要求1所述的钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法，其特征在于：步骤(4)中，将热电偶***上模和下模上的测温孔中，并接入到相应的仪表中。
8.根据权利要求1所述的钛合金耐热蒙皮的超塑成形/扩散连接成形方法，其特征在于：步骤(5)中，模具超过300℃时，通过上、下模上的通气槽向上、下模腔内通入流动氩气。
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