CN116586524B - 一种能实现模具自锁的超塑扩散连接方法 - Google Patents
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Abstract
一种能实现模具自锁的超塑扩散连接方法，它涉及材料的快速超塑扩散连接工艺领域。本发明的目的是为了解决现有模具在操作及转运过程中气体泄漏以及工件成形质量差，效率低的问题。方法：一、模具预热，再放置于压力机上，装入待连接的板材，再施加压力合模，***锁紧销；二、通入保护气体；三、超塑扩散连接；四、***锁紧销，将模具转运至恒温箱中；五、降温至400℃～550℃，取下锁紧销，打开模具取出连接后的工件。本发明巧妙的运用了锁紧销的热胀冷缩原理，实现了在不改变材料的前提下的模具自锁；利用该工艺形成的合金质量高，所需时间短，设备简单，生产效率得到显著提高。本发明的超塑扩散连接方法在高温合金的固态连接中的应用。
Description
技术领域
本发明涉及材料的快速超塑扩散连接工艺领域。
背景技术
材料的连接技术直接关系到材料在实际工程中的应用。采用扩散连接的方法，因无需研制特殊焊剂，对材料，特别是新型材料的迅速应用有着特殊的意义。传统的扩散连接工艺要求高温、长时间作用等条件，但是，高温容易使合金的组织性能发生变化，工艺对设备的要求较高，反应时间长，生产效率较低。近年来，对合金在超塑状态下的固态连接工艺进行了广泛研究，超塑扩散连接技术可以实现合金在较低的温度和较短的时间内的连接。与传统工艺相比，具有可以实现复杂零件的连接，降低零件的重量，提高材料利用率以及生产成本低等优点。
要实现合金的超塑扩散连接工艺，需要在拟连接的表面形成细小的组织状态，使表层在一定的温度下呈现超塑性。而要做到以上状态，需要通过特定的技术并在实现该技术的特定装置上操作，如2014年公开的实用新型专利“一种脉冲电流辅助钛合金局部高温扩散连接装置”中即通过在钛合金局部通入脉冲电流来使其表面晶粒能快速细化形成细小组织。然而，在扩散连接过程中需要通入大量的惰性保护气，但模具的密封性并不好，在操作及转运过程中由于温度过高模具的上下模很容易分离，使气体泄漏起不到保护作用，从而影响工件的成形质量。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有模具在操作及转运过程中气体泄漏以及工件成形质量差，效率低的问题，而提供一种能实现模具自锁的超塑扩散连接方法。
一种能实现模具自锁的超塑扩散连接方法，具体是按以下步骤完成的：
一、首先将待连接的板材和模具放入加热炉内，预热至280℃～320℃，然后将预热后的模具放置于压力机上，将待连接的板材放入下模中，再施加5t～30t压力合模，***锁紧销，最后使用密封梗密封；
所述的模具包括上模、下模、锁紧销和密封梗；上模和下模的所有端面上均至少设有一个销孔座；销孔座上设有横向销孔；所有端面上模上的销孔和下模上的销孔尺寸相同，轴线重合，且相邻设置，用于***锁紧销；密封梗用于密封上模和下模；
二、将合模后的模具放入加热炉内，升温至650℃～850℃，通过进气孔向模具中通入惰性气体，对板材进行保护；
三、将步骤二中的模具放入超塑成形机内，加热至880℃～930℃，然后施加10t～40t压力，再通过进气孔向模具中通入1MPa～2MPa惰性气体，再将锁紧销取下，在880℃～930℃下超塑扩散连接2h～3h；
四、超塑成形完成后***锁紧销，将模具从加热炉内取出，转运至恒温箱中；
五、模具在恒温箱内进行自然冷却降温，降温至400℃～550℃，取下锁紧销，打开模具取出连接后的工件，模具再次放入待连接的板材，继续按照步骤一至五的工艺进行超塑扩散连接。
本发明的有益效果：
一、本发明巧妙的运用了锁紧销的热胀冷缩原理，实现了在不改变材料的前提下的模具自锁；利用该工艺形成的合金质量高，所需时间短，设备简单，生产效率得到显著提高；
二、本发明的工艺可适用于不同合金之间的连接，特别适用于高温合金的连接，可以是相同合金之间的连接，也可以是不同合金之间的连接；这种连接工艺在大规模的工业生产中可得到广泛的应用，如用于航空航天飞行器、喷气发动机等高温部件的连接，坦克和汽车发动机的运动部件的连接等方面。
