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CN109249025A - 一种铝合金薄壁件热等静压成形方法 - Google Patents

一种铝合金薄壁件热等静压成形方法 Download PDF

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CN109249025A
CN109249025A CN201710578517.2A CN201710578517A CN109249025A CN 109249025 A CN109249025 A CN 109249025A CN 201710578517 A CN201710578517 A CN 201710578517A CN 109249025 A CN109249025 A CN 109249025A
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郎利辉
黄西娜
徐文才
季晨昊
孟凡迪
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Beihang University
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Beihang University
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Abstract

本发明提出了一种铝合金薄壁件热等静压成形方法。整个成形方法过程包套、模具的制备，模具在包套中的固定，焊接包套，对包套进行检漏，铝合金粉末装入包套，对包套进行抽真空处理，将抽真空完毕的包套进行热等静压，机械去除包套，机械加工外表面，利用人工去除和喷砂的方法去除模具等步骤。本发明提供的铝合金薄壁件热等静压成形方法是利用热等静压技术对铝合金粉末进行固结、成形并致密化，同时利用模具对复杂零件内腔进行约束，从而达到利用模具一次成形复杂零件的内腔，包套的形状采用与所得产品相似的形状，这样可以提高零件的成形效率和铝合金粉末的利用率，零件的致密度高99％以上，而且能够得到性能优异且均匀的零件。

