一种高温合金三维点阵夹层结构的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种高温合金三维点阵夹层结构的制备方法，该方法将面板与切割好的帯网格的芯板通过热等静压扩散连接后再超塑成形的方法来制备高温合金等难扩散连接材料的三维点阵夹层结构，该方法可以精确成形现有方法难于制备的、具有复杂外形、性能优良而且稳定的高温合金等材料三维点阵夹层结构。本发明采用热等静压后超塑成形的方法来制备具有复杂外形的高温合金三维点阵夹层结构，制备的高温合金三维点阵夹层结构具有外形尺寸和性能稳定优点，该方法具有性能稳定、效率高等优点，在飞机、导弹及其高推重比发动机中具有广泛的应用。
【专利说明】一种高温合金三维点阵夹层结构的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高温合金结构成形技术，尤其涉及一种高温合金三维点阵夹层结构的制备方法。
【背景技术】
[0002]目前，金属三维点阵结构(英文名称为metal three dimensional latticestructure)不仅具有轻质高比强特性,而且具有电磁吸波、吸收爆炸和冲击能量、热控制、噪声管理、催化剂支撑、过滤、电能储存、延迟化学反应和防火、生物组织的生长等多种功能。研究结果表明，点阵材料的强度明显高于同密度的波纹板和金属铝泡沫材料。与蜂窝材料比较，点阵材料的强度也具有一定优势，尤其是在相对密度比较低时，点阵材料的强度优势更为明显。此外，与蜂窝和泡沫结构相比较，点阵结构中间的空间还为增加多功能提供了空间，例如网格结构中间的空间可以作为散热(其散热效率是通道散热的7倍)或主动致冷，存储燃油、线路或油路的通道。如图1、图2所示，现有的金属三维点阵结构是由金属面板和空间桁架支撑组成的结构。
[0003]采用高温合金材料制备三维点阵结构，既具有良好的力学性能，又具有耐高温的特性，在高超音速飞行器及高推重比发动机的尾喷管中具有重要的应用。目前，用于制备高温合金点阵结构的方法比较少，主要有熔模铸造法，这主要是由于高温合金难于成形、变形抗力大有关，还由于高温合金的扩散连接性不好。
[0004]如图3所示，为现有采用熔模铸造法制备高温合金点阵结构的制备方法示意图，该方法以三维网状结构的聚氨脂泡沫等材料作模型使熔融的金属液进入模型孔内然后加热或用溶剂除去网状材料。但是采用这种方法制备三维的点阵结构的组织是铸态组织，韧性和强度较低。
[0005]在现有技术中，还有采用三维点阵夹层预成形方法制备夹层结构，但其也存在有以下不足:
[0006]1、由于高温合金的扩散连接性不好，很难采用扩散连接方法制备的金属丝三维点阵结构；
[0007]2、采用熔模铸造的方法制备高温合金点阵结构，由于是铸造结构，容易产生缺陷，力学性能低，特别是韧性差。对于一些流动性较差的材料则难于实现熔模铸造。
[0008]因此，针对现有高温合金等难扩散连接材料的三维点阵夹层结构在制备中的一些不足，本发明提出通过热等静压来实现板材之间的扩散连接，然后再超塑成形出高温合金等难扩散连接材料的三维点阵结构的制备方法。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是提供一种能够精确地控制高温合金点阵结构复杂外形，扩散连接的复合压力较高，界面扩散连接结合良好的高温合金三维点阵夹层结构的制备方法。
[0010]为达到上述目的，本发明提出一种高温合金三维点阵夹层结构的制备方法，所述制备方法包括:
[0011]加工形成由纵横交叉的多个筋条构成的网格结构的芯板，在所述多个筋条纵横交叉位置形成多个结点，所述结点包括多个预定结点和位于各个预定结点周围且通过所述筋条直接连接该预定结点的邻近结点；
[0012]加工形成上面板和下面板，所述上面板和下面板均与所述芯板的外形轮廓相同；
[0013]涂覆止焊剂，在所述芯板的预定结点的一表面不涂覆止焊剂，其相反表面涂覆止焊剂；而在该预定结点的邻近结点上与该预定结点不涂覆止焊剂的同向表面上涂覆止焊齐U，其反向表面上不涂覆止焊剂；在所述芯板的两个表面上，除去不涂覆止焊剂的结点表面位置，其余表面均涂覆止焊剂；
