CN113305509A - 一种钛合金空心夹层结构的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钛合金空心夹层结构的制备方法，一种钛合金空心夹层结构的制备方法，包括以下步骤：制备钛合金坯体和芯板，制备出两块芯板和对合的第一钛合金坯体、第二钛合金坯体，将两块芯板依次进行叠层、封焊、烘焙、真空封装；芯板扩散连接，将两芯板放入气体扩散炉中进行扩散连接；加工预制坯，按照第一钛合金坯体、扩散连接后两芯板、第二钛合金坯体的顺序叠层后封焊在一起，并在芯板和第一钛合金坯体、第二钛合金坯体之间分别抽真空，然后依次进行烘焙和真空封装后形成预制坯；预制坯超塑成形，将预制坯放到气体扩散炉中进行成形；机加工，将成形后的预制坯通过机加工制成零件。本发明应用于钛合金制造技术领域。

Description

一种钛合金空心夹层结构的制备方法

技术领域

本发明涉及钛合金制造技术领域，特别是涉及一种钛合金空心夹层结构的制备方法。

背景技术

钛合金空心夹层结构可以通过超塑成形/扩散连接工艺来制备，具有成形性好、设计自由度大、成形精度高、没有回弹、无残余应力、刚性大、周期短、减少零件数量等优点。但是传统的超塑成形/扩散连接的成形系统包括以下几部分：液压机、加热炉、气源系统、成形模具等，为了保证钛合金在超塑成形后的外形，需要用模具限制其外形，同时采用液压机实现成形过程中模具合模。随着钛合金的使用温度越来越高，对模具的要求越来越高，要求长期在高温高压作用下，不发生变形，对液压机的吨位要求也越来越高，加热温度越来越高。

现有采用超塑成形/扩散连接工艺制备钛合金和钛铝合金空心夹层结构存在以下的不足：

1、对模具要求高，长时间在高温高压作用下，模具会发生变形，使用一定次数后需要更换或者是重新加工；

2、对液压机设备要求高，随着尺寸和气压不断增大，压机的台面增加，所需要的吨位也大幅度增加；

3、制造效率存在不足，导致制造成本高。

因此，发明人提供了一种钛合金空心夹层结构的制备方法。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种钛合金空心夹层结构的制备方法，通过在制备钛合金坯体和芯板中，加工出对合的第一钛合金坯体、第二钛合金坯体，通过在步骤预制坯超塑成形中，将预制坯放入到气体扩散炉中进行成形，直接成形出具有一定外形的预制坯，然后通过数控加工出零件的外形轮廓，解决了对模具要求高、对液压机设备要求高、制造成本高等技术问题。

(2)技术方案

第一方面，本发明的实施例提出了一种钛合金空心夹层结构的制备方法，包括以下步骤：

制备钛合金坯体和芯板，制备出两块芯板和对合的第一钛合金坯体、第二钛合金坯体，所述第一钛合金坯体、第二钛合金坯体均大于芯板的厚度，将两块芯板依次进行叠层、封焊、烘焙、真空封装；

芯板扩散连接，将两芯板放入气体扩散炉中进行扩散连接；

加工预制坯，按照第一钛合金坯体、扩散连接后两芯板、第二钛合金坯体的顺序叠层后封焊在一起，并在芯板和第一钛合金坯体、第二钛合金坯体之间分别抽真空，然后依次进行烘焙和真空封装后形成预制坯；

预制坯超塑成形，将预制坯放到气体扩散炉中进行成形；

机加工，将成形后的预制坯通过机加工制成零件。

进一步地，步骤预制坯超塑成形中，将预制坯放到气体扩散炉中进行成形时，首先缓慢施加气压，使第一钛合金坯体和第二钛合金坯体相对一侧的边框处生出立筋；当芯板和第一钛合金坯体、第二钛合金坯体接触后，再快速施加气压。

