CN112719081A - 一种电流辅助spf/db一体化成形工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于轻质高强结构电流辅助热成形技术领域，具体涉及一种电流辅助SPF/DB一体化成形工艺。该一体化成形工艺通过采用一体化成形模具实现板材的成形，该模具包括绝缘模具主体，所述绝缘模具主体上设有凹腔和装配孔，所述装配孔贯穿所述凹腔设置，所述装配孔处装配有垂直电极，所述垂直电极装配于所述装配孔后将所述凹腔分隔成至少1个用于板材成型的型腔，所述垂直电极上靠近所述凹腔的开口端的一端的端面用于与板材贴合、对板材的待扩散连接区域进行电加热。本发明可提高接触区温度，降低接触区变形抗力，并利用“电流裂纹愈合”效应加快界面孔洞的愈合消弭，促进界面元素扩散，可以实现复合界面低压、短时快速扩散连接。

Description

一种电流辅助SPF/DB一体化成形工艺

技术领域

本发明属于轻质高强结构电流辅助热成形技术领域，具体涉及一种电流辅助SPF/DB一体化成形工艺。

背景技术

随着我国航空航天技术的深入发展，新一代高新装备要求具有更高的飞行速度和更远的飞行距离，在耐高温轻质结构材料与轻量化结构的双重减重方面提出了更高要求。因此，开发耐高温轻质材料的轻量化结构符合未来的发展趋势，需求非常迫切。

钛铝金属间化合物，具有低密度、高比强度和良好的抗氧化性等特点，是未来最具应用潜力的轻质高温金属结构材料之一，其中TiAl合金的使用温度可达700-900℃，Ti₂AlNb合金使用温度可达650℃，在航空航天领域具有广泛的应用前景。TiAl合金用于工作温度较高的部位，Ti₂AlNb合金用于服役温度较低的部位，就可以发挥两种材料各自的性能优势。

在航空航天领域，中空夹层结构可实现大幅减重，属于典型的轻量化结构^[4]。因此，将钛铝金属间化合物与多层中空夹层结构相结合可充分发挥材料轻质耐高温和结构轻量化的优势，从而实现双重减重，在航空航天蒙皮，热防护***等具有温度梯度、热环境复杂领域具有具大的应用潜力。

超塑成形/扩散连接(SPF/DB)工艺是目前最具应用前景的成形中空多层结构的先进成形技术之一。但研究表明，现有的SPF/DB工艺对于Ti₂AlNb合金、TiAl合金中空结构的成形具有本质局限性，难以达到“控形”和“控性”要求。局限性主要体现在：一方面Ti₂AlNb合金、TiAl合金超塑性扩散连接所需压力大，常规设备气压不足，而刚性长时加载又容易导致扩散连接区域局部塑性变形过大，从而影响构件的形状精度。另一方面，传统成形方式高温暴露时间长，成形质量与使用性能呈现倒置关系。已有文献研究表明，Ti₂AlNb合金、TiAl合金超塑成形温度和扩散连接温度均在950℃以上，长时高温暴露导致材料组织粗化，常温和高温力学性能下降。同时，高温也导致成形效率低、成本高，制约了Ti₂AlNb和TiAl合金结构件的成形制造。因而，解决局部过度塑变和长时高温导致的组织性能下降问题将成为实现Ti₂AlNb-TiAl合金复合中空结构SPF/DB技术的关键。

中国专利文件CN109604410A公开了一种钛合金多层板件快速成形装置及其成形方法，该成形装置包括：带有通气孔的保温密封箱，石墨上模具、石墨下模具、测温孔、石墨电极、通气管、直流脉冲电源；石墨电极分为第一电极和第二电极，第一电极通过导线连接在直流脉冲电源的一端，第二电极通过导线连接在直流脉冲电源另一端，试样位于石墨上模与石墨下模之间，石墨上下模分别通过两个石墨电极与脉冲电流相连形成回路，同时电极两端可通过加压装置对其施加压力，整个装置置于带有通气孔的保温密封箱。该成形装置在使用时，在脉冲电源打开对试样通电后，同时对试样的扩散连接区和超塑成形区进行加热，在压力作用下，试件的接触面达到原子间接触并发生原子间的扩散，而涂有阻焊剂的位置不会发生扩散焊接；当温度达到钛合金超塑性温度范围后，通过通气管对试样通气进行气胀成形，由于钛合金超塑性状态下具有优良的塑性，实现板材的成形。该钛合金多层板件快速成形装置及其成形方法虽可实现钛合金多层板件的扩散连接和超塑成形，但在采用电源对板件进行加热时，电流经石墨电极传导至石墨上模/石墨下模之后才能达到板件，实现对板件的加热，脉冲直流电源的脉冲频率为1-200Hz，脉冲电流峰值为10000A，基值电流55-70％，对总电流的要求大。

