一种钛合金轻量化加强翼面的加工工艺的制作方法

本发明涉及金属加工技术领域，具体是一种钛合金轻量化加强翼面的加工工艺。

背景技术：

超塑成形/扩散连接(spf/db)技术自二十世纪70年代后取得迅速发展，它利用具有特定显微组织的金属材料在高温区间优异的延伸率和良好的扩散性能，在热循环中，通过施加适当压力使材料的贴合部分进行扩散连接，分离部分进行超塑成形，从而成形出整体空心结构。利用该项技术能够一次成形出形状复杂的整体结构，减少大量的铆接和焊接装配，减轻结构重量。

目前翼面结构的中空、薄壁结构主要采用铸造成形、板材拼焊、钎焊技术、3d打印等，但在实际生产过程中存在材料利用率低，多处拼接时存在尺度精度差、整体刚性差，并且制备工艺复杂等问题。

虽然超塑成形/扩散连接技术很适合钛合金轻量化结构的成形，但是对一些骨架壁厚比较薄，而翼面厚度非常大，并且骨架因承力需求壁厚不均匀的零件，常规工艺过程难以实现。对于钎焊工艺，则存在钎焊面小、焊缝多，但是焊接零件刚度差，工装难以加载等问题。而电子束焊接则需要在真空环境下进行，对多道焊缝需要焊接的零件，则生产制造的周期很长，成本高。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种减轻翼面重量、增强翼面强度、结合面金相组织均匀的钛合金轻量化加强翼面的加工工艺，该工艺使产品型面精度好，强度高，结构减重超过30％。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种钛合金轻量化加强翼面的加工工艺，包括以下步骤：

(1)备料：准备符合设计要求厚度的钛合金板材；

(2)下料：裁剪出符合设计尺寸的上蒙板、下蒙板、上芯层板、下芯层板、上格栅板、下格栅板；

(3)板材成型：对上蒙板、下蒙板预成型，上格栅板、下格栅板分别焊接成型为十字交叉结构的上格栅、下格栅，所述上格栅板的下缘和下格栅板的上缘均设有通气孔；

(4)清洗：用清洁剂对成型板材进行除油去污处理；

(5)涂覆止焊剂：下芯层板间隔分布多个止焊剂涂覆区和多个十字形扩散区，沿十字形所述扩散区径向上均设有通气槽，所述止焊剂涂覆区和通气槽上均涂覆有止焊剂，所述扩散区分别与下格栅、上格栅相对应，所述通气槽与所述通气孔相应；

(6)封焊：依次将处理好的上蒙板、上格栅、上芯层板、下芯层板、下格栅及下蒙板叠加装配并进行封焊，将上芯层板与下芯层板封焊并预留出内层进气口和内层出气口；将上蒙板、下蒙板封焊并预留出外层进气口和外层出气口；

(7)检测气密性：检测封焊的气密性是否合格；

(8)装模：封焊后的翼面装入模具，合模；

(9)超塑成形/扩散连接：将模具置于超塑成型设备中，对翼面抽真空，真空度为10^-2～10^-5pa，升温至870～940℃；压机先通过外层进气口加压1.2～1.5mpa并保温2～4h，使上蒙板、下蒙板超塑成型，上格栅与上芯层板扩散连接，下格栅与下芯层板扩散连接，上芯层板和下芯层板未涂止焊剂部位扩散连接；压机再通过内层进气口加压1～1.5mpa并保温2～4h，使上芯层板和下芯层板超塑成型，上芯层板超塑成形后的结构分别与上格栅和上蒙板进行扩散连接，下芯层板超塑成形后的结构分别与下格栅和下蒙板进行扩散连接，卸载气压，模具随炉冷却至室温；

(10)精加工及抛光：对冷却后的翼面进行精加工去除余量边，进行抛光处理。

上述的钛合金轻量化加强翼面的加工工艺，其中,步骤(1)板材的厚度为等厚或梯度厚中的至少一种。

上述的钛合金轻量化加强翼面的加工工艺，其中,步骤(4)中清洁剂为酒精或丙酮。

上述的钛合金轻量化加强翼面的加工工艺，其中,步骤(3)中上格栅与下格栅相对应。

上述的钛合金轻量化加强翼面的加工工艺，其中,步骤(3)中的所述上格栅板的下缘通气孔与下格栅板的上缘通气孔相对应。

上述的钛合金轻量化加强翼面的加工工艺，其中,步骤(9)中的真空度为10^-2pa，升温至870℃，外层进气口加压为1.5mpa,保温2h；内层进气口加压为1mpa，保温4h。

