一种含实体结构的四层薄壁网格零件及其超塑成形/扩散连接方法与流程

本发明涉及一种含实体结构的四层薄壁网格零件及其超塑成形/扩散连接方法，特别是涉及一种带预置实体预埋块结构的超塑成形/扩散连接工艺，即一种薄壁空心结构结合实体结构的复合制造方法，属于金属材料成形技术领域。所述的含实体结构的四层薄壁网格零件的材料均为金属，含实体结构的四层薄壁网格零件的毛坯包括两层面板和两层芯板，两层芯板位于两层面板之间，实体结构件位于面板和芯板之间。

背景技术：

超塑成形/扩散连接工艺通常应用于金属板材的成形，依靠这种工艺可以成形四层结构的薄壁网格零件，这种结构具有薄壁、轻质的优点，可应用于飞行器舵翼类零件的制造，满足结构的减重需求。

超塑成形/扩散连接工艺是高温下在零件模具型腔内，使用气压对四层金属板材坯料进行超塑成形和局部扩散连接来实现的。

但由于大多数零件存在与其他结构的连接需求，针对薄壁空心的超塑成形/扩散连接零件需要局部采用实体结构以满足连接强度要求。如果采用先采用超塑成形/扩散连接成形薄壁空心零件，再采用焊接、铆接或螺接的方式将其与实体部分实现连接，组合零件整体性较差，结构刚度较低，连接处易成为强度薄弱区。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种含实体结构的四层薄壁网格零件及其超塑成形/扩散连接方法，该方法将薄壁空心结构与实体结构相结合，成形出同时具有两种结构的零件，采用超塑成形/扩散连接工艺实现产品的整体复合制造。

本发明的技术解决方案是：

一种含实体结构的四层薄壁网格零件，该零件为一体成型，该零件包括上面板、下面板、上芯板、下芯板和实体结构件，从上到下依次为：上面板、上芯板、下芯板和下面板，实体结构件位于上面板、上芯板之间和/或实体结构件位于下面板、下芯板之间。

所述的含实体结构的四层薄壁网格零件的材料为金属。

一种含实体结构的四层薄壁网格零件的超塑成形/扩散连接方法，该方法的步骤包括：

(1)原材料及成形阴模的准备：原材料包括两层面板、两层芯板和实体结构件，成形阴模的型腔为待成形网格零件的外形；

(2)两层面板的成形：将两层面板放置到成形阴模中，且两层面板上下放置，然后对两层面板及成形阴模进行加热至原材料的超塑成形温度，而后对两层面板之间进行充气，使两层面板上下贴合成形阴模型腔，降温至室温，取出成形后的两层面板，完成两层面板的成形；

(3)芯板的预处理：将芯板不需要扩散连接的位置涂覆阻焊剂；

(4)待成形网格零件的结构放置：将步骤(3)预处理后的两层芯板上下放置，使阻焊剂处于两层芯板之间；然后放置到步骤(2)成形后的两层面板之间，最后再将实体结构件放置在面板和芯板之间，得到组合件，再将组合件放置到成形阴模型腔中；

(5)芯板的扩散连接：将组合件及成形阴模进行加热至原材料的超塑成形/扩散连接温度，对面板及芯板之间充气，使芯板的需要扩散连接位置完成扩散连接；

(6)机械加压扩散连接：保持温度不变，利用超塑成形设备进行机械加压，使面板、实体结构件、芯板三者之间的接触面完成扩散连接；

(7)两层芯板成形，完成零件：保持温度不变，对两层芯板之间进行充气，使两层芯板成形出网格，成形出的网格贴合至所接触到的面板的内表面各实体结构件的表面，并完成各接触表面之间的扩散连接，降温至室温，取出成形后的零件即含实体结构的四层薄壁网格零件。

有益效果

(1)本发明针对具有薄壁空心与实体复合结构的零件，采用在薄板的超塑成形/扩散连接过程中插入在薄板间预置实体预埋件的工序，使薄板与实体件间实现扩散连接，实现薄壁空心结构与实体结构的整体结合。

