CN112959002B - 一种局部减重薄壁复杂型面中空轻量化结构超塑成形/扩散连接成形方法 - Google Patents
一种局部减重薄壁复杂型面中空轻量化结构超塑成形/扩散连接成形方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种局部减重薄壁复杂型面中空轻量化结构超塑成形/扩散连接成形方法，属于局部减重的高精度成形技术领域。本发明解决现有高温合金超塑成形温度高，时间长，极易造成材料成形后的性能损耗以及薄壁多层结构超塑成形后的减重区加工，极易造成机加变形，降低复杂构件成形精度等问题。本发明基于覆板自封闭结构的真空SPF/DB一体化成形技术，采用预制镂空板进行局部减重，在低性能损耗条件下实现高温合金精确成形。本发明提供的方法在扩散连接过程可实现真空的保护，有效解决薄壁板材非真空环境下热成形过程的氧化问题，可大幅提升超塑成形后材料的力学性能。同时采用预制镂空减重板，实现构件在材料厚度和空间结构上的双重减重。
Description
技术领域
本发明涉及一种局部减重薄壁复杂型面中空轻量化结构超塑成形/扩散连接成形方法，属于局部减重的高精度成形技术领域。
背景技术
大型构件在采用现有超塑成形/扩散连接(SPF/DB)制备时，其获得的中空结构是以等厚度连续板材为原料，成形后连接区域厚度为原始材料的叠加，这显著降低了减重效果。为了大幅提升构件减重效果，现有设计上提出的连接区域变厚度方案是通过后续机械加工或者化学腐蚀等工艺去除，但是这些方式存在着加工后构件变形、壁厚难以控制、环境污染等显著问题。且现有的国内外传统大型构件的超塑成形/扩散连接均是在空气气氛中进行，单纯型面密封的方法已无法满足薄板成形的需求。因此，提供一种无需后续复杂加工处理可直接获得局部减重薄壁复杂型面中空轻量化结构超塑成形/扩散连接成形方法是十分必要的。
发明内容
本发明为了解决现有对薄壁多层结构超塑成形后的减重区加工处理过程，极易造成机加变形，降低复杂构件成形精度等问题，提供一种局部减重薄壁复杂型面中空轻量化结构超塑成形/扩散连接成形方法。
一种局部减重薄壁复杂型面中空轻量化结构超塑成形/扩散连接成形方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，坯料加工：基于薄壁复杂型面中空结构的数模外形，采用激光切割合金板材和不锈钢板材，切割出底板、预镂空筋板和两块不锈钢覆板，所述的预镂空筋板包括减重区、连接区、扩散焊接区和空心筋格区，扩散焊接区和空心筋格区相连，扩散焊接区和减重区通过连接区连接，扩散焊接区和减重区之间除连接区外为镂空结构；所述的底板上加工有通气孔和焊接气道；
步骤2，表面处理：对步骤1获得的底板、预镂空筋板和不锈钢覆板先使用酒精或丙酮擦拭，然后进行清洗，再然后使用酒精或丙酮擦拭掉残余液体，最后使用冷风吹干；
步骤3，涂覆隔离剂：在表面处理后的底板上涂覆可剥胶，烘干后在底板上规划出与预镂空筋板相对的扩散焊接区，进行划线并剥离扩散焊接区以外区域的可剥胶，然后在剥离可剥胶后的区域以及焊接气道处喷涂隔离剂，隔离剂喷涂完成后剥离全部可剥胶；在不锈钢覆板四周粘贴5-10mm的遮盖带，并在其一侧表面喷涂隔离剂，喷涂完毕后剥离遮盖带；
步骤4，组合焊接：将表面处理后的预镂空筋板和经过步骤3处理后的底板组合焊接，焊接时保证底板上未喷涂隔离剂区域与预镂空筋板的扩散焊接区相互对应，焊接完成后在上下两个表面分别覆盖一层不锈钢覆板，保证不锈钢覆板喷涂过隔离剂的表面位于内侧，对四周封边焊接，焊接气管；
步骤5，扩散连接：将封焊后的四层板材定位装模，抽真空至10-3Pa，升温加压，使底板和预镂空筋板之间的扩散焊接区进行扩散连接；
步骤6，超塑成形：在扩散连接后，降温，保持模具压力，通过充气管通入氩气，完成超塑成形；
步骤7，后处理：去除不锈钢覆板，剪断连接区去除减重区。
