一种异种合金双层板壳复合结构件的制造方法
【专利摘要】本发明是提供一种异种合金双层板壳复合结构件的制造方法，超塑性气压胀形已广泛应用于镁合金、铜合金、铝合金、不锈钢、钛合金和高温合金等板壳件的成形中，不同合金的超塑性气胀温度区间彼此重叠，如镁合金和铝合金的超塑性气胀温度区间约在400～525℃之间重叠，钛合金、不锈钢和高温合金的超塑性气胀温度区间约在900～1000℃之间重叠，所以，利用不同合金的超塑性气胀温度区间彼此重叠和热膨胀系数的差异，通过加热时气压胀形成形板壳件，冷却时由冷缩结合力提供双层板间的抱紧力，实现异种合金双层板壳复合结构的成形与结合。
【专利说明】一种异种合金双层板壳复合结构件的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明专利涉及一种异种合金双层板壳复合结构件的制造方法。
【背景技术】
[0002]异种合金双层板壳复合结构是由两种不同的材料成形与结合的，综合利用了内层板与外层板的不同性能，发挥不同合金的性能优势，优化了复合结构的综合性能。
[0003]现有技术中，异种材料双层复合结构的制备方法主要有轧制、焊接及液压胀接等:轧制只能实现板复合，且当两层金属的机械性能相差很大时，变形抗力大的金属易发生变形不稳定甚至断裂的现象；焊接获得的焊接接头性能良好，但焊缝间易形成金属间化合物，引发热裂纹，严重影响构件的质量；液压胀接是生产复杂管形件及实现管板连接的有效方法，液压胀接属冷加工工艺，但难以合理控制位移和内压间的关系，且不适宜室温下难变形材料成形和板壳结构成形，所以，研究一种新的双层复合结构的成形与结合方法势在必行。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种异种合金双层板壳复合结构气压胀形/冷缩结合制备方法，超塑性气压胀形已广泛应用于镁合金、铜合金、铝合金、不锈钢、钛合金和高温合金等板壳件的成形中，不同合金的超塑性气胀温度区间彼此重叠，如镁合金和铝合金的超塑性气胀温度区间约在400?525°C之间重叠，钛合金、不锈钢和高温合金的超塑性气胀温度区间约在900?1000°C之间重叠，所以，利用不同合金的超塑性气胀温度区间彼此重叠和热膨胀系数的差异，通过加热时气压胀形成形板壳件，冷却时由冷缩结合力提供双层板间的抱紧力，实现异种合金双层板壳复合结构的成形与结合
[0005]本发明的双层复合结构的制备方法按以下步骤进行
[0006]一种异种合金双层板壳复合结构件的制造方法，其特征在于包括以下步骤:
[0007]步骤一，双层坯料板的制备
[0008]选择第一合金板(4)和第二合金板(5)，清洗并烘干后，层叠放置，形成双层坯料板；
[0009]步骤二，加热
[0010]将双层还料板置于凹模(6)和进气板(3)之间，第一合金板(4)的上表面和进气板(3)接触，第二合金板(5)的下表面和凹模(6)接触，之后对该双层坯料版进行加热，力口热至设定温度，所述设定温度在第一合金板(4)和第二合金板(5)的超塑性气压胀形温度的重叠区之间,保温5-10min ；
[0011]步骤三，加压
[0012]施加0.5MPa-2.0MPa的气压使得双层坯料板和进气板(3)之间形成密封空间，该进气板(3)具有一进气通道(1)，通过该进气通道(I)用于将气体送至密封空间中，形成1.0MPa-5.0MPa的成型稳定的压力使板料在以上所述设定温度和加载路径下胀形并紧贴凹模(6)的内表面，形成异种合金双层板壳复合结构件；
[0013]步骤四，冷却
[0014]将该异种合金双层板壳复合结构件冷却到室温。
[0015]所述第一合金板(4)的膨胀系数小于第二合金板(5)。
[0016]所述第一合金板(4)的材质选自铝合金、钛合金或者高温合金，第二合金板(5)的材质选自镁合金、锌合金、不锈钢或者高温合金。
[0017]步骤二中所述的加热方式选自，电阻炉加热、模具直接加热或者电磁感应加热等。
[0018]步骤三中所述的气体可以是氩气、氮气或其它惰性气体。
[0019]步骤四的冷却过程中当双层板壳复合结构内层底面形成凸起时，可采用保压冷却方式消除凸起，即保持气体压力P1冷却到某一温度，卸除气体压力P1后，取出胀形件，冷却到室温。
[0020]步骤四的冷却过程中当双层板壳复合结构内层底面形成凸起时，可卸除气体压力P1，取出胀形件，冷却到室温，从而消除凸起。
[0021]有益效果:
[0022](I)采用气压胀形/冷缩结合方法工序简单，能够通过单一工序同时实现双层复合结构的成形与结合；
[0023](2)在超塑性成形温度下，板材的变形抗力小，塑性成形性能高，能够实现难变形材料的成形；
[0024](3)双层复合结构通过过盈配合实现结合，避免了金属间化合物的形成，为易产生脆性相的异种合金复合结构提供了有效的成形方式；
[0025](4)可以一次性制备形状复杂的异种合金双层板壳复合结构；
[0026](5)成形件质量好，不存在由于硬化引起的回弹导致胀形件成形后的变形问题，故零件尺寸稳定。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明:
[0028]图1为具体实施实例的成形初始状态示意图；
[0029]图2为具体实施实例的自由胀形阶段示意图；
[0030]图3为具体实施实例的型腔填充阶段示意图；
[0031]图4为具体实施实例的胀形结束阶段示意图；
[0032]图5为实施实例胀形件成形结束瞬间横截面配合示意图；