发明内容

本发明提供一种电流辅助SPF/DB一体化成形工艺，该一体化成形工艺通过采用电流辅助SPF/DB一体化成形模具实现板材的一体化成形，该模具中，垂直电极作为模具的一部分，可实现垂直电极与板材的扩散连接区域的直接接触，在进行板材的扩散连接时电流更集中。

本发明还提供了一种中空夹层结构构件。

本发明的电流辅助SPF/DB一体化成形工艺采用如下技术方案：一种电流辅助SPF/DB一体化成形工艺，其通过采用电流辅助SPF/DB一体化成形模具实现板材的一体化成形，所述模具包括绝缘模具主体，所述绝缘模具主体上设有凹腔和装配孔，所述装配孔贯穿所述凹腔设置，所述装配孔处装配有垂直电极，所述垂直电极装配于所述装配孔后将所述凹腔分隔成至少1个用于板材成型的型腔，所述垂直电极上靠近所述凹腔的开口端的一端的端面用于与板材贴合、对板材的待扩散连接区域进行电加热。

作为进一步优选的技术方案，所述垂直电极上构成所述型腔的边界的部分为绝缘面，所述绝缘面通过在所述垂直电极表面涂覆绝缘材料制成；所述绝缘模具主体采用陶瓷制成。

作为进一步优选的技术方案，所述垂直电极上用于与板材贴合、对板材的待扩散连接区域进行电加热的一面为加热面，所述绝缘面设有2个并分别设置在所述加热面的两侧。

作为进一步优选的技术方案，所述绝缘面关于所述加热面对称设置。

作为进一步优选的技术方案，所述垂直电极安装于所述装配孔后凸出于所述绝缘模具主体上远离所述凹腔的开口端的一端；所述绝缘模具主体上还设有测温孔，所述测温孔与所述凹腔相连通。

作为进一步优选的技术方案，所述测温孔与所述凹腔之间还设有透明材料。

作为进一步优选的技术方案，所述垂直电极与所述装配孔的大小相适应，所述垂直电极装配于所述装配孔后与所述绝缘模具主体贴合；所述透明材料为透明陶瓷。

作为进一步优选的技术方案，在对板材进行一体化成形加工时，将板材置于两个所述模具之间，并使两个所述模具的开口端相对设置。

作为进一步优选的技术方案，所述开口端相对设置的模具分别为第一模具和第二模具，所述第一模具中的垂直电极为第一垂直电极，所述第二模具中的垂直电极为第二垂直电极；所述第一垂直电极与电源的正极/负极相连，所述第二垂直电极与电源的负极/正极相连，所述第一垂直电极与第二垂直电极之间电流的方向为从第一垂直电极流向第二垂直电极或从第二垂直电极流向第一垂直电极。

作为进一步优选的技术方案，所述板材表面还设有用于对板材整体进行水平加热的水平电极，所述水平电极设置在板材表面、所述绝缘主体以外的位置处。

作为进一步优选的技术方案，所述水平电极包括第一水平电极和第二水平电极，所述第一水平电极和第二水平电极沿板材延伸方向设置，所述第一水平电极与电源的正极/负极相连，所述第二水平电极与电源的负极/正极相连，所述第一水平电极与第二水平电极之间电流的方向为从第一水平电极流向第二水平电极或从第二水平电极流向第一水平电极。

作为进一步优选的技术方案，所述一体化成形工艺中用到的装置还包括加载压力缸，所述加载压力缸作用于所述模具或模具组件上远离板材的一端以维持模具的固定。

作为进一步优选的技术方案，所述加载压力缸作用于所述垂直电极，所述加载压力缸与所述垂直电极之间设有绝缘介质。

作为进一步优选的技术方案，所述成形装置还包括电源、红外测温仪、控制所述垂直电极通断电的第一开关、控制所述水平电极通断电的第二开关和导线中的任意一种或几种的组合，所述红外测温仪设置在所述测温孔处。

作为进一步优选的技术方案，所述成形工艺包括下述步骤：(1)在相邻两层板材的非扩散连接区域涂覆阻焊剂；(2)将经步骤(1)处理得到的板材置于2个所述模具之间，使型腔的开口端朝向板材并使所述垂直电极与板材的待扩散连接区域接触；(3)加载压力缸对所述模具施加压力，维持所述模具整体的固定；(4)使所述垂直电极通电，对所述板材上与所述垂直电极接触的区域进行加热，实现板材的扩散连接；(5)扩散连接完成后，使所述垂直电极断电；(6)使所述水平电极通电，对所述板材进行水平整体加热；