进一步地，步骤1中底板、预镂空筋板和两块不锈钢覆板的尺寸在构件尺寸轮廓方向单边增加有工艺段，所述的工艺段用于加工与模具定位装置配合使用的定位孔。
进一步地，合金板材为钛合金板。
更进一步地，步骤2中清洗是使用体积比为1：6：13的氢氟酸、硝酸和水的混合液清洗。
进一步地，合金板材为镁合金板。
更进一步地，步骤2中清洗是使用质量分数为30％的铬酐溶液清洗，再使用浓度为30％稀硝酸溶液进行酸洗。
进一步地，合金板材为铝合金板。
更进一步地，步骤2中清洗是先使用浓度为40g/L的氢氧化钠溶液清洗，在使用质量浓度为30％稀硝酸溶液进行酸洗。
进一步地，不锈钢板材厚度为0.8mm。
进一步地，隔离剂为氮化硼。
本发明具有以下有益效果：本发明提出基于覆板自封闭结构的真空SPF/DB一体化成形技术，采用预制镂空板进行局部减重，在低性能损耗条件下实现高温合金SPF/DB精确成形。本发明还具有以下优点：
(1)本发明方法提出了自封闭结构超塑成形/扩散连接方法，在扩散连接过程可实现真空的保护，有效解决薄壁板材非真空环境下热成形过程的氧化问题，可大幅提升超塑成形后材料的力学性能。同时对于改善成形后构件的微观组织形貌和宏观力学性能具有重要作用，可以在低成本条件下进行复杂构件的低性能损耗精确成形。
(2)本发明采用预制镂空减重板，实现构件在材料厚度和空间结构上的双重减重，解决了现有超塑成形/扩散连接中空结构以等厚度连续板材为原料，成形后连接区域厚度为原始材料的叠加，显著降低了减重效果的问题。
附图说明
图1为预镂空筋板结构示意图；
图2为底板剥离可剥胶后局部示意图；
图3为实施例1成形后构件的局部实物图；
图4为实施例1成形后构件撬取减重区示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
实施例1：
一、下料：
采用激光切割厚度为0.8mm的Ti60合金板材作为底板，激光切割厚度为0.5mm的Ti60合金板材作为预镂空筋板，激光切割不锈钢板材作为覆板，其中底板、预镂空筋板和覆板的轮廓尺寸相同均为在构件尺寸轮廓方向单边增加60mm工艺段，工艺段主要作用为加工定位孔，模具密封槽预留尺寸等。底板和预镂空筋板的轮廓尺寸相同，方便组焊。在预镂空筋板上规划出减重区、连接区、扩散焊接区和空心筋格区，如图1所示，进行切割，使预镂空筋板的扩散焊接区和减重区之间除连接区外为镂空结构，其中连接区尺寸为0.5mm×0.5mm，既能保证成形后的易于撬取，又能满足成形过程中避免减重区塌陷。为了准确定位减重区、扩散焊接区和镂空结构，切取掩模板一套。在底板上加工通气孔和焊接气道。
二、表面处理：
先使用酒精或丙酮除去板料表面油污，在利用体积配比为氢氟酸：硝酸：水＝1：6：13的酸洗溶液进行酸洗，再采用30％稀硝酸溶液进行酸洗，最后将清洗后的板材用酒精或丙酮清除掉残余溶液，用冷风吹干。注意在成形过程中需要对板材表面进行保护以防止表面被污染。
三、隔离剂涂覆：
表面处理后的底板首先涂覆可剥胶，然后烘干，使用掩模板在底板上划线，划出与预镂空筋板相对的扩散焊接区，并剥离扩散焊接区以外以及焊接气道区域的可剥胶，如图2所示，喷涂氮化硼隔离剂，并在焊接气道处预喷涂氮化硼隔离剂，防止超塑成形过程中气道焊合，隔离剂喷涂完成后剥离全部可剥胶。在不锈钢覆板四周粘贴5-10mm的遮盖带，并在其一侧表面喷涂隔离剂，喷涂完毕后剥离遮盖带。
四、组合焊接：
将表面处理后预镂空筋板和经过步骤3处理后的底板组合焊接，焊接时保证底板上未喷涂隔离剂区域与预镂空筋板的扩散焊接区相互对应，防止偏差。然后在上下两个表面分别覆盖一层不锈钢覆板，保证不锈钢覆板喷涂过隔离剂的表面位于内侧，对四周封边焊接，焊接气管。
五、工艺段加工定位：
在四层板工艺段加工定位孔，与模具定位装置配合使用，定位孔位于工艺段区域，不会导致超塑成形中产生漏气。
六、气压扩散连接：