[0033]图6为具体实施实例冷却后胀形件横截面过盈配合示意图。
[0034]其中P为密封压力，P。为初始成形压力，Px为成形过程中瞬时压力，P1为最终成形压力，e为过盈配合量。
【具体实施方式】
[0035]下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
[0036]结合AA5083/AZ31异种合金双层筒形件的气压胀形/冷缩结合制备方法对本发明进行进一步说明。
[0037]成形双层筒形件的凹模6型腔直径为80mm，高度为24mm，凹模6入口圆角半径为4mm ο
[0038]选用板厚为1.0mm的AA5083轧制铝合金板4及板厚为1.5mm的AZ31轧制镁合金板5作为实验材料，实验前将板材切割成140 X 140mm大小的平板，用丙酮擦拭板材表面，保持板材表面清洁，为便于放入加热装置内，剪去四角。
[0039]AZ31镁合金的适宜气压胀形温度是400°C，热膨胀系数约2.4X 10_5/°C，AA5083铝合金的适宜气压胀形温度是525°C，热膨胀系数约2.1 X 10-5/oC，故双层板4和5的成形温度应介于400°C和525°C之间，AZ31镁合金板6位于外层，AA3083铝合金板4位于内层，构成双层板进行实验。
[0040]将双层板4和5共同放入进气板3和凹模6之间,然后将双层板4和5以及模具6放入高温电阻炉中，加热到450°C后保温10分钟，用液压机提供压紧力，将板4的金属压入密封槽2中，起到密封作用，在进气板3和双层板4和5之间形成密封空间。保持成形温度稳定在450°C，向介质通道I中通入气体介质氮气，为成形提供稳定压力，初始压力P。为
1.2?1.6MPa，阶梯加压至最大压力P1为4.2?4.8MPa，在该压力下保压一段时间，使双层板4和5在设定温度和气压下完全贴模，实现双层筒形复合结构的成形，如图1-4所示。胀形结束后，卸除介质气SP1，取出双层筒形件(横截面如图5所示)，进行冷却，冷却过程中，AA5083铝合金收缩量小，AZ31镁合金收缩量大，内外筒形件间相当于形成了过盈配合量e，因而实现双层筒形复合结构的结合，如图6所示。如成形温度过低，则双层筒形件底面圆角半径过大；如最终成形压力P1过大，则成形过程中筒形件底面圆角破裂，如最终成形压力P1过小，则筒形件底面圆角半径过大，成形件轮廓不清晰。采用保压冷却的方式可防止内层底面突起，即胀形结束后，先不卸载气压，而是保持气压冷却到某一温度，然后再卸载气压，去除胀形件空冷到室温。保压冷却时底面会产生微量塑性变形，松弛压应力，这样卸载气压后，底面所受压应力就不会超过底面板的屈曲临界应力，避免了突起。
[0041]胀形结束后，可选择以下两种方式之一冷却:a.卸除气体压力P1，取出胀形件，冷却到室温；b.保持气体压力P1冷却到某一温度诸如350°C，卸除气体压力P1后，取出胀形件，冷却到室温。
[0042]应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
【权利要求】
1.一种异种合金双层板壳复合结构件的制造方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤一，双层坯料板的制备 选择第一合金板(4)和第二合金板(5)，清洗并烘干后，层叠放置，形成双层坯料板； 步骤二,加热 将双层还料板置于凹模(6)和进气板(3)之间,第一合金板(4)的上表面和进气板(3)接触，第二合金板(5)的下表面和凹模(6)接触，之后对该双层坯料版进行加热，加热至设定温度，所述设定温度在第一合金板(4)和第二合金板(5)的超塑性气压胀形温度的重叠区之间，保温5-10min ； 步骤三，加压 施加0.5MPa-2.0MPa的气压使得双层坯料板和进气板(3)之间形成密封空间，该进气板(3)具有一进气通道(1)，通过该进气通道(I)用于将气体送至密封空间中，形成1.0MPa-5.0MPa的成型稳定的压力使板料在以上所述设定温度和加载路径下胀形并紧贴凹模(6)的内表面，形成异种合金双层板壳复合结构件； 步骤四，冷却 将该异种合金双层板壳复合结构件冷却到室温。
2.如权利要求1所述的一种异种合金双层板壳复合结构件的制造方法，其特征在于所述第一合金板(4)的膨胀系数小于第二合金板(5)。
3.如权利要求2所述的一种异种合金双层板壳复合结构件的制造方法，其特征在于所述第一合金板(4)的材质选自招合金、钛合金或者高温合金，第二合金板(5)的材质选自镁合金、锌合金、不锈钢或者高温合金。
4.如权利要求1所述的一种异种合金双层板壳复合结构件的制造方法，其特征在于步骤二中所述的加热方式选自，电阻炉加热、模具直接加热或者电磁感应加热等。
5.如权利要求1所述的一种异种合金双层板壳复合结构件的制造方法，其特征在于步骤三中所述的气体可以是氩气、氮气或其它惰性气体。
6.如权利要求1所述的一种异种合金双层板壳复合结构件的制造方法，其特征在于步骤四的冷却过程中当双层板壳复合结构内层底面形成凸起时，可采用保压冷却方式消除凸起，即保持气体压力P1冷却到某一温度，卸除气体压力P1后，取出胀形件，冷却到室温。
【文档编号】B21D26/059GK104174752SQ201410328330
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年7月10日 优先权日:2014年7月10日
【发明者】王刚, 谢允聪, 李骁 申请人:哈尔滨工业大学（威海）