Description

一种铝合金薄壁件热等静压成形方法
技术领域
本发明属于航空宇航制造技术领域，特别是涉及一种铝合金薄壁件热等静压成形方法。
背景技术
近些年来，为满足我国无人机、大型运输机、先进战机、高推重比发动机等高性能要求，通常需将诸多功能构件设计成带有薄壁筋板的中空结构，以达到减重的需要。这些零件通常具有复杂的形状，同时要求具有较高的尺寸精度及表面质量，这就给构件的成形带来了很大的困难。传统的成形工艺多采用分体钣金制造并拼焊，大块材料“整体掏空”或者铸造的方法。采用分体钣金制造加拼焊的工艺，由于铝合金本身焊接性的限制，焊缝处存在较多的缺陷，难以保证零件的质量；“整体掏空”的方式，会增加机加工的时间，同时造成原材料的极大浪费，铸造的方法内部存在很多难以控制的缺陷，不能保证零件的成形质量。
热等静压技术是20世纪50年代发展起来的将粉末烧结和压制处理集于一体的技术。在高温高压下实现粉末材料的固结成形、铸件的致密化处理以及不同材料的扩散连接。该技术将粉末烧结和压制合并在一起，在实现粉末材料全致密化的同时可以保证材料性能各向同性。但是单纯的采用热等静压技术无法直接成形带有复杂内腔的铝合金薄壁件。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供的铝合金薄壁十字筋板零件的粉末热等静压成型方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)根据铝合金薄壁件结构的设计加工模具，该模具是一个整体；铝合金薄壁件整个内腔形状由模具的外表面控制。
2)根据模具形状和铝合金薄壁件外表面形状设计加工出合理的包套，该包套包括带有装粉孔的顶板、侧板1、侧板2、侧板3、侧板4、底板、铝管以及带有抽真空孔的盖片，为便于焊接及节省材料，包套采用随形设计。
3)为了防止在焊接、运输等移动过程中模具发生移动，设计刚性垫板对模具进行定位。
4)根据铝合金薄壁件的材料需求，利用等离子旋转电极法制备出球形铝合金粉末(9)，并筛分出100-325目的粉末备用。
5)将模具的底座嵌入到刚性垫板中，并用销钉进行连接，然后将带有模具的刚性垫板嵌入到包套底座，两者过盈配合，将铝管插入模具和底座连通的孔内，将侧板1、2、3和4分别插入包套底板对应的四个槽中，然后放上顶板，进行焊接，焊接完毕后，利用氦质谱检漏仪对包套进行检漏，直至包套气密性达到要求，然后将上述制备好的铝合金粉末装入包套内，采用机械振动或者人工振动的方式使其充分密实。
6)将带有真空孔的盖片置于装粉孔上，并焊封好。
7)将上述装有模具和刚性垫板的包套放置在加热炉中加热，在高温下利用分子泵通过真空管对包套内部进行抽真空处理，直到达到要求。
8)将上述已经抽真空的包套放置在热等静压设备中，在高温高压下使球形铝合金粉末固结成形，在内部模具的作用下，形成铝合金粉末复杂薄壁结构。
9)利用机械加工的方法去除包套，采用机加工方法加工铝合金薄壁件的外表面，由此得到内部嵌有模具的铝合金薄壁件结构的半成品。
10)利用人工去除和喷砂的方式将内部的模具去除，最终成形带有复杂内腔结构的铝合金薄壁件。
11)所述步骤1)中模具材料采用高纯石墨，并通过刚性垫板将其固定在包套底座上。
12)所述步骤2)中包套的材料为6061。
13)所述步骤5)中，分子泵检测抽真空至10-12Pa。
14)所述的步骤7)中加热炉的温度为400℃；包套内部的真空度为10-4Pa。
15)所述步骤8)中，热等静压处理采用同时升温升压，将温度升至470℃，同时在相同时间内使热等静压设备的内部压力达到130MPa，保温保压3小时，之后将炉温冷却到室温。
16)本发明提供的铝合金薄壁件成形方法是利用热等静压过程中的高温高压对铝合金粉末进行固结压制成形使其致密化，同时利用模具约束铝合金复杂薄壁件的内腔，而易于加工的外部型面可以通过包套的随形设计和去除包套后的机加工进行成形，这样可以利用模具达到内腔一次近净成形的目的，可以大量节约原始材料，提高零件成形效率，同时可以得到力学性能优异且各向同性的近全致密化零件。
附图说明
图1为采用本发明通过热等静压成形加工的铝合金薄壁件示意图。
图2为采用本发明提供的铝合金薄壁件热等静压近净成形方法成形零件时所使用的模具结构示意图。
图3为采用本发明提供的铝合金薄壁件热等静压近净成形方法成形零件时所使用的包套结构示意图
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明提供的铝合金薄壁十字筋板结构粉末热等静压近净成形方法进行详细说明。
如图1—图3所示，本发明提供的铝合金薄壁件热等静压成形方法包括按顺序进行的下
列步骤：
1)根据铝合金薄壁件图1的结构设计加工出如图2所示的模具，该模具是一个整体，模具采用高纯石墨材料制成。
2)根据模具形状(图2)和铝合金薄壁件外表面形状(图1)设计加工出合理的包套(图3)，该包套包括带有装粉孔的顶板(1)、侧板1(2)、侧板2(3)、侧板3(4)、侧板4(同4)、底板(5)、铝管(6)以及带有抽真空孔(7)的盖片(8)，为便于焊接及节省材料，包套采用随形设计。
3)为了防止在焊接、运输等移动过程中模具发生移动，设计刚性垫板(9)对模具进行定位。
4)根据铝合金薄壁件(图1)的材料需求，利用等离子旋转电极法制备出球形铝合金粉末(10)，并筛分出100-325目的粉末备用。
5)将模具(图2)的底座嵌入到刚性垫板(9)中，并用销钉进行连接，然后将带有模具的刚性垫板嵌入到包套底板(5)，两者过盈配合，将铝管(6)插入模具和底座连通的孔内，将侧板1(2)、2(3)、3(4)和4(同4)分别插入包套底板(5)对应的四个槽中，然后放上顶板(1)，进行焊接，焊接完毕后，利用氦质谱检漏仪对包套进行检漏，直至包套气密性达到要求，然后将上述制备好的铝合金粉末(10)装入包套内，采用机械振动或者人工振动的方式使其充分密实。
6)将带有真空孔(7)的盖片(8)置于装粉孔上，并焊封好。
7)将上述装有模具(图2)和刚性垫板的包套(9)放置在加热炉中加热，在高温下利用分子泵通过真空管(7)对包套(图3)内部进行抽真空处理，直到达到要求10-4Pa。
8)将上述已经抽真空的包套(图3)放置在热等静压设备中，热等静压处理采用同时升温升压，将温度升至470℃，同时在相同时间内使热等静压设备的内部压力达到130MPa，保温保压3小时，之后将炉温冷却到室温。在高温高压下使球形铝合金粉末固结成形，在内部模具(图2)的作用下，形成铝合金粉末复杂薄壁结构(图1)。
9)利用机械加工的方法去除包套(图3)，采用机加工方法加工铝合金薄壁件的外表面，由此得到内部嵌有模具(图2)的铝合金薄壁件结构的半成品。
10)利用人工去除和喷砂的方式将内部的模具(图2)去除，最终成形带有复杂内腔结构的铝合金薄壁件(图1)。