(6)待所述板材的温度达到设定温度后，在两层板材之间通入气体，使所述板材与所述型腔贴合，即可得到成形构件。

作为进一步优选的技术方案，所述板材的材质为钛合金，所述钛合金包括但不限于钛铝铌合金和/或钛铝合金；所述阻焊剂为绝缘阻焊剂。

作为进一步优选的技术方案，所述板材为相互贴合的钛铝铌合金板材和钛铝合金板材，所述钛铝铌合金板材和钛铝合金板材超塑成形的温度为970-1000℃。

本发明的中空夹层结构构件采用如下技术方案：一种中空夹层结构构件，所述中空夹层结构构件采用如上述任意一项所述的一体化成形工艺加工得到。

本发明的有益效果是：电流辅助SPF/DB一体化成形工艺通过采用电流辅助SPF/DB一体化成形模具实现板材的一体化成形，所述模具中的垂直电极可直接与板材的待扩散连接区域接触，仅对接触区进行加热，提高接触区温度，降低接触区变形抗力，并利用“电流裂纹愈合”效应加快界面孔洞的愈合消弭，促进界面元素扩散，可以实现复合界面低压、短时快速扩散连接。

所述电流辅助SPF/DB一体化成形模具可实现仅对板材的待扩散连接区域进行加热，利用电致塑性效应可以有效提高材料的成形性能，大大缩短加热时间，减少组织粗化引起的性能下降。

所述电流辅助SPF/DB一体化成形模具中的垂直电极可将凹腔分隔成用于板材超塑成形的型腔(垂直电极作为型腔的边界)，在扩散连接后无需更换或调整模具，可实现板材的一体化成型，可有效提高成形效率和降低成本。

采用所述电流辅助SPF/DB一体化成形模具对板材进行扩散连接时，仅对扩散连接区加热，在电流密度不变的条件下极大地减小了总电流。

本发明的电流辅助SPF/DB一体化成形工艺采用水平电极对板材进行加热，相对于垂直加热，电流截面积大大减小，提高了材料加热自阻，加热速度快，总电流减小；此外，水平电极对板材的非扩散连接区域电流直接加热，而非热传导，温度更均匀。

采用本发明的电流辅助SPF/DB一体化成形工艺对板材进行加工时，不需要在保温密封箱保护气氛下进行，模具可暴露在空气中，成形后随模具冷却，提高了生产效率，降低成本。

本发明的电流辅助SPF/DB一体化成形工艺利用电流焦耳热实现Ti2AlNb-TiAl合金的快速加热，相对于传统炉温加热2-4h，可实现几分钟内即可加热至Ti2AlNb基合金和TiAl合金变形温度(1000℃左右)。

利用电流“焦耳热”“电致裂纹愈合”加速Ti2AlNb-TiAl基合金扩散连接，利用“焦耳热”和“电致塑性”提高材料的变形性能，并利用一体化成形设计，进一步缩短高温暴露时间，实现高效率复合中空构件“控形控性”。

本发明创新性地提出电流辅助Ti₂AlNb-TiAl合金复合中空结构一体化成形技术，是一种可以实现Ti₂AlNb-TiAl基合金低压、快速扩散连接和快速超塑成形的新方法。

采用本发明的电流辅助SPF/DB一体化成形工艺制备得到的Ti₂AlNb-TiAl合金复合中空结构，可有效解决现有技术中过度塑变和长时高温导致的组织性能下降的问题，实现Ti₂AlNb-TiAl合金复合中空结构的“控形控性”，在航空航天领域有广泛的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的电流辅助SPF/DB一体化成形工艺中用到的电流辅助SPF/DB一体化成形模具(装配垂直电极前)的其中一种具体实施方式(实施例1)的整体结构示意图；

图2为实施例1的电流辅助SPF/DB一体化成形模具(装配垂直电极前)的俯视图(将模具置于待加工的板材上方，使凹腔的开口端朝向板材)；

图3为实施例1的电流辅助SPF/DB一体化成形模具(装配垂直电极前)的实施例1的底部结构示意图(以模具置于待加工的板材上方，使凹腔的开口端朝向板材为基准)；

图4为垂直电极的其中一种具体实施方式的整体结构示意图；

图5为图4所示的垂直电极的上表面的结构示意图(以垂直电极放置于待加工板材上方为基准)；

图6为图4所示的垂直电极的底端的结构示意图(以垂直电极放置于待加工板材上方为基准)；

图7为图4所示的垂直电极的前(后)侧面的结构示意图(以垂直电极放置于待加工板材上方为基准)；

图8为图4所示的垂直电极的左(右)侧面的结构示意图(以垂直电极放置于待加工板材上方为基准)；

图9为本发明的电流辅助SPF/DB一体化成形工艺中用到的电流辅助SPF/DB一体化成形模具(装配垂直电极后)的其中一种实施方式的剖视图(将模具置于待加工的板材上方，使凹腔的开口端朝向板材)；