[0014]在所述上面板的下表面对应于所述芯板上表面不涂覆止焊剂的结点表面的位置不涂覆止焊剂，所述上面板的下表面的其余表面均涂覆止焊剂，在所述下面板的上表面对应于所述芯板下表面不涂覆止焊剂的结点表面的位置不涂覆止焊剂，其余表面均涂覆止焊剂；
[0015]所述芯板与所述上面板和下面板扩散连接，将所述芯板夹持于所述上、下面板之间，形成叠层状后封焊，经过真空除气后进行真空封装，放入热等静压设备中进行扩散连接;
[0016]超塑成形，将扩散连接后的预制件放入到超塑成形模具中进行超塑成形；
[0017]采用高压水、线切割或机械加工的方法加工出高温合金三维点阵夹层结构。
[0018]如上所述的高温合金三维点阵夹层结构的制备方法，其中，所述止焊剂由丙酮、乙酸乙酯、三氧化二钇组成，其质量百分比为90:5:5。
[0019]如上所述的高温合金三维点阵夹层结构的制备方法，其中，所述热等静压设备工艺参数为:温度范围为1000°c?1100°C ;压力范围为IOOMPa?150MPa ;工作时间为2h?4h0
[0020]如上所述的高温合金三维点阵夹层结构的制备方法，其中，超塑成形工艺为:温度范围为920°C?960°C ;压力范围为3MPa?6MPa ;工作时间为2h?4h。
[0021]与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点:
[0022]1、本发明的将热等静压工艺引入到高温合金点阵等夹层结构件的制备过程中，利用热等静压的超高压力(最高压力达到200MPa)和高温(最高温度达到2000°C)来实现板材之间的扩散连接，从而解决了难扩散连接材料成形夹层结构的难题；
[0023]2、采用超塑成形具有近净成形、成形零件组织细小而稳定等特点，可以精确成形出具有复杂外形的高性能高温合金三维点阵夹层结构；
[0024]3、与现有采用熔模铸造法制备高温合金点阵结构相比较，采用热等静压后超塑成形的方法，可以获得更低的相对密度和更高的强度和韧性。
[0025]4、本发明采用热等静压后超塑成形的方法来制备具有复杂外形的高温合金三维点阵夹层结构，制备的高温合金三维点阵夹层结构具有外形尺寸和性能稳定优点，该方法具有性能稳定、效率高等优点，在飞机、导弹及其高推重比发动机中具有广泛的应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的指导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。
[0027]图1为现有的金属三维点阵结构的示意图；
[0028]图2为图1中局部放大结构示意图；
[0029]图3为现有的采用熔模铸造法制备高温合金点阵结构的制备方法示意图；
[0030]图4为本发明的网格结构的芯板的结构示意图；
[0031]图5为本发明的上面板下表面上不涂覆止焊剂位置的不意图；
[0032]图6为本发明的下面板上表面上不涂覆止焊剂位置的示意图；
[0033]图7为本发明的高温合金三维点阵夹层结构成形结构示意图。
[0034]附图标记说明:
[0035]1-芯板；2_预定结点(与上面板相连接的结点)；3_邻近结点(与下面板相连接的结点)；4_上面板；5_下面板；6_面板上不涂覆止焊剂的位置。
【具体实施方式】
[0036]结合附图和本发明【具体实施方式】的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的【具体实施方式】，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。
[0037]请参考图4、图5、图6、图7，分别为本发明的网格结构的芯板的结构示意图、上面板下表面上不涂覆止焊剂位置示意图、下面板上表面上不涂覆止焊剂位置示意图、高温合金三维点阵夹层结构成形结构示意图。本发明提供的高温合金三维点阵夹层结构的制备方法，包括以下步骤:
[0038]步骤A:如图4所示，加工出由纵横交叉的多个筋条构成的网格结构的芯板1，由于芯板I呈十字交叉的网格结构，在多个筋条纵横交叉位置形成多个结点，多个结点包括多个预定结点2和位于各个预定结点2周围且通过筋条直接连接该预定结点2的邻近结点3 ；邻近结点3围绕与其所对应的预定结点2，预定结点2的具体位置可根据实际工况需要进行选择，对预定结点2的选择此为已有技术，在此不再详细说明。加工形成上面板4和下面板5，上面板4和下面板5均与芯板I的外形轮廓相同；在本实施例中，预定结点2为与上面板相连接的结点；邻近结点3为与下面板相连接的结点。当然预定结点2也可以设为与下面板相连接的结点；邻近结点3则设为与上面板相连接的结点。以下以本实施例为例进行说明:
[0039]步骤B:涂覆止焊剂，在芯板I的各个预定结点2的上表面不涂覆止焊剂，其下表面涂覆止焊剂；并且，在预定结点2对应的邻近结点3的上表面(与预定结点2的上表面为同一表面)涂覆止焊剂，邻近结点3下表面不涂覆止焊剂。或者，也可以在芯板I的各个预定结点2的下表面不涂覆止焊剂，其上表面涂覆止焊剂；并且，在对应的邻近结点3上表面不涂覆止焊剂，其下表面涂覆止焊剂。这样，预定结点2不涂覆止焊剂表面与对应的邻近结点3不涂覆止焊剂表面为相反表面，而预定结点2涂覆止焊剂表面与对应的邻近结点3涂覆止焊剂表面为相反表面。在芯板的两个表面上，除去不涂覆止焊剂的结点表面位置，其余表面均涂覆止焊剂。[0040]如图5所示，在上面板4的下表面上对应于芯板I上表面上不涂覆止焊剂的预定结点2的上表面的位置6不涂覆止焊剂，上面板4的下表面其余表面均涂覆止焊剂。如图6所示，在下面板5的上表面对应于与芯板I下表面上不涂覆止焊剂的邻近结点3的下表面的位置6不涂覆止焊剂，其余表面均涂覆止焊剂。实际上，上面板和下面板上不涂覆止焊剂的位置6是相同的；
[0041]步骤C:芯板I与上面板4和下面板5扩散连接，将芯板I夹持于上面板4和下面板5之间，形成叠层状后封焊，经过真空除气后进行真空封装，放入热等静压设备中进行扩散连接；
[0042]步骤D:超塑成形，将扩散连接后的预制件放入到超塑成形模具中进行超塑成形；
[0043]步骤E:采用高压水、线切割或机械加工的方法加工出高温合金三维点阵夹层结构(如图7所示)。
[0044]进一步的，止焊剂由丙酮、乙酸乙酯、三氧化二钇组成，其中丙酮、乙酸乙酯、三氧化二钇依次所占质量的百分比为90:5:5。
[0045]进一步的，热等静压设备工艺参数为:温度范围为1000°C~1100°C ;压力范围为IOOMPa~150MPa ;工作时间为2h~4h。
[0046]进一步的，超塑成形工艺为:温度范围为920°C~960°C;压力范围为3MPa~6MPa ；工作时间为2h~4h。
[0047]本发明制备方法的原理是，芯板I与上面板4和下面板5经过热等静压设备中进行扩散连接，使得相邻的各结点分别与上下面板扩散连接。由于反面和正面的结点与面板的扩散连接情况相反，当超塑成形时，与上面板4在位置6扩散连接在一起的一个结点2的上表面随上面板4向上运动，而与其相邻的四个结点3的下表面与下面板5在位置6扩散连接在一起，因此在超塑成形过程中会随下面板5向下运动，经过超塑成形后，会拉出金字塔形(如图7所示)或其它形状的点阵结构。
[0048]现以GH4169型高温合金三维点阵结构的制备方法为例进行说明，制备工艺方法如下:
[0049]板材高压水切割；芯板切割图形如图4所示，两层面板的尺寸与芯板的外轮廓尺寸相同，厚度为1.8mm,芯板厚度为0.8mm ；
[0050]止焊剂涂覆；在芯板I的两面都涂覆上止焊剂，在涂覆止焊剂时，涂覆原则是一个预定结点2与其相连接同一表面的周围四个邻近结点3的涂覆情况相反，芯板I两面的涂覆情况相反。在芯板I的两个表面上，除去不涂覆止焊剂的结点表面位置，其它表面位置均涂覆止焊剂。在与芯板I上表面相接触的上面板4的下表面上，与芯板I上的不涂覆止焊剂的结点上表面相对应的位置，不涂覆止焊剂，其它的表面位置均涂覆止焊剂。在与芯板I下表面相接触的下面板5的上表面上，与芯板I上的不涂覆止焊剂的结点下表面相对应的位置，不涂覆止焊剂，其它的表面位置均涂覆止焊剂；其中止焊剂由丙酮、乙酸乙酯、三氧化二钇组成，质量百分比为:90:5:5 ；