Claims (6)

1.一种铝合金薄壁件热等静压成形方法，其特征在于：所述的铝合金复杂薄壁件结构热等静压成形方法按下列步骤进行：
1)根据铝合金薄壁件结构(图1)的设计加工模具(图2)，该模具是一个整体；铝合金薄壁件整个内腔形状由模具的外表面控制。
2)根据模具形状(图2)和铝合金薄壁件外表面形状(图1)设计加工出合理的包套(图3)，该包套包括带有装粉孔的顶板(1)、侧板1(2)、侧板2(3)、侧板3(4)、侧板4(同4)、底板(5)、铝管(6)以及带有抽真空孔(7)的盖片(8)，为便于焊接及节省材料，包套采用随形设计。
3)为了防止在焊接、运输等移动过程中模具发生移动，设计刚性垫板(9)对模具进行定位。
4)根据铝合金薄壁件(图1)的材料需求，利用等离子旋转电极法制备出球形铝合金粉末(10)，并筛分出100-325目的粉末备用。
5)将模具(图2)的底座嵌入到刚性垫板(9)中，并用销钉进行连接，然后将带有模具的刚性垫板嵌入到包套底板(5)，两者过盈配合，将铝管(6)插入模具和底座连通的孔内，将侧板1(2)、2(3)、3(4)和4(同4)分别插入包套底板(5)对应的四个槽中，然后放上顶板(1)，进行焊接，焊接完毕后，利用氦质谱检漏仪对包套进行检漏，直至包套气密性达到要求，然后将上述制备好的铝合金粉末(10)装入包套内，采用机械振动或者人工振动的方式使其充分密实。
6)将带有真空孔(7)的盖片(8)置于装粉孔上，并焊封好。
7)将上述装有模具(图2)和刚性垫板的包套(9)放置在加热炉中加热，在高温下利用分子泵通过真空管(7)对包套(图3)内部进行抽真空处理，直到达到要求。
8)将上述已经抽真空的包套(图3)放置在热等静压设备中，在高温高压下使球形铝合金粉末固结成形，在内部模具(图2)的作用下，形成铝合金粉末复杂薄壁结构(图1)。
9)利用机械加工的方法去除包套(图3)，采用机加工方法加工铝合金薄壁件的外表面，由此得到内部嵌有模具(图2)的铝合金薄壁件结构(图1)的半成品。
10)利用人工去除和喷砂的方式将内部的模具(图2)去除，最终成形带有复杂内腔结构的铝合金薄壁件(图1)。
2.权利要求1所述的一种铝合金薄壁件热等静压成形方法，其特征在于所述步骤1中模具(1)材料采用高纯石墨，并通过刚性垫板将其固定在包套底座上。
3.权利要求1所述的一种铝合金薄壁结构的热等静压成形方法，其特征在于所述步骤(2)中包套的材料为6061。
4.权利要求1所述的一种铝合金薄壁件热等静压成形方法，其特征在于所述步骤(5)中，分子泵检测抽真空至10-12Pa。
5.根据权利要求1所述的一种铝合金薄壁件热等静压成形方法，其特征在于所述的步骤7)中加热炉的温度为400℃；包套(4)内部的真空度为10-4Pa。
6.根据权利要求1所述的一种铝合金薄壁件热等静压成形方法，其特征在于所述步骤8)中，热等静压处理采用同时升温升压，将温度升至470℃，同时在相同时间内使热等静压设备的内部压力达到130MPa，保温保压3小时，之后将炉温冷却到室温。
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