图10为本发明的电流辅助SPF/DB一体化成形工艺中用到的电流辅助SPF/DB一体化成形模具(装配垂直电极后)的其中一种实施方式(实施例5)的剖视图；

图11为本发明的电流辅助SPF/DB一体化成形工艺中用到的电流辅助SPF/DB一体化成形模具(装配垂直电极后)的其中一种实施方式(实施例7)的剖视图；

图12为在板材上、下两端分别放置电流辅助SPF/DB一体化成形模具的其中一种具体实施方式的整体结构示意图；

图13为图12中示出的成形模具从底部观察的结构示意图；

图14为本发明的电流辅助SPF/DB一体化成形工艺中用到的装置的其中一种具体实施方式的剖视图；

图15为本发明的电流辅助SPF/DB一体化成形工艺中用到的装置的其中一种具体实施方式的剖视图；

图中：1、绝缘模具主体；2、装配孔；3、凹腔；4、垂直电极；41、倾斜面；42、底面；5、型腔；6、板材；7、阻焊剂；8、测温孔；9、红外测温仪；10、透明材料；11、水平电极；12、加载压力缸；13、导线，14、同步开关，15、绝缘介质。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”

可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例1

如图1-9所示，一种电流辅助SPF/DB一体化成形模具，该模具包括绝缘模具主体1，绝缘模具主体1上设有凹腔3和装配孔2，所述装配孔2贯穿所述凹腔3设置，所述装配孔2处装配有垂直电极4，所述垂直电极4装配于所述装配孔2后将所述凹腔3分隔成至少1个用于板材6成型的型腔5(如图9所示，垂直电极4***装配孔2后，垂直电极4底部的倾斜面41(“倾斜面”对本发明中垂直电极4位于凹腔范围内、与板材贴合的底面以外的部分的外周面的形状不构成限定，仅出于描述的方便在本实施例中用“倾斜面”代替；在实际应用过程中也可以为垂直于板材的竖直平面或不规则的曲面或平面等多种不同形状/构造，不做具体限定)的一端与凹腔3的最深凹面相接触，另一端位于凹腔3的开口端的端面，倾斜面41与凹腔3形成仅一端开口的、可用于板材成型的型腔5，垂直电极4上靠近所述凹腔3的开口端的一端的端面(图中垂直电极的底面42)用于与板材6贴合、对板材的待扩散连接区域进行电加热。

采用该电流辅助SPF/DB一体化成形模具进行板材的一体化成形加工的工作原理：使用时，在待加工的板材6表面放置成形模具(如图9所示)，预先在待加工的两层板材6的非扩散连接区域涂抹阻焊剂7(优先选用绝缘阻焊剂，以避免两板之间的非扩散连接区形成电流回路或局部放电而造成的非扩散连接区域的连接)，使垂直电极4的底面42与板材的待扩散连接区域贴合，向垂直电极4通电，垂直电极的底面42在电流作用下，进行电流辅助场激活扩散连接。板材6的扩散连接结束后，无需更换模具，再对板材6的整体加热，达到板材6的超塑成形温度后，向两层板材之间通入气体，板材即可气胀进入型腔5、与型腔5贴合，进而完成对板材6的一体化成形加工。

该模具适用于钛合金等可在电流焦耳热作用下快速加热的材料(例如钛合金等，其中钛合金包括但不限于钛铝合金、钛铝铌合金等)的扩散连接/超塑成形。在扩散连接时，该模具仅对板材6的待扩散连接区域进行加热，可提高待扩散连接区(垂直电极的底面42与板材接触的区域)温度，降低板材待扩散连接区域变形抗力，并利用“电流裂纹愈合”效应加快界面孔洞的愈合消弭，促进界面元素扩散，可以实现板材间扩散连接区域界面(两层板材的扩散连接区域，两层板材可独立的选用相同或不同的具体材质)低压、短时快速扩散连接。由于该一体化成形模具在对板材进行扩散连接时，仅对板材的待扩散连接区域进行加热，相对于对板材整体进行加热以实现板材的待扩散连接区域的扩散连接的技术方案，在电流密度不变的条件下，可极大程度上减小总电流。