进一步地，步骤制备钛合金坯体和芯板中，将第一钛合金坯体和第二钛合金坯体的背面加工成凸出面。

进一步地，步骤制备钛合金坯体和芯板中，还加工出两块纤维增强金属基复合材料板块和两块钛合金板块；

步骤加工预制坯中，所述第一钛合金坯体和第二钛合金坯体相背的一面依次叠层设有纤维增强金属基复合材料板块、钛合金板块，然后封焊在一起。

进一步地，步骤制备钛合金坯体和芯板中，将第一钛合金坯体靠近第二钛合金坯体一面的边框上加工出第一配合部，将第二钛合金坯体靠近第一钛合金坯体一面的边框上加工出第二配合部。

进一步地，所述第一配合部为凸起的筋条，所述第二配合部为凹陷的凹槽，所述筋条和凹槽的横截面均为三角形。

进一步地，步骤制备钛合金坯体和芯板中，采用连续碳纤维单带浸渍铜或铜合金，然后按照不同的角度铺层后加工成纤维增强金属基复合材料板块预制坯；

步骤预制坯超塑成形中，将纤维增强金属基复合材料板块预制坯真空封装入钢包套中，将预制坯放入到气体扩散炉中，升温至铜或铜合金的熔点以上，施加1MPa～5MPa的气压，保温保压1小时～2小时，随炉冷却后取出预制坯，通过数控加工的方法去除钢包套，加工出纤维增强金属基复合材料板块。

进一步地，步骤制备钛合金坯体和芯板前，还通过仿真分析预设出两块芯板和对合的第一钛合金坯体、第二钛合金坯体的模型，通过仿真计算，使得第一钛合金坯体、第二钛合金坯体、纤维增强金属基复合材料板块、钛合金板块发生变形后的外型面与设计要求零件外形相符。

进一步地，步骤制备钛合金坯体和芯板中，对第一钛合金坯体和第二钛合金坯体分别进行第一酸洗；步骤制备钛合金坯体和芯板中，对两芯板进行第二酸洗。

进一步地，步骤芯板扩散连接中，所述扩散连接的工艺参数为：900℃～930℃，1.5MPa～3MPa，1h～2h；

步骤预制坯超塑成形中，所述超塑成形的工艺参数为：880℃～920℃，1.50MPa～3MPa，1h～3h。

(3)有益效果

综上，本发明通过在制备钛合金坯体和芯板中，加工出对合的第一钛合金坯体、第二钛合金坯体，第一钛合金坯体、第二钛合金坯体的面板的厚度比芯板的厚度大，这样在芯板进行超塑成形时，由于面板比较厚，发生的塌陷变形比较小，通过仿真分析，可以精确控制面板变形后的外形与零件设计要求的外形相符。通过在步骤预制坯超塑成形中，将预制坯放入到气体扩散炉中进行成形，直接成形出具有一定外形的预制坯，然后通过数控加工出零件的外形轮廓。取消超塑成形的高温合金模具，不采用液压机进行成形。不需要大吨位的液压机，只需要一台气体扩散炉既可，降低了生产条件要求，降低了生产成本，也提高了生产效率。

本发明中，将纤维增强金属基复合材料板块埋入到第二钛合金坯体中，一方面在成形时，由于纤维百分数比较高，纤维具有优异的刚度性能，提高了面板的刚度，使得面板不容易发生塌陷，另一方面在成形后，由于纤维百分数比较高，纤维具有优异的强度性能，使得钛合金空心夹层结构件具有优异的力学性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例步骤加工预制坯中，芯板、第一钛合金坯体、第二钛合金坯体、纤维增强金属基复合材料板块和两块钛合金板块的关系示意图。

图2是本发明实施例芯板的结构示意图。

图3是本发明实施例第二钛合金坯体的结构示意图。

图4为本发明实施例第二钛合金坯体预制坯超塑成形前的结构示意图。

图5为本发明实施例第二钛合金坯体预制坯超塑成形后的结构示意图。

图中：

1-芯板；2-第一钛合金坯体；21-第一配合部；3-第二钛合金坯体；31-第二配合部；4-纤维增强金属基复合材料板块；5-钛合金板块；6-凸起面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