上述的钛合金轻量化加强翼面的加工工艺，其中,步骤(9)中真空度为10^-3pa，升温至900℃，外层进气口加压为1.4mpa,保温3h；内层进气口加压为1.3mpa，保温2.5h。

上述的钛合金轻量化加强翼面的加工工艺，其中,步骤(9)中真空度为10^-5pa，升温至940℃，外层进气口加压为1.2mpa,保温4h；内层进气口加压为1.5mpa，保温2h。

上述的钛合金轻量化加强翼面的加工工艺，其中,步骤(9)中加压用气体为氩气。

上述的钛合金轻量化加强翼面的加工工艺，其中,步骤(2)中所述上蒙板、下蒙板、上芯层板、下芯层板依理论展开外形尺寸留出工艺余量边，所述余量边为2-5mm。

本发明的有益效果是：减轻翼面重量并能增强翼面强度，结合面过渡圆滑，金相组织均匀，通过四层超塑成型/扩散连接结构使上、下格栅与上、下芯层板及上、下蒙板有机的成为一体，大大增强了翼面的强度。

钛合金超塑成形/扩散连接成形技术常应用于中空夹层类轻量化结构，本发明是采用四层结构的空心多筋类部件的超塑成形/扩散连接工艺，产品型面精度好，强度高，刚度好，结构减重超过30％。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明的翼面结构示意图；

图2为本发明的翼面结构分解示意图；

图3为本发明翼面在模具中的剖视图；

图4为本发明翼面加工成型后的剖视图；

图5为本发明去除上蒙板的上芯层板和下芯层板超塑成型/扩散连接中间状态示意图；

图6为图5主视图；

图7为本发明下芯层板止焊剂涂覆布局示意图。

其中，附图标记：

1、上蒙板；2、下蒙板；3、上格栅；31、上格栅板；4、下格栅；41、下格栅板；5、上芯层板；6、下芯层板；7、通气孔；8、止焊剂涂覆区；9、扩散区；10、通气槽；a、翼面；a、外层进气口；b、外层出气口；c、内层进气口；d、内层出气口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

如图1-7所示，一种钛合金轻量化加强翼面的加工工艺，包括以下步骤：

(1)备料：准备符合设计要求厚度的钛合金板材，根据翼面a大小及受力的不同，板材的厚度选择上可以选择等厚或梯度厚中的至少一种；

(2)下料：裁剪出符合设计尺寸的上蒙板1、下蒙板2、上芯层板5、下芯层板6、上格栅板31、下格栅板41，裁剪之前上蒙板1、下蒙板2、上芯层板5、下芯层板6依理论展开外形尺寸留出工艺余量边，余量边为2-5mm；

(3)板材成型：对上蒙板1、下蒙板2预成型，上格栅板31、下格栅板41分别焊接成型为十字交叉结构的上格栅3、下格栅4，上格栅板31的下缘和下格栅板41的上缘均设有通气孔7，上格栅板31的下缘通气孔7与下格栅板41的上缘的通气孔7相对应；

(4)清洗：用清洁剂对成型板材进行除油去污处理，清洁剂可选酒精或丙酮；

(5)涂覆止焊剂：下芯层板6间隔分布多个止焊剂涂覆区8和多个十字形扩散区9，沿十字形扩散区9上、下、左、右径向上均设有通气槽10，止焊剂涂覆区8和通气槽10上均涂覆有止焊剂，如图7所示，阴影部分均涂覆有止焊剂；扩散区9分别与上格栅3、下格栅4相对应，通气槽10与通气孔7相应，这保证了在通气孔7位置上芯层板5与下芯层板6不扩散连接，当内层进气口c加入气压的时候，气压能沿着通气孔7缓慢充满整个上芯层板5与下芯层板6所构成的密闭空间，从而进行上格栅3与下格栅4的超塑成型/扩散连接，超塑成型/扩散连接的过程如图5、6所示；

(6)封焊：依次将处理好的上蒙板1、上格栅3、上芯层板5、下芯层板6、下格栅4及下蒙板2叠加装配并进行封焊，上格栅3与下格栅4相对应设置，同时上格栅板31的下缘通气孔7和下格栅板41的上缘通气孔7位置一一对应，将上芯层板5与下芯层板6封焊并预留出内层进气口c和内层出气口d；将上蒙板1、下蒙板2封焊并预留出外层进气口a和外层出气口b；