附图说明
图1为常规的竖向定位的超塑成形扩散连接模具的装配图；
图2为本发明中横向定位的超塑成形扩散连接模具的装配图；
图3为上模的结构示意图；
图4为下模的结构示意图；
图5为对比实施例1中采用常规的竖向定位的传统超塑成形扩散连接模具及工艺所制造的TC4钛合金蒙皮件的正面和背面数码照片图；
图6为实施例1中采用本发明中横向定位的超塑成形扩散连接模具及工艺所制造的TC4钛合金蒙皮件的正面和背面；
图7为对比实施例1中采用常规的竖向定位的传统超塑成形扩散连接模具及工艺所制造的TC4钛合金蒙皮件侧边的金相组织；
图8为实施例1中采用本发明中横向定位的超塑成形扩散连接模具及工艺所制造的TC4钛合金蒙皮件侧边的金相组织；
图9为对比实施例1中采用常规的竖向定位的传统超塑成形扩散连接模具及工艺所制造的TC4钛合金蒙皮件腐蚀后的检测报告；
图10为对比实施例1中采用常规的竖向定位的传统超塑成形扩散连接模具及工艺所制造的TC4钛合金蒙皮件腐蚀后的超声波扫描图；
图11为实施例1中采用本发明中横向定位的超塑成形扩散连接模具及工艺所制造的TC4钛合金蒙皮件腐蚀后的检测报告；
图12为实施例1中采用本发明中横向定位的超塑成形扩散连接模具及工艺所制造的TC4钛合金蒙皮件腐蚀后的超声波扫描图；
图13为对比实施例1中采用常规的竖向定位的传统超塑成形扩散连接模具及工艺所制造的TC4钛合金蒙皮件的氢氧含量的检测报告图，其中氢含量测试方法按GB/T4698.15-2011执行，氧含量测试方法按GB/T 4698.7-2011执行；
图14为实施例1中采用本发明中横向定位的超塑成形扩散连接模具及工艺所制造的TC4钛合金蒙皮件的氢氧含量的检测报告图，其中氢含量测试方法按GB/T 4698.15-2011执行，氧含量测试方法按GB/T 4698.7-2011执行。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种能实现模具自锁的超塑扩散连接方法，具体是按以下步骤完成的：
一、首先将待连接的板材和模具放入加热炉内，预热至280℃～320℃，然后将预热后的模具放置于压力机上，将待连接的板材放入下模中，再施加5t～30t压力合模，***锁紧销，最后使用密封梗密封；
所述的模具包括上模、下模、锁紧销和密封梗；上模和下模的所有端面上均至少设有一个销孔座；销孔座上设有横向销孔；所有端面上模上的销孔和下模上的销孔尺寸相同，轴线重合，且相邻设置，用于***锁紧销；密封梗用于密封上模和下模；
二、将合模后的模具放入加热炉内，升温至650℃～850℃，通过进气孔向模具中通入惰性气体，对板材进行保护；
三、将步骤二中的模具放入超塑成形机内，加热至880℃～930℃，然后施加10t～40t压力，再通过进气孔向模具中通入1MPa～2MPa惰性气体，再将锁紧销取下，在880℃～930℃下超塑扩散连接2h～3h；
四、超塑成形完成后***锁紧销，将模具从加热炉内取出，转运至恒温箱中；
五、模具在恒温箱内进行自然冷却降温，降温至400℃～550℃，取下锁紧销，打开模具取出连接后的工件，模具再次放入待连接的板材，继续按照步骤一至五的工艺进行超塑扩散连接。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一中所述的待连接的板材为高温合金。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：所述的高温合金为600℃以上的高温钛合金。其它步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：所述的合金为TC1、TC2、TC4和TA15钛合金中的一种或几种。其它步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤二中所述的惰性气体为氩气或氮气。其它步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤二中所述的升温的速率为30℃/h～100℃/h。其它步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤三中所述的惰性气体为氩气或氮气。