将封焊后的四层板材装模，充气管保持抽真空状态，真空度小于10-3Pa，以升温速率为10-20℃/min，将板材升温至910-930℃后进行气压扩散连接，升温过程中模具保持压力，达到扩散连接温度后从上模充入气压，使板料向下模贴模排气，从而在单侧气压作用下使板材受压实现扩散连接，单侧气压1.5-2MPa，保压2h，完成扩散区的连接。
七、超塑成形：
完成扩散连接后进行超塑成形，将温度降至890-910℃，保持合模压力，通过充气管在两层板中间通入高压氩气，充气速率为0.1MPa/5min，进行空心筋格的超塑成形，成形压力为1.5-2MPa，保压时间1-2h，进行空心筋格的超塑成形。
八、工艺段切除：
成形结束后脱模取件，切除工艺段，并去除不锈钢覆板，成形后构件的局部实物图如图3所示。
九、减重区剥离：
直接通过撬取减重区与扩散区之间的连接区去除减重区，如图4所示，精确控制减重区精度，完成局部减重薄壁复杂型面中空轻量化结构超塑成形/扩散连接成形。
实施例2：
本实施例与实施例1不同处为：采用激光切割厚度为0.8mm的镁合金板材作为底板，激光切割厚度为0.5mm的镁合金板材作为预镂空筋板。
相应的步骤二表面处理操作过程为：先使用酒精或丙酮除去板料表面油污，在利用使用质量分数为30％的铬酐溶液进行清洗，再采用30％稀硝酸溶液进行酸洗，最后将清洗后的板材用酒精或丙酮清除掉残余溶液，用冷风吹干。注意在成形过程中也需要对板材表面进行保护以防止表面被污染。
相应的步骤六气压扩散连接操作过程为：将封焊后的四层板材装模，充气管保持抽真空状态，真空度小于10-3Pa，以升温速率为10-20℃/min，将板材升温至450℃后进行气压扩散连接，升温过程中模具保持压力，达到扩散连接温度后从上模充入气压，使板料向下模贴模排气，从而在单侧气压作用下使板材受压实现扩散连接，单侧气压2-3MPa，保压30min，完成扩散区的连接。
相应的步骤七超塑成形操作过程为：完成扩散连接后进行超塑成形，保持合模压力，通过充气管在两层板中间通过高压氩气，充气速率为0.1MPa/5min，进行空心筋格的超塑成形，成形压力为1.5-2MPa，保压时间30min，进行空心筋格的超塑成形。
其余操作步骤与实施例1相同，完成镁合金板材的薄壁复杂型面镁合金中空轻量化结构超塑成形/扩散连接。
实施例3：
本实施例与实施例1不同处为：用激光切割厚度为0.8mm的铝合金板材作为底板，激光切割厚度为0.5mm的铝合金板材作为预镂空筋板。
相应的步骤二表面处理操作过程为：先使用酒精或丙酮除去板料表面油污，然后采用40g/L的氢氧化钠溶液进行碱洗后，再采用30％稀硝酸溶液进行酸洗，最后将清洗后的板材用酒精或丙酮清除掉残余溶液，用冷风吹干。注意在成形过程中也需要对板材表面进行保护以防止表面被污染。
相应的步骤六气压扩散连接操作过程为：将封焊后的四层板材装模，充气管保持抽真空状态，真空度小于10-3Pa，通过覆板抽真空使板料处于氩气保护之中，以升温速率为10-20℃/min，将板材升温至500-530℃后进行气压扩散连接，升温过程中模具保持压力，达到扩散连接温度后从上模充入气压，使板料向下模贴模排气，从而在单侧气压作用下使板材受压实现扩散连接，单侧气压5MPa，保压2.5h，完成扩散区的连接。
相应的步骤七超塑成形操作过程为：完成扩散连接后进行超塑成形，将温度降至450℃，保持合模压力，通过充气管在两层板中间通过高压氩气，充气速率为0.1MPa/5min，进行空心筋格的超塑成形，成形压力为2-3MPa，保压时间0.5-1h，进行空心筋格的超塑成形。
其余操作步骤与实施例1相同，完成铝合金板材的薄壁复杂型面铝合金中空轻量化结构超塑成形/扩散连接。