此外，本领域技术人员在实际使用时，可根据需要选择模具中所包含的装配孔和/或垂直电极的具体数量、大小(图中示出的装配孔和/或垂直电极的数量为2个，本领域技术人员公知根据实际需要可将装配孔和/或垂直电极的数量设置为1个或多个等)；本领域技术人员根据需要也可对装配孔和/或垂直电极的具体形状进行选择，满足垂直电极装配于装配孔后可与凹腔形成用于板材成型的型腔即可；本领域技术人员在实际使用时，可根据实际需要选择本发明的模具的数量并进行模具位置的组合、分布；例如，可根据需要分别在板材6的上下两端设置模具等，或如图9所示仅在板材的上方设置本发明的模具、在板材的下方仅对待扩散连接区域(图9中垂直电极的底面42所对应的区域)设置相应形状的电极等，实现对板材的待扩散连接区域的电加热。

实施例2

在实施例1的基础上，垂直电极4上构成型腔3的边界的部分(垂直电极底部的倾斜面41)为绝缘面，绝缘面通过在垂直电极底部的倾斜面41表面涂覆绝缘材料(可为绝缘漆之类易涂刷、厚度较小且均匀性容易控制的耐高温绝缘材料等)制成。通过在构成型腔3的垂直电极底部的倾斜面41上涂覆绝缘材料，可有效将垂直电极通电时的电流集中于垂直电极的底面42所覆盖的区域，进而实现电流在板材的待扩散连接区域的集中，加快待扩散连接区域的扩散连接的过程。其中，绝缘模具主体1的材质可采用陶瓷等。

实施例3

在实施例2的基础上，垂直电极4上用于与板材6贴合、对板材6的待扩散连接区域进行电加热的一面为加热面(图中垂直电极的底面42)，绝缘面设有2个并分别设置在加热面的两侧。通过在垂直电极的底面42的两侧分别设置绝缘面(垂直电极底部的倾斜面41)，使得垂直电极4装配于装配孔2后，两侧的倾斜面41均可与凹腔3配合，作为用于板材成型的型腔5的边界，进而可适用于需要形成多个中空结构的板材的加工，提供板材加工的效率。

实施例4

在实施例1-3中任意一项的基础上，绝缘面关于加热面对称设置。若垂直电极底部的倾斜面41关于加热面(垂直电极的底面42)对称，则垂直电极4装配于装配孔后可将凹腔3分隔成至少2个一边侧面对称的型腔5。若整个凹腔3是左右对称的结构，则在垂直电极的底面42两侧的倾斜面41对称的情况下，可得到完全相同的型腔5，便于将板材加工成具有多个相同中空结构的产品。应当说明的是，本发明并不必然将凹腔3限制为具有对称结构的凹腔和/或将垂直电极倾斜面41两侧的倾斜面限定为具有对称结构的情况，在同一板材上需要同时加工出具有多个不同形状的中空结构的产品时，本领域技术人员公知可以通过改变凹腔和/或倾斜面41的形状来实现型腔5的具体形状的改变。

实施例5

如图10所示，在实施例1-4中任意一项的基础上，垂直电极4安装于装配孔2后凸出于绝缘模具主体1上远离凹腔3的开口端的一端。这样设置使得当采用本发明的模具对板材进行加工时，便于采用加载压力缸作用于垂直电极4，以保持板材与板材之间、垂直电极4与绝缘模具主体1之间不会发生位移，进而保障板材的正常扩散连接和超塑成形。

实施例6

在实施例1-5中任意一项的基础上，垂直电极4与装配孔2的大小相适应，垂直电极4装配于装配孔2后与绝缘模具主体1贴合，进而在板材加工时减少垂直电极4在装配孔2中发生移动的情况，且有助于维持板材加工整体***的密封。

实施例7

在实施例1-6中任意一项的基础上，如图11所示，绝缘模具主体1上还设有测温孔8，测温孔8与凹腔3相连通，测温孔8与凹腔3之间还设有透明材料10(用于保障红外测温的正常进行，主要利用透明材料的透光性进行测温)。在对板材进行加工时，由于板材完全放置于模具内，电加热传动的接触式电偶无法使用，本发明可利用透明材料的透光性进行测温。透明材料10根据需要选用透明陶瓷、玻璃等透明且耐高温的材料即可。