(7)检测气密性：检测封焊的气密性是否合格；

(8)装模：封焊后的翼面a装入模具，合模；

(9)超塑成形/扩散连接：将模具置于超塑成型设备中，对翼面抽真空，真空度为10^-2～10^-5pa，升温至870～940℃；压机先通过外层进气口a加压1.2～1.5mpa并保温2～4h，加压用气体优选氩气，使上蒙板1、下蒙板2超塑成型，上格栅3与上芯层板5扩散连接，下格栅4与下芯层板6扩散连接；上芯层板5和下芯层板6未涂止焊剂部位扩散连接；压机再通过内层进气口c加压1～1.5mpa，并保温2～4h，在上芯层板5与下芯层板6之间的密闭空间内加压的时候，使外层进气口a进入的压力逐渐减小，并在内层进气口c压力达到工艺压力时外层进气口a压力降为0，内层进气口c加压,使上芯层板5和下芯层板6超塑成型,上芯层板5超塑成形后的结构分别与上格栅3和上蒙板1进行扩散连接，下芯层板6超塑成形后的结构分别与下格栅4和下蒙板2进行扩散连接，如图5、6所示为上芯层板5和下芯层板6超塑成型过程中间状态示意图，卸载气压，模具随炉冷却至室温；

(10)精加工及抛光：对冷却后的翼面a进行精加工去除余量边，进行抛光处理。

实施例一：

如图1-7所示，一种钛合金轻量化加强翼面的加工工艺，包括以下步骤：

(1)备料：准备符合设计要求厚度的钛合金板材，根据翼面a大小及受力的不同，板材的厚度选择上可以选择等厚或梯度厚中的至少一种；

(2)下料：裁剪出符合设计尺寸的上蒙板1、下蒙板2、上芯层板5、下芯层板6、上格栅板31、下格栅板41，上蒙板1、下蒙板2、上芯层板5、下芯层板6依理论展开外形尺寸留出工艺余量边，余量边为2mm；

(3)板材成型：对上蒙板1、下蒙板2预成型，上格栅板31、下格栅板41分别焊接成型为十字交叉结构的上格栅3、下格栅4，上格栅板31下缘和下格栅板41上缘均设有通气孔7，上格栅板31下缘的通气孔7与下格栅4板上缘的通气孔7相对应；

(4)清洗：用清洁剂对成型板材进行除油去污处理，清洁剂优选丙酮；

(5)涂覆止焊剂：下芯层板6间隔分布多个止焊剂涂覆区8和多个十字形扩散区9，沿十字形扩散区9上、下、左、右径向上均设有通气槽10，止焊剂涂覆区8和通气槽10上均涂覆有止焊剂，如图7所示，阴影部分均涂覆有止焊剂；扩散区9分别与上格栅3、下格栅4相对应，通气槽10与通气孔7相应，这保证了在通气孔7位置上芯层板5与下芯层板6不扩散连接，当内层进气口c加入气压的时候，气压能沿着通气孔7缓慢充满整个上芯层板5与下芯层板6所构成的密闭空间，从而进行上格栅3与下格栅4的超塑成型/扩散连接，超塑成型/扩散连接的过程如图5、6所示；

(6)封焊：依次将处理好的上蒙板1、上格栅3、上芯层板5、下芯层板6、下格栅4及下蒙板2叠加装配并进行封焊，上格栅3与下格栅4相对应设置，同时上格栅板31下缘的通气孔7和下格栅板41上缘的通气孔7位置一一对应，将上芯层板5与下芯层板6封焊并预留出内层进气口c和内层出气口；将上蒙板1、下蒙板2封焊并预留出外层进气口a和外层出气口b；

(7)检测气密性：检测封焊的气密性是否合格；

(8)装模：封焊后的翼面a装入模具，合模；

(9)超塑成形/扩散连接：

将模具置于超塑成型设备中，对翼面抽真空，真空度为10^-2，升温至870℃；压机先通过外层进气口a加压1.5mpa并保温2h，加压用气体优选氩气，使上蒙板1、下蒙板2超塑成型，上格栅3与上芯层板5扩散连接，下格栅4与下芯层板6扩散连接；上芯层板5和下芯层板6未涂止焊剂部位扩散连接；压机再通过内层进气口c加压1mpa，并保温4h，在上芯层板5与下芯层板6之间的密闭空间内加压的时候，使外层进气口a进入的压力逐渐减小，并在内层进气口c压力达到工艺压力时外层进气口a压力降为0，内层进气口c加压,使上芯层板5和下芯层板6超塑成型,上芯层板5超塑成形后的结构分别与上格栅3和上蒙板1进行扩散连接，下芯层板6超塑成形后的结构分别与下格栅4和下蒙板2进行扩散连接，如图5、6所示为上芯层板5和下芯层板6超塑成型过程中间状态示意图，卸载气压，模具随炉冷却至室温；