请参照图1至图5，一种钛合金空心夹层结构的制备方法，包括以下步骤：

制备钛合金坯体和芯板1，制备出两块芯板1和对合的第一钛合金坯体2、第二钛合金坯体3，所述第一钛合金坯体2、第二钛合金坯体3均大于芯板1的厚度，将两块芯板1依次进行叠层、封焊、烘焙、真空封装；

芯板1扩散连接，将两芯板1放入气体扩散炉中进行扩散连接；

加工预制坯，按照第一钛合金坯体2、扩散连接后两芯板1、第二钛合金坯体3的顺序叠层后封焊在一起，并在芯板1和第一钛合金坯体2、第二钛合金坯体3之间分别抽真空，然后依次进行烘焙和真空封装后形成预制坯；

预制坯超塑成形，将预制坯放到气体扩散炉中进行成形；

机加工，将成形后的预制坯通过机加工制成零件。

本实施例通过在制备钛合金坯体和芯板1中，加工出对合的第一钛合金坯体2、第二钛合金坯体3，本实施例中的第一钛合金坯体2和第二钛合金坯体3均为盘状结构，第一钛合金坯体2、第二钛合金坯体3的面板的厚度比芯板的厚度大，这样在芯板进行超塑成形时，由于面板比较厚，不会发生塌陷。通过在步骤预制坯超塑成形中，将预制坯放入到气体扩散炉中进行成形，直接成形出具有一定外形的预制坯，然后通过数控加工出零件的外形轮廓。取消超塑成形的高温合金模具，不采用液压机进行成形。不需要大吨位的液压机，只需要一台气体扩散炉既可，降低了生产条件要求，降低了生产成本，也提高了生产效率。

本实施例中，作为上述技术方案的进一步改进，步骤预制坯超塑成形中，将预制坯放到气体扩散炉中进行成形时，首先缓慢施加气压，使第一钛合金坯体2和第二钛合金坯体3相对一侧的边框处生出立筋；当芯板1和第一钛合金坯体2、第二钛合金坯体3接触后，再快速施加气压。这样会防止第一钛合金坯体2内面板和第二钛合金坯体3内面板的塌陷，从而成形稳定的空心夹层结构。

本实施例中，作为上述技术方案的进一步改进，步骤制备钛合金坯体和芯板1中，将第一钛合金坯体2和第二钛合金坯体3的背面加工成凸起面6。即将第一钛合金坯体2和第二钛合金坯体3面板的背面加工成为凸出面6，面板的内侧型腔在加工时，比实际的型腔形状略高一些。在步骤预制坯超塑成形前，第一钛合金坯体2和第二钛合金坯体3的外形结构如图4所示，由于第一钛合金坯体2和第二钛合金坯体3的整体外形结构基本相同，所以，本实施例图4仅展示了第一钛合金坯体4的整体形状图。在步骤预制坯超塑成形时，在面板外侧施加气压时，面板外侧和内侧都会发生向内的塌陷，内侧型腔塌陷后的形状与最终的内部型腔的几何尺寸一致，最终第一钛合金坯体2和第二钛合金坯体3的外形结构如图5所示，面板外侧也会发生塌陷，塌陷后与实际外形尺寸比较接近，然后通过数控加工的方法，精确加工出零件外形。由于在步骤预制坯超塑成形过程中，面板外侧表面和内部型腔的表面，在气压作用下会发生塌陷，要求塌陷后的外形尺寸，特别是内部型腔尺寸与设计的型腔尺寸一致，所以需要获得成形材料的精确本构关系，首先对成形过程进行有限元分析，使得成形后的面板外侧和内部型腔尺寸与实际要求的几何尺寸一致，经过少量的后续数控加工，精确成形出钛合金空心夹层结构件。这样就可以不采用模具，直接成形出钛合金空心夹层结构。