实施例8

在实施例1-7中任意一项的基础上，在对板材进行一体化成形加工时，将板材置于两个模具之间，并使两个模具的开口端相对设置。如图12-14所示，在对板材进行加工时，置于板材6上方的模具的垂直电极4对上层的板材6的待扩散连接区域进行加热，置于板材下方的模具的垂直电极对下层的板材6的待扩散连接区域进行加热，待达到扩散连接的温度后，上下两层板材的待扩散连接区域进行扩散连接。之后，再将上层板材和下层板材6加热至超塑成形的温度，向两层板材6之间通入气体，上层板材6涂覆阻焊剂的区域进入上模具的型腔5与上模具的型腔5贴合、下层板材6涂覆阻焊剂的区域进入下模具的型腔5与下模具的型腔5贴合，得到具有两层中空结构的产品。

实施例9

在实施例1-8中任意一项的基础上，开口端相对设置的模具分别为第一模具和第二模具，第一模具中的垂直电极为第一垂直电极，第二模具中的垂直电极为第二垂直电极；第一垂直电极与电源的正极/负极相连，所述第二垂直电极与电源的负极/正极相连，所述第一垂直电极与第二垂直电极之间电流的方向为从第一垂直电极流向第二垂直电极或从第二垂直电极流向第一垂直电极。如图15所示，若以图15中板材6上方的模具为第一模具，板材16下方的模具为第二模具，将位于板材上方的第一垂直电极通过导线13与电源的负极相连，位于板材下方的第二垂直电极通过导线13与电源的正极相连(或将位于板材上方的第一垂直电极通过导线13与电源的正极相连，位于板材下方的第二垂直电极通过导线13与电源的负极相连)，采用同步开关14(也可选用本领域公知的其他可用开关，不做具体限定)控制垂直电极的通、断电。当接通电源时，上、下对称设置的第一垂直电极和第二垂直电极之间形成垂直于板材6的电流，对板材的待扩散连接区域进行垂直加热，控制电流大小，使垂直电极接触板材区域(垂直电极的底面42)温度稳定，进行上、下板材的电流辅助场激活扩散连接。待扩散连接完成后，关闭同步开关14断电即可。

实施例10

在实施例1-9中任意一项的基础上，板材6表面还设有用于对板材6整体进行水平加热的水平电极11；水平电极11设置在板材6表面、绝缘模具主体1以外的位置处。如图15所示，图15中的上层板材和下层板材上均设有水平电极11，以便于采用水平电极11对上层板材和/或下层板材进行电加热。当上下两层板材的温度稳定在上下两层板材的成形温度时，在两个板材之间通入气体，在通入气体的过程中，保持垂直电极4不发生上下移动，使得上方的板材与位于板材上方的模具的型腔完成贴模，下方的板材与位于板材下方的模具的型腔完成贴模，实现中空结构的超塑成形过程。

通过设置水平电极11，利用水平电极11对板材进行加热，使得可利用“焦耳热”和“电致塑性”提高材料的变形性能，且本发明的一体化成形工艺可实现板材的一体化成形，进一步缩短高温暴露时间，实现高效率复合中空构件“控形控形”。

超塑成形采用水平电极通电加热，相对于垂直加热，电流截面积大大减小，提高了材料加热自阻，加热速度快，总电流减小；本发明的一体化成形工艺对板材的非扩散连接区域直接进行电流加热，而非依靠热传导实现板材的加热，可使板材的温度更均匀。

实施例11

在实施例1-10中任意一项的基础上，水平电极包括第一水平电极和第二水平电极，第一水平电极和第二水平电极沿板材延伸方向设置，第一水平电极与电源的正极/负极相连，第二水平电极与电源的负极/正极相连，第一水平电极与第二水平电极之间电流的方向为从第一水平电极流向第二水平电极或从第二垫片电极流向第一水平电极。

如图15所示，将上层板材上设置的位于绝缘模具主体1左、右两侧的水平电极分别作为第一水平电极和第二水平电极，将第一水平电极与电源的负极电连接，第二水平电极与电源的正极电连接(或将第一水平电极与电源的正极电连接，第二水平电极与电源的负极电连接)，接通电源后，电流在上层板材的左右方向上流动，实现对上层板材进行水平整体加热；类似的，在下层板材上设置水平电极，也可实现对下层板材的加热，待上、下两层板材的温度达到成形的温度时，在两个板材之间通入气体，在通入气体的过程中，保持垂直电极4不发生上下移动，使得上方的板材与位于板材上方的模具的型腔完成贴模，下方的板材与位于板材下方的模具的型腔完成贴模，实现板材的超塑成形过程，得到中空结构构件。

实施例12

在实施例1-11中任意一项的基础上，本发明的一体化成形工艺中用到的装置还包括加载压力缸12，加载压力缸12作用于模具或模具组件上远离板材的一端以维持模具/垂直电极4的固定。