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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种局部减重薄壁复杂型面中空轻量化结构超塑成形/扩散连接成形方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1，坯料加工：基于薄壁复杂型面中空结构的数模外形，采用激光切割合金板材和不锈钢板材，切割出底板、预镂空筋板和两块不锈钢覆板，其中激光切割合金板材作为底板和预镂空筋板，激光切割不锈钢板材作为覆板；所述的预镂空筋板包括减重区、连接区、扩散焊接区和空心筋格区，扩散焊接区和空心筋格区相连，扩散焊接区和减重区通过连接区连接，扩散焊接区和减重区之间除连接区外为镂空结构；所述的底板上加工有通气孔和焊接气道；
步骤2，表面处理：对步骤1获得的底板、预镂空筋板和不锈钢覆板先使用酒精或丙酮擦拭，然后进行清洗，再然后使用酒精或丙酮擦拭掉残余液体，最后使用冷风吹干；
步骤3，涂覆隔离剂：在表面处理后的底板上涂覆可剥胶，烘干后在底板上规划出与预镂空筋板相对的扩散焊接区，进行划线并剥离扩散焊接区以外区域的可剥胶，然后在剥离可剥胶后的区域以及焊接气道处喷涂隔离剂，隔离剂喷涂完成后剥离全部可剥胶；在不锈钢覆板四周粘贴5-10mm的遮盖带，并在其一侧表面喷涂隔离剂，喷涂完毕后剥离遮盖带；
步骤4，组合焊接：将表面处理后的预镂空筋板和经过步骤3处理后的底板组合焊接，焊接时保证底板上未喷涂隔离剂区域与预镂空筋板的扩散焊接区相互对应，焊接完成后在上下两个表面分别覆盖一层不锈钢覆板，保证不锈钢覆板喷涂过隔离剂的表面位于内侧，对四周封边焊接，焊接气管；
步骤5，扩散连接：将封焊后的四层板材定位装模，抽真空至10-3Pa，升温加压，使底板和预镂空筋板之间的扩散焊接区进行扩散连接；
将板材升温至910-930℃、450℃或500-530℃后进行扩散连接；
步骤6，超塑成形：在扩散连接后，降温，保持模具压力，通入氩气，完成超塑成形；
步骤7，后处理：去除不锈钢覆板，剪断连接区去除减重区。
2.根据权利要求1所述的一种局部减重薄壁复杂型面中空轻量化结构超塑成形/扩散连接成形方法，其特征在于，所述的步骤1中底板、预镂空筋板和两块不锈钢覆板的尺寸在构件尺寸轮廓方向单边增加有工艺段，所述的工艺段用于加工与模具定位装置配合使用的定位孔。
3.根据权利要求1所述的一种局部减重薄壁复杂型面中空轻量化结构超塑成形/扩散连接成形方法，其特征在于，所述的合金板材为钛合金板。
4.根据权利要求3所述的一种局部减重薄壁复杂型面中空轻量化结构超塑成形/扩散连接成形方法，其特征在于，所述的步骤2中清洗是使用体积比为1：6：13的氢氟酸、硝酸和水的混合液清洗。
5.根据权利要求1所述的一种局部减重薄壁复杂型面中空轻量化结构超塑成形/扩散连接成形方法，其特征在于，所述的合金板材为镁合金板。
6.根据权利要求5所述的一种局部减重薄壁复杂型面中空轻量化结构超塑成形/扩散连接成形方法，其特征在于，所述的步骤2中清洗是使用质量分数为30％的铬酐溶液清洗，再使用浓度为30％稀硝酸溶液进行酸洗。
7.根据权利要求1所述的一种局部减重薄壁复杂型面中空轻量化结构超塑成形/扩散连接成形方法，其特征在于，所述的合金板材为铝合金板。
8.根据权利要求7所述的一种局部减重薄壁复杂型面中空轻量化结构超塑成形/扩散连接成形方法，其特征在于，所述的步骤2中清洗是先使用浓度为40g/L的氢氧化钠溶液清洗，再使用质量浓度为30％稀硝酸溶液进行酸洗。
9.根据权利要求1所述的一种局部减重薄壁复杂型面中空轻量化结构超塑成形/扩散连接成形方法，其特征在于，所述的不锈钢板材厚度为0.8mm。
10.根据权利要求1所述的一种局部减重薄壁复杂型面中空轻量化结构超塑成形/扩散连接成形方法，其特征在于，所述的隔离剂为氮化硼。
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