本实施例中，作为上述技术方案的进一步改进，步骤制备钛合金坯体和芯板1中，还加工出两块纤维增强金属基复合材料板块4和两块钛合金板块5；

步骤加工预制坯中，所述第一钛合金坯体2和第二钛合金坯体3相背的一面依次叠层设有纤维增强金属基复合材料板块4、钛合金板块5，然后封焊在一起。第一钛合金坯体2、第二钛合金坯体3、纤维增强金属基复合材料板块4和钛合金板块5形成了四层结构，四层结构在步骤预制坯超塑成形时，在芯板1外侧和面板内侧的空间内始终处于真空状态，不会造成排气不畅而产生的气孔，扩散连接焊合率大大提高，保证了成形零件的性能。

本实施例中，作为上述技术方案的进一步改进，步骤制备钛合金坯体和芯板1中，将第一钛合金坯体2靠近第二钛合金坯体3一面的边框上加工出第一配合部21，将第二钛合金坯体3靠近第一钛合金坯体2一面的边框上加工出第二配合部31。

本实施例中，作为上述技术方案的进一步改进，所述第一配合部21为凸起的筋条，所述第二配合部31为凹陷的凹槽，所述筋条和凹槽的横截面均为三角形。在步骤预制坯超塑成形过程中，在第一钛合金坯体2和第二钛合金坯体3的面板贴摸后，第一配合部21和第二配合部31凸起扩散连接在一起，而且形状一致，不会产生尺寸大小不一的三角区，降低了对力学性能的影响，从而具有更稳定的力学性能。

本实施例中，作为上述技术方案的进一步改进，步骤制备钛合金坯体和芯板中，采用连续碳纤维单带浸渍铜或铜合金，然后按照不同的角度铺层后加工成纤维增强金属基复合材料板块；

步骤预制坯超塑成形中，将预制坯放入到气体扩散炉中，升温至铜或铜合金的熔点以上，施加1MPa～5MPa的气压，保温保压1小时～2小时，随炉冷却后取出预制坯；

步骤机加工中，去除预制坯的钢包套，将成形后的预制坯通过机加工制成零件。获得纤维增强金属基复合材料板块，其中纤维百分数为65％～85％。

将纤维增强金属基复合材料板块埋入到第二钛合金坯体中，一方面在成形时，由于纤维百分数比较高，纤维具有优异的刚度性能，提高了面板的刚度，使得面板不容易发生塌陷，另一方面在成形后，由于纤维百分数比较高，纤维具有优异的强度性能，使得钛合金空心夹层结构件具有优异的力学性能。

本实施例中，作为上述技术方案的进一步改进，步骤制备钛合金坯体和芯板1前，还通过仿真分析预设出两块芯板1和对合的第一钛合金坯体2、第二钛合金坯体3的模型。通过仿真分析设计合理的第一钛合金坯体2、第二钛合金坯体3的外形和内部型腔尺寸，对超塑成形过程精确仿真分析，并对预制坯外形和内部型腔进行优化设计，直至获得合理的预制坯的加工外形尺寸，能够减少失误，减少次品和废品，减少材料损失，发生的塌陷变形比较小，通过仿真分析，可以控制面板变形后的外形与零件设计要求的外形相符。

本实施例中，作为上述技术方案的进一步改进，步骤制备钛合金坯体和芯板1中，对第一钛合金坯体2和第二钛合金坯体3分别进行第一酸洗，去除表面的污垢和氧化皮。

本实施例中，作为上述技术方案的进一步改进，步骤制备钛合金坯体和芯板1中，对两芯板1进行第二酸洗，去除表面的污垢和氧化皮。

本实施例中，作为上述技术方案的进一步改进，步骤芯板1扩散连接中，所述扩散连接的工艺参数为：900℃～930℃，1.5MPa～3MPa，1h～2h；

步骤预制坯超塑成形中，所述超塑成形的工艺参数为：880℃～920℃，1.50MPa～3MPa，1h～3h。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种钛合金空心夹层结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