实施例13

在实施例12的基础上，加载压力缸12作用于垂直电极4，加载压力缸12与垂直电极4之间设有绝缘介质15。如图15所示，加载压力缸12直接作用于垂直电极4可有效避免在对板材进行加热的过程中垂直电极4发生位移，进而可能会影响板材的扩散连接和/或超塑成形。

实施例14

在实施例1-13中任意一项的基础上，本发明的一体化成形工艺中用到的装置还包括电源、红外测温仪9、控制垂直电极4通断电的第一开关、控制水平电极11通断电的第二开关和导线13中的任意一种或几种的组合，红外测温仪9设置在测温孔8处(如图12、15所示)。

实施例15

在实施例1-14中任意一项的基础上，本发明的电流辅助SPF/DB一体化成形工艺，包括下述步骤：(1)在相邻两层板材的非扩散连接区域涂覆阻焊剂；(2)将经步骤(1)处理得到的板材6置于2个模具之间，使型腔5的开口端朝向板材并使垂直电极4与板材的待扩散连接区域接触；(3)加载压力缸12对模具(垂直电极4)施加压力，维持模具整体(垂直电极4)的固定；(4)使垂直电极4通电，对板材6上与垂直电极4接触的区域进行加热，实现板材的扩散连接；(5)扩散连接完成后，使垂直电极4断电；(6)使水平电极11通电，对板材6进行水平整体加热；(6)待板材6的温度达到设定温度后，在两层板材之间通入气体，使板材6与型腔5贴合，即可得到成形构件(参照图15)。

实施例16

在实施例1-15任意一项的基础上，板材的材质为钛合金，钛合金包括但不限于钛铝铌合金和/或钛铝合金。

实施例17

在实施例16的基础上，板材包括相互贴合的钛铝铌合金板材和钛铝合金板材，钛铝铌合金板材和钛铝合金板材超塑成形的温度为970-1000℃。

采用本发明的工艺可实现钛铝铌合金板和钛铝合金复合中空结构的一体化成形，实现Ti₂AlNb-TiAl基合金低压、快速扩散连接和快速超塑成形。该一体化成形工艺主要包括两个阶段：第一阶段为Ti2AlNb基合金板和TiAl基合金板的电激活扩散连接阶段，第二阶段为Ti2AlNb基合金板和TiAl基合金板的超塑成形阶段。

具体过程：首先打开下方两个同步开关而关闭上方两个同步开关，通过加载压力缸12对垂直电极4施加一定的压力，对垂直电极4接触部分Ti2AlNb基合金板和TiAl基合金板进行垂直加热，控制电流大小，使接触板料区域温度稳定，进行两种材料的电流辅助场激活扩散连接。待连接完成后，关闭下方同步开关，打开上方同步开关，保持加载压力缸12压力，对板材进行水平整体加热，控制电流大小，待温度达到并稳定在Ti2AlNb和TiAl热成形温度970-1000℃，在两个板料中间通入气体，在通入气体的过程中，保证垂直电极4不发生上下移动，使得板料和陶瓷模具与型腔5完成贴模，实现复合中空结构的超塑成形过程。

实施例18

本发明的中空夹层结构构件，采用如上述任意一项所述的电流辅助SPF/DB一体化成形工艺制备得到，可有效避免扩散连接/超塑成形过程中出现的过度塑变和长时高温导致的组织性能下降问题，实现中空夹层结构构件的“控形控性”。

以Ti₂AlNb-TiAl基合金复合中空结构为例：TiAl合金的使用温度可达700-900℃，Ti₂AlNb合金使用温度可达650℃，在航空航天领域具有广泛的应用前景。TiAl合金用于工作温度较高的部位，Ti₂AlNb合金用于服役温度较低的部位，就可以发挥两种材料各自的性能优势。

在航空航天领域，中空夹层结构可实现大幅减重，属于典型的轻量化结构。因此，将钛铝金属间化合物与多层中空夹层结构相结合可充分发挥材料轻质耐高温和结构轻量化的优势，从而实现双重减重，在航空航天蒙皮，热防护***等具有温度梯度、热环境复杂领域具有具大的应用潜力。按照本发明的工艺制得的Ti₂AlNb-TiAl基合金复合中空结构可应用于航空航天领域，解决局部过度塑变和长时高温导致的组织性能下降问题。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电流辅助SPF/DB一体化成形工艺，其特征在于，通过采用电流辅助SPF/DB一体化成形模具实现板材的一体化成形，所述模具包括绝缘模具主体，所述绝缘模具主体上设有凹腔和装配孔，所述装配孔贯穿所述凹腔设置，所述装配孔处装配有垂直电极，所述垂直电极装配于所述装配孔后将所述凹腔分隔成至少1个用于板材成型的型腔，所述垂直电极上靠近所述凹腔的开口端的一端的端面用于与板材贴合、对板材的待扩散连接区域进行电加热。