(10)精加工及抛光：对冷却后的翼面a进行精加工去除余量边，进行抛光处理。

实施例二：

如图1-7所示，一种钛合金轻量化加强翼面的加工工艺，包括以下步骤：

(1)备料：准备符合设计要求厚度的钛合金板材，根据翼面a大小及受力的不同，板材的厚度选择上可以选择等厚或梯度厚中的至少一种；

(2)下料：裁剪出符合设计尺寸的上蒙板1、下蒙板2、上芯层板5、下芯层板6、上格栅板31、下格栅板41，上蒙板1、下蒙板2、上芯层板5、下芯层板6依理论展开外形尺寸留出工艺余量边，余量边为3mm；

(3)板材成型：对上蒙板1、下蒙板2预成型，上格栅板31、下格栅板41分别焊接成型为十字交叉结构的上格栅3、下格栅4，上格栅板31下缘和下格栅板41上缘均设有通气孔7，上格栅板31下缘的通气孔7与下格栅4板上缘的通气孔7相对应；

(4)清洗：用清洁剂对成型板材进行除油去污处理，清洁剂优选酒精；

(5)涂覆止焊剂：下芯层板6间隔分布多个止焊剂涂覆区8和多个十字形扩散区9，沿十字形扩散区9上、下、左、右径向上均设有通气槽10，止焊剂涂覆区8和通气槽10上均涂覆有止焊剂，如图7所示，阴影部分均涂覆有止焊剂；扩散区9分别与上格栅3、下格栅4相对应，通气槽10与通气孔7相应，这保证了在通气孔7位置上芯层板5与下芯层板6不扩散连接，当内层进气口c加入气压的时候，气压能沿着通气孔7缓慢充满整个上芯层板5与下芯层板6所构成的密闭空间，从而进行上格栅3与下格栅4的超塑成型/扩散连接，超塑成型/扩散连接的过程如图5、6所示；

(6)封焊：依次将处理好的上蒙板1、上格栅3、上芯层板5、下芯层板6、下格栅4及下蒙板2叠加装配并进行封焊，上格栅3与下格栅4相对应设置，同时上格栅板31下缘的通气孔7和下格栅板41上缘的通气孔7位置一一对应，将上芯层板5与下芯层板6封焊并预留出内层进气口c和内层出气口；将上蒙板1、下蒙板2封焊并预留出外层进气口a和外层出气口b；

(7)检测气密性：检测封焊的气密性是否合格；

(8)装模：封焊后的翼面a装入模具，合模；

(9)超塑成形/扩散连接：将模具置于超塑成型设备中，对翼面抽真空，真空度为10^-3pa，升温至900℃；压机先通过外层进气口a加压1.4mpa并保温3h，加压用气体优选氩气，使上蒙板1、下蒙板2超塑成型，上格栅3与上芯层板5扩散连接，下格栅4与下芯层板6扩散连接；上芯层板5和下芯层板6未涂止焊剂部位扩散连接；压机再通过内层进气口c加压1.3mpa，并保温2.5h，在上芯层板5与下芯层板6之间的密闭空间内加压的时候，使外层进气口a进入的压力逐渐减小，并在内层进气口c压力达到工艺压力时外层进气口a压力降为0，内层进气口c加压,使上芯层板5和下芯层板6超塑成型,上芯层板5超塑成形后的结构分别与上格栅3和上蒙板1进行扩散连接，下芯层板6超塑成形后的结构分别与下格栅4和下蒙板2进行扩散连接，如图5、6所示为上芯层板5和下芯层板6超塑成型过程中间状态示意图，卸载气压，模具随炉冷却至室温；

(10)精加工及抛光：对冷却后的翼面a进行精加工去除余量边，进行抛光处理。

实施例三：

如图1-7所示，一种钛合金轻量化加强翼面的加工工艺，包括以下步骤：

(1)备料：准备符合设计要求厚度的钛合金板材，根据翼面a大小及受力的不同，板材的厚度选择上可以选择等厚或梯度厚中的至少一种；

(2)下料：裁剪出符合设计尺寸的上蒙板1、下蒙板2、上芯层板5、下芯层板6、上格栅板31、下格栅板41，上蒙板1、下蒙板2、上芯层板5、下芯层板6依理论展开外形尺寸留出工艺余量边，余量边为5mm；

(3)板材成型：对上蒙板1、下蒙板2预成型，上格栅板31、下格栅板41分别焊接成型为十字交叉结构的上格栅3、下格栅4，上格栅板31下缘和下格栅板41上缘均设有通气孔7，上格栅板31下缘的通气孔7与下格栅板41上缘的通气孔7相对应；