其它步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤三中将步骤二中的模具放入超塑成形机内，加热至880℃，然后施加20t压力，再通过进气孔向模具中通入1.5MPa惰性气体，再将锁紧销取下，在880℃下超塑扩散连接2.5h。其它步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤五中模具在恒温箱内进行自然冷却降温，降温至450℃，取下锁紧销，打开模具取出连接后的工件，模具再次放入待连接的板材，继续按照步骤一至五的工艺进行超塑扩散连接。其它步骤与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：所述的超塑扩散连接方法在高温合金的固态连接中的应用。其它步骤与具体实施方式一至九相同。
下面结合实施例对本发明进行详细的说明
实施例1：一种能实现模具自锁的超塑扩散连接方法，具体是按以下步骤完成的：
一、首先将待连接的板材和横向定位的超塑成形扩散连接模具放入加热炉内，预热300℃，然后将预热后的模具放置于压力机上，将待连接的板材放入下模中，再施加10t压力合模，***锁紧销，最后使用密封梗密封；
所述的横向定位的超塑成形扩散连接模具包括上模、下模、锁紧销和密封梗；上模和下模的所有端面上均至少设有一个销孔座；销孔座上设有横向销孔；所有端面上模上的销孔和下模上的销孔尺寸相同，轴线重合，且相邻设置，用于***锁紧销；密封梗用于密封上模和下模；
步骤一中所述的待连接的板材的材质为TC4钛合金；
二、将合模后的模具放入加热炉内，升温至750℃，通过进气孔向模具中通入惰性气体，对板材进行保护；
步骤二中所述的惰性气体为高纯氩气；
步骤二中所述的升温的速率为60℃/h；
三、将步骤二中的模具放入超塑成形机内，加热至880℃，然后施加20t压力，再通过进气孔向模具中通入1.5MPa惰性气体，再将锁紧销取下，在880℃下超塑扩散连接2.5h；
步骤三中所述的惰性气体为高纯氩气；
四、超塑成形完成后***锁紧销，将模具从加热炉内取出，转运至恒温箱中；
五、模具在恒温箱内进行自然冷却降温，降温至450℃，取下锁紧销，打开模具取出连接后的工件，模具再次放入待连接的板材，继续按照步骤一至五的工艺进行超塑扩散连接。
对比实施例1：本实施例与实施例1的不同点是：所述的模具为常规的竖向定位的传统超塑成形扩散连接模具(见图1所示)。其它步骤及参数与实施例1均相同。
图5为对比实施例1中采用常规的竖向定位的传统超塑成形扩散连接模具及工艺所制造的TC4钛合金蒙皮件的正面和背面数码照片图；
图6为实施例1中采用本发明中横向定位的超塑成形扩散连接模具及工艺所制造的TC4钛合金蒙皮件的正面和背面；
由图5、图6可知，采用常规的竖向定位的传统超塑成形扩散连接模具及工艺所制造的TC4钛合金蒙皮件和采用采用本发明中横向定位的自锁式超塑成形扩散连接模具及工艺所制造的TC4钛合金蒙皮件外形相差并不大。
使用Zeiss Axio Imager.M2m型光学显微镜观察合金的微观组织；用目数不同的砂纸由粗到细对试样进行研磨；在Buehler自动磨抛机抛光布上使用金刚石抛光剂进行抛光，最细达到0.05-0.02μm，采用体积比为HF:HNO3:H2O＝2:4:94的腐蚀液对试样腐蚀6s左右，其中HF的质量分数为40％，HNO3的质量分数为68％，再进行显微观察，见图7～图8所示；
图7为对比实施例1中采用常规的竖向定位的传统超塑成形扩散连接模具及工艺所制造的TC4钛合金蒙皮件侧边的金相组织；
图8为实施例1中采用本发明中横向定位的超塑成形扩散连接模具及工艺所制造的TC4钛合金蒙皮件侧边的金相组织；
由图7、图8可知，两种方式成形的扩散连接都较好，无明显的边界线，平均晶粒大小均在10μm左右，且分布均匀。
图9为对比实施例1中采用常规的竖向定位的传统超塑成形扩散连接模具及工艺所制造的TC4钛合金蒙皮件腐蚀后的检测报告；
图10为对比实施例1中采用常规的竖向定位的传统超塑成形扩散连接模具及工艺所制造的TC4钛合金蒙皮件腐蚀后的超声波扫描图；