2.根据权利要求1所述的电流辅助SPF/DB一体化成形工艺，其特征在于，所述垂直电极上构成所述型腔的边界的部分为绝缘面，所述绝缘面通过在所述垂直电极表面涂覆绝缘材料制成；所述绝缘模具主体采用陶瓷制成；所述垂直电极上用于与板材贴合、对板材的待扩散连接区域进行电加热的一面为加热面，所述绝缘面设有2个并分别设置在所述加热面的两侧；所述绝缘面关于所述加热面对称设置；所述垂直电极安装于所述装配孔后凸出于所述绝缘模具主体上远离所述凹腔的开口端的一端；所述绝缘模具主体上还设有测温孔，所述测温孔与所述凹腔相连通。

3.根据权利要求1所述的电流辅助SPF/DB一体化成形工艺，其特征在于，所述垂直电极与所述装配孔的大小相适应，所述垂直电极装配于所述装配孔后与所述绝缘模具主体贴合；所述测温孔与所述凹腔之间还设有透明材料；所述透明材料为透明陶瓷。

4.根据权利要求1所述的电流辅助SPF/DB一体化成形工艺，其特征在于，在对板材进行一体化成形加工时，将板材置于两个所述模具之间，并使两个所述模具的开口端相对设置；所述开口端相对设置的模具分别为第一模具和第二模具，所述第一模具中的垂直电极为第一垂直电极，所述第二模具中的垂直电极为第二垂直电极；所述第一垂直电极与电源的正极/负极相连，所述第二垂直电极与电源的负极/正极相连，所述第一垂直电极与第二垂直电极之间电流的方向为从第一垂直电极流向第二垂直电极或从第二垂直电极流向第一垂直电极。

5.根据权利要求1所述的电流辅助SPF/DB一体化成形工艺，其特征在于，所述板材表面还设有用于对板材整体进行水平加热的水平电极，所述水平电极设置在板材表面、所述绝缘主体以外的位置处；所述水平电极包括第一水平电极和第二水平电极，所述第一水平电极和第二水平电极沿板材延伸方向设置，所述第一水平电极与电源的正极/负极相连，所述第二水平电极与电源的负极/正极相连，所述第一水平电极与第二水平电极之间电流的方向为从第一水平电极流向第二水平电极或从第二水平电极流向第一水平电极。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的电流辅助SPF/DB一体化成形工艺，其特征在于，所述一体化成形工艺中用到的装置还包括加载压力缸、电源、红外测温仪、控制所述垂直电极通断电的第一开关、控制所述水平电极通断电的第二开关和导线中的任意一种或几种的组合；所述加载压力缸作用于所述模具远离板材的一端以维持模具的固定；所述加载压力缸作用于所述垂直电极，所述加载压力缸与所述垂直电极之间设有绝缘介质；所述红外测温仪设置在测温孔处。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的电流辅助SPF/DB一体化成形工艺，其特征在于，包括下述步骤：(1)在相邻两层板材的非扩散连接区域涂覆阻焊剂；(2)将经步骤(1)处理得到的板材置于2个所述模具之间，使型腔的开口端朝向板材并使所述垂直电极与板材的待扩散连接区域接触；(3)加载压力缸对所述模具施加压力，维持所述模具整体的固定；(4)使所述垂直电极通电，对所述板材上与所述垂直电极接触的区域进行加热，实现板材的扩散连接；(5)扩散连接完成后，使所述垂直电极断电；(6)使所述水平电极通电，对所述板材进行水平整体加热；(6)待所述板材的温度达到设定温度后，在两层板材之间通入气体，使所述板材与所述型腔贴合，即可得到成形构件。

8.根据权利要求7所述的电流辅助SPF/DB一体化成形工艺，其特征在于，所述板材的材质为钛合金，所述钛合金包括但不限于钛铝铌合金和/或钛铝合金；所述阻焊剂为绝缘阻焊剂。

9.根据权利要求8所述的电流辅助SPF/DB一体化成形工艺，其特征在于，所述板材为相互贴合的钛铝铌合金板材和钛铝合金板材，所述钛铝铌合金板材和钛铝合金板材超塑成形的温度为970-1000℃。

10.一种中空夹层结构构件，其特征在于，所述中空夹层结构构件采用如权利要求1-9中任意一项所述的一体化成形工艺加工得到。

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