(4)清洗：用清洁剂对成型板材进行除油去污处理，清洁剂优选酒精；

(5)涂覆止焊剂：下芯层板6间隔分布多个止焊剂涂覆区8和多个十字形扩散区9，沿十字形扩散区9上、下、左、右径向上均设有通气槽10，止焊剂涂覆区8和通气槽10上均涂覆有止焊剂，如图7所示，阴影部分均涂覆有止焊剂；扩散区9分别与上格栅3、下格栅4相对应，通气槽10与通气孔7相应，这保证了在通气孔7位置上芯层板5与下芯层板6不扩散连接，当内层进气口c加入气压的时候，气压能沿着通气孔7缓慢充满整个上芯层板5与下芯层板6所构成的密闭空间，从而进行上格栅3与下格栅4的超塑成型/扩散连接，超塑成型/扩散连接的过程如图5、6所示；

(6)封焊：依次将处理好的上蒙板1、上格栅3、上芯层板5、下芯层板6、下格栅4及下蒙板2叠加装配并进行封焊，上格栅3与下格栅4相对应设置，同时上格栅板31下缘的通气孔7和下格栅板41上缘的通气孔7位置一一对应，将上芯层板5与下芯层板6封焊并预留出内层进气口c和内层出气口；将上蒙板1、下蒙板2封焊并预留出外层进气口a和外层出气口b；

(7)检测气密性：检测封焊的气密性是否合格；

(8)装模：封焊后的翼面a装入模具，合模；

(9)超塑成形/扩散连接：将模具置于超塑成型设备中，对翼面抽真空，真空度为10^-5pa，升温至940℃；压机先通过外层进气口a加压1.2mpa并保温4h，加压用气体优选氩气，使上蒙板1、下蒙板2超塑成型，上格栅3与上芯层板5扩散连接，下格栅4与下芯层板6扩散连接；上芯层板5和下芯层板6未涂止焊剂部位扩散连接；压机再通过内层进气口c加压1.5mpa，并保温2h，在上芯层板5与下芯层板6之间的密闭空间内加压的时候，使外层进气口a进入的压力逐渐减小，并在内层进气口c压力达到工艺压力时外层进气口a压力降为0，内层进气口c加压,使上芯层板5和下芯层板6超塑成型,上芯层板5超塑成形后的结构分别与上格栅3和上蒙板1进行扩散连接，下芯层板6超塑成形后的结构分别与下格栅4和下蒙板2进行扩散连接，如图5、6所示为上芯层板5和下芯层板6超塑成型过程中间状态示意图，卸载气压，模具随炉冷却至室温；

(10)精加工及抛光：对冷却后的翼面a进行精加工去除余量边，进行抛光处理。

超塑成形/扩散连接翼面与铸造骨架+蒙皮焊接翼面的对比：

超塑成形/扩散连接构件，单向2.5m尺度的翼面重量大约20kg，比同等尺寸铸造骨架+蒙皮焊接结构减重30％。

产品扩散率≥90％(90％是行业标准要求)，成形精度可控制在±0.05mm/m(铸造骨架+蒙皮焊接的骨架成形精度公差在±1mm)，超塑成形/扩散连接技术在大尺寸翼面的尺寸精度与减重上效果异常显著。

对上述三个实施例的钛合金扩散连接零件进行力学性能测试，所得力学性能见下表所示。

本发明中，板材的厚度可以根据承载需求与重量限制进行选择，板材可以根据翼面受力状况选用等厚或梯度厚中至少一种，达到减重、提高翼面a强度的目的。

本发明的翼面a内部格栅为十字交叉结构，上、下格栅与上、下蒙板及上、下芯层板组成的翼面大大提高了产品的整体强度与刚度，减重效果显著。与大尺寸铸造结构翼面相比，零件尺寸精度高，且降低了制造成本。

本发明选择870～940℃温度范围内加热，可以保证钛合金材料在具有超塑性能的前提下，保证扩散连接的质量。

由于扩散连接的压力往往要高于超塑成型的压力且与连接处的强度有着密切关系，只有足够的压力下，才能使钛合金板材支架的距离缩短到原子间相互作用的距离内，保证金属原子的扩散，但也不能过高，过高对模具、设备等有不利影响。

在一定温度和压力下进行扩散连接时，连接表面的蠕变、扩散，接头的强度都与时间有关。超塑成形复杂的构件时，应该有适当的保压时间，保压时间过长，晶粒进一步长大，材料的可塑性就会下降。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。