[0051]芯板与面板扩散连接；将面板与芯板叠层后封焊，经过真空除气后进行真空封装，放入热等静压设备中进行扩散连接，热等静压的工艺参数为--温度1100°c、压强IOOMPa ;工作时间2h，[0052]超塑成形；将扩散连接后的预制件放入到超塑成形模具中进行超塑成形，工艺参数为:温度940°C ;压强:4MPa ;工作时间:2h ；
[0053]采用高压水切割出高温合金三维点阵夹层结构；
[0054]零件外形、微观组织分析。
[0055]本发明采用超塑成形及扩散连接工艺制备的典型高温合金三维点阵夹层构件，夕卜形尺寸控制精确，内部结构符合设计要求，获得了良好的扩散连接界面，焊合率大于95%以上。在本发明中，采用热等静压后超塑成形的方法来制备具有复杂外形的高温合金三维点阵夹层结构，制备的高温合金三维点阵夹层结构具有外形尺寸和性能稳定优点，该方法具有性能稳定、效率高等优点，在飞机、导弹及其高推重比发动机中具有广泛的应用。
[0056]针对上述各实施方式的详细解释，其目的仅在于对本发明进行解释，以便于能够更好地理解本发明，但是，这些描述不能以任何理由解释成是对本发明的限制，特别是，在不同的实施方式中描述的各个特征也可以相互任意组合，从而组成其他实施方式，除了有明确相反的描述，这些特征应被理解为能够应用于任何一个实施方式中，而并不仅局限于所描述的实施方式。
【权利要求】
1.一种高温合金三维点阵夹层结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括: 加工形成由纵横交叉的多个筋条构成的网格结构的芯板，在所述多个筋条纵横交叉位置形成多个结点，所述结点包括多个预定结点和位于各个预定结点周围且通过所述筋条直接连接该预定结点的邻近结点； 加工形成上面板和下面板，所述上面板和下面板均与所述芯板的外形轮廓相同； 涂覆止焊剂，在所述芯板的预定结点的一表面不涂覆止焊剂，其相反表面涂覆止焊剂；而在该预定结点的邻近结点上与该预定结点不涂覆止焊剂的同向表面上涂覆止焊剂，其反向表面上不涂覆止焊剂；在所述芯板的两个表面上，除去不涂覆止焊剂的结点表面位置，其余表面均涂覆止焊剂；在所述上面板的下表面对应于所述芯板上表面不涂覆止焊剂的结点表面的位置不涂覆止焊剂，所述上面板的下表面的其余表面均涂覆止焊剂，在所述下面板的上表面对应于所述芯板下表面不涂覆止焊剂的结点表面的位置不涂覆止焊剂，其余表面均涂覆止焊剂；所述芯板与所述上面板和下面板扩散连接，将所述芯板夹持于所述上、下面板之间，形成叠层状后封焊，经过真空除气后进行真空封装，放入热等静压设备中进行扩散连接； 超塑成形，将扩散连接后的预制件放入到超塑成形模具中进行超塑成形； 采用高压水、线切割或机械加工的方法加工出高温合金三维点阵夹层结构。
2.如权利要求1所述的高温合金三维点阵夹层结构的制备方法，其特征在于，所述止焊剂由丙酮、乙酸乙酯、三氧化二钇组成，其质量百分比为90:5:5。
3.如权利要求1所述的高温合金三维点阵夹层结构的制备方法，其特征在于，所述热等静压设备工艺参数为:温度范围为1000°c?1100°C;压力范围为IOOMPa?150MPa ;工作时间为2h?4h。
4.如权利要求1所述的高温合金三维点阵夹层结构的制备方法，其特征在于，超塑成形工艺为:温度范围为920°C?960°C ;压力范围为3MPa?6MPa ;工作时间为2h?4h。
【文档编号】B23K35/362GK103612007SQ201310594990
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月21日 优先权日:2013年11月21日
【发明者】李志强, 赵冰, 侯红亮, 廖金华, 韩秀全 申请人:中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所