制备钛合金坯体和芯板，制备出两块芯板和对合的第一钛合金坯体、第二钛合金坯体，所述第一钛合金坯体、第二钛合金坯体均大于芯板的厚度，将两块芯板依次进行叠层、封焊、烘焙、真空封装；

芯板扩散连接，将两芯板放入气体扩散炉中进行扩散连接；

加工预制坯，按照第一钛合金坯体、扩散连接后两芯板、第二钛合金坯体的顺序叠层后封焊在一起，并在芯板和第一钛合金坯体、第二钛合金坯体之间分别抽真空，然后依次进行烘焙和真空封装后形成预制坯；

预制坯超塑成形，将预制坯放到气体扩散炉中进行成形；

机加工，将成形后的预制坯通过机加工制成零件。

2.根据权利要求1所述的钛合金空心夹层结构的制备方法，其特征在于，步骤预制坯超塑成形中，将预制坯放到气体扩散炉中进行成形时，首先缓慢施加气压，使第一钛合金坯体和第二钛合金坯体相对一侧的边框处生出立筋；当芯板和第一钛合金坯体、第二钛合金坯体接触后，再快速施加气压。

3.根据权利要求1所述的钛合金空心夹层结构的制备方法，其特征在于，步骤制备钛合金坯体和芯板中，将第一钛合金坯体和第二钛合金坯体的背面加工成凸出面。

4.根据权利要求1所述的钛合金空心夹层结构的制备方法，其特征在于，步骤制备钛合金坯体和芯板中，还加工出两块纤维增强金属基复合材料板块和两块钛合金板块；

步骤加工预制坯中，所述第一钛合金坯体和第二钛合金坯体相背的一面依次叠层设有纤维增强金属基复合材料板块、钛合金板块，然后封焊在一起。

5.根据权利要求4所述的钛合金空心夹层结构的制备方法，其特征在于，步骤制备钛合金坯体和芯板中，将第一钛合金坯体靠近第二钛合金坯体一面的边框上加工出第一配合部，将第二钛合金坯体靠近第一钛合金坯体一面的边框上加工出第二配合部。

6.根据权利要求5所述的钛合金空心夹层结构的制备方法，其特征在于，所述第一配合部为凸起的筋条，所述第二配合部为凹陷的凹槽，所述筋条和凹槽的横截面均为三角形。

7.根据权利要求4所述的钛合金空心夹层结构的制备方法，其特征在于，步骤制备钛合金坯体和芯板中，采用连续碳纤维单带浸渍铜或铜合金，然后按照不同的角度铺层后加工成纤维增强金属基复合材料板块预制坯，将纤维增强金属基复合材料板块预制坯真空封装入钢包套中，放入到气体扩散炉中，升温至铜或铜合金的熔点以上，施加1MPa～5MPa的气压，保温保压1小时～2小时，随炉冷却后取出预制坯，通过数控加工的方法去除钢包套，加工出纤维增强金属基复合材料板块。

8.根据权利要求1至6任一项所述的钛合金空心夹层结构的制备方法，其特征在于，步骤制备钛合金坯体和芯板前，还通过仿真分析预设出两块芯板和对合的第一钛合金坯体、第二钛合金坯体的模型，通过仿真计算，使得第一钛合金坯体、第二钛合金坯体、纤维增强金属基复合材料板块、钛合金板块发生变形后的外型面与设计要求零件外形相符。

9.根据权利要求1至6任一项所述的钛合金空心夹层结构的制备方法，其特征在于，步骤制备钛合金坯体和芯板中，对第一钛合金坯体和第二钛合金坯体分别进行第一酸洗；步骤制备钛合金坯体和芯板中，对两芯板进行第二酸洗。

10.根据权利要求1至6任一项所述的钛合金空心夹层结构的制备方法，其特征在于，步骤芯板扩散连接中，所述扩散连接的工艺参数为：900℃～930℃，1.5MPa～3MPa，1h～2h；

步骤预制坯超塑成形中，所述超塑成形的工艺参数为：880℃～920℃，1.50MPa～3MPa，1h～3h。

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