图11为实施例1中采用本发明中横向定位的超塑成形扩散连接模具及工艺所制造的TC4钛合金蒙皮件腐蚀后的检测报告；
图12为实施例1中采用本发明中横向定位的超塑成形扩散连接模具及工艺所制造的TC4钛合金蒙皮件腐蚀后的超声波扫描图；
由图9、图10、图11、图12可知，由常规的竖向定位的传统超塑成形扩散连接模具及工艺所制造的TC4钛合金蒙皮件扩散区域复合率大于90％，内部缺陷较多，最大单点未结合缺陷约为直径3mm，工件质量较差；而由本发明中横向定位的自锁式超塑成形扩散连接模具及工艺所制造的TC4钛合金蒙皮件扩散区域复合率大于95％，内部基本上没有缺陷，成形质量高，而且在实际操作过程中传统超塑成形扩散连接模具及工艺需要不断地填充气体，而自锁式超塑成形扩散连接模具及工艺只需要在高温成形之前通入一次气体即可。
图13为对比实施例1中采用常规的竖向定位的传统超塑成形扩散连接模具及工艺所制造的TC4钛合金蒙皮件的氢氧含量的检测报告图，其中氢含量测试方法按GB/T4698.15-2011执行，氧含量测试方法按GB/T 4698.7-2011执行；
图14为实施例1中采用本发明中横向定位的超塑成形扩散连接模具及工艺所制造的TC4钛合金蒙皮件的氢氧含量的检测报告图，其中氢含量测试方法按GB/T 4698.15-2011执行，氧含量测试方法按GB/T 4698.7-2011执行。
由图13、图14可知，由常规的竖向定位的传统超塑成形扩散连接模具及工艺的氢氧含量都偏高，这主要是因为传统超塑成形扩散连接模具的密封性并不好，在成形及制造过程很可能由于保护气泄漏而导致空气进去从而影响其氢氧含量。而采用本发明中横向定位的自锁式超塑成形扩散连接模具及工艺所制造的TC4钛合金蒙皮件氢氧含量则有了明显下降，这充分说明利用模具的自锁力可有效提高模具的密封性。
Claims (4)
1.一种能实现模具自锁的超塑扩散连接方法，其特征在于该方法具体是按以下步骤完成的：
一、首先将待连接的板材和模具放入加热炉内，预热至280℃~320℃，然后将预热后的模具放置于压力机上，将待连接的板材放入下模中，再施加5t~30t压力合模，***锁紧销，最后使用密封梗密封；
步骤一中所述的待连接的板材为高温合金；所述的高温合金为600℃以上的高温钛合金；
步骤一中所述的模具包括上模、下模、锁紧销和密封梗；上模和下模的所有端面上均至少设有一个销孔座；销孔座上设有横向销孔；所有端面上模上的销孔和下模上的销孔尺寸相同，轴线重合，且相邻设置，用于***锁紧销；密封梗用于密封上模和下模；
二、将合模后的模具放入加热炉内，升温至650℃~850℃，通过进气孔向模具中通入氩气或氮气，对板材进行保护；
步骤二中所述的升温的速率为30℃/h~100℃/h；
三、将步骤二中的模具放入超塑成形机内，加热至880℃~930℃，然后施加10t~40t压力，再通过进气孔向模具中通入1MPa~2MPa氩气或氮气，再将锁紧销取下，在880℃~930℃下超塑扩散连接2h~3h；
四、超塑成形完成后***锁紧销，将模具从加热炉内取出，转运至恒温箱中；
五、模具在恒温箱内进行自然冷却降温，降温至400℃~550℃，取下锁紧销，打开模具取出连接后的工件，模具再次放入待连接的板材，继续按照步骤一至五的工艺进行超塑扩散连接。
2.根据权利要求1所述的一种能实现模具自锁的超塑扩散连接方法，其特征在于所述的合金为TC1、TC2、TC4和TA15钛合金中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种能实现模具自锁的超塑扩散连接方法，其特征在于步骤三中将步骤二中的模具放入超塑成形机内，加热至880℃，然后施加20t压力，再通过进气孔向模具中通入1.5MPa惰性气体，再将锁紧销取下，在880℃下超塑扩散连接2.5h。
4.根据权利要求1所述的一种能实现模具自锁的超塑扩散连接方法，其特征在于步骤五中模具在恒温箱内进行自然冷却降温，降温至450℃，取下锁紧销，打开模具取出连接后的工件，模具再次放入待连接的板材，继续按照步骤一至五的工艺进行超塑扩散连接。
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