(2)采用这种方法，在进行四层薄壁结构超塑成形/扩散连接前，实现了在过程中实体预埋块的嵌入，通过后续的超塑成形/扩散连接完成了在一个工艺过程中薄板结构与嵌入式实体预埋块一体化成形，最终零件整体性好。超塑成形/扩散连接工艺成形四层结构的薄壁网格零件可应用于制造航天飞行器舵翼类零件的制造，满足结构的减重需求。由于零件存在与其他结构的连接需求，针对零件需要局部采用实体结构以满足连接强度要求。若采用焊接、铆接或螺接的方式将薄壁网格零件与实体部分实现连接，组合零件整体性较差，结构刚度较低，连接处易成为强度薄弱区。采用薄壁空心结构+实体结构的超塑成形/扩散连接复合制造方法，可将实体结构的提前嵌入，实现薄壁空心结构与实体结构的同一环节一体化成形，使零件整体性提高。

附图说明

图1为原材料及成形阴模的准备示意图；

图2为两层面板的成形示意图；

图3为芯板的预处理示意图；

图4为待成形网格零件的结构放置示意图；

图5为芯板的扩散连接示意图；

图6为机械加压扩散连接示意图；

图7为两层芯板成形，完成零件示意图。

具体实施方式

实施实例如图1～7所示，针对材料为ta15钛合金的一种含实体结构的四层薄壁网格零件的超塑成形/扩散连接，具体步骤如下：

(1)原材料及成形阴模的准备：如图1所示，原材料包括厚度为1mm的上面板和下面板、厚度为1mm的上芯板和下芯板以及实体结构件a和实体结构件b，成形阴模的型腔为待成形网格零件的外形；原材料为ta15钛合金；

(2)两层面板的成形：如图2所示，将两层面板放置到成形阴模中，且两层面板上下放置；然后对两层面板及成形阴模进行加热至原材料ta15钛合金的超塑成形温度(约900℃)，而后对两层面板之间进行充气，充气气压至2mpa，使两层面板上下贴合成形阴模型腔，降温至室温，取出成形后的两层面板，完成两层面板的成形；

(3)芯板的预处理：如图3所示，将芯板不需要扩散连接的位置涂覆阻焊剂；

(4)待成形网格零件的结构放置：如图4所示，将步骤(3)预处理后的两层芯板上下放置，使阻焊剂处于两层芯板之间；然后放置到步骤(2)成形后的两层面板之间，最后再将实体结构件放置在面板和芯板之间，得到组合件，再将组合件放置到成形阴模型腔中；

(5)芯板的扩散连接：如图5所示，将组合件及成形阴模进行加热至ta15原材料的超塑成形/扩散连接温度(约900℃)，对面板及芯板之间充气，充气气压至2mpa，保压2小时，使芯板的需要扩散连接位置完成扩散连接；

(6)机械加压扩散连接：如图6所示，保持温度不变，利用超塑成形设备进行机械加压，受压面压力至2mpa，保压2小时，使面板、实体结构件、芯板三者之间的接触面完成扩散连接；

(7)两层芯板成形，完成零件：如图所示，保持超塑成形/扩散连接温度(约900℃)不变，对两层芯板之间进行充气，充气气压至2mpa，使两层芯板成形出网格，成形出的网格贴合至所接触到的面板的内表面各实体结构件的表面；并保压2小时，完成各接触表面之间的扩散连接，降温至室温，取出成形后的零件即含实体结构的四层薄壁网格零件，如图7所示。

对得到的含实体结构的四层薄壁网格零件进行强度校核及称重，结果为：

(1)与同等强度的铸造骨架外加蒙皮结构的零件相比，结构重量降低20％以上；

(2)与同等强度的铸造骨架外加蒙皮结构的零件相比，工艺流程减少了焊接环节，效率提升明显。