一种Ti2AlNb/TA15双金属钛合金复合空心结构的制备方法与流程

本发明属于钛合金加工技术领域，具体涉及一种Ti2AlNb/TA15双金属钛合金复合空心结构制备方法。

背景技术：

弹道-巡航组合导弹(简称组合导弹)是我国的新一代远程精确打击新概念导弹武器系统，弹道-巡航组合导弹将弹道导弹和巡航导弹技术进行有机融合。采用“助推－无动力滑翔－有动力巡航”的新型弹道实现远程精确打击。组合导弹飞行前半段为惯性抛物线型弹道，具有弹道导弹大气层外惯性飞行特点；弹道后半段，导弹在大气层内再入机动巡航飞行，具有巡航导弹的特点。

组合导弹舵翼面服役条件的复杂性，使其构件研制不仅是材料研制与成形工艺开发的问题，必须以一个完整的结构系统来考虑。要同时实现多目标使用要求，需要对传统结构形式、材料选择与成形工艺总结分析基础上的创新，需要将材料、结构设计、制造工艺进行高度一体化融合。对于舵翼面高温轻质结构材料，其长时使用温度要求在650～750℃之间，短时使用温度要达到800℃。高温合金在使用温度上能满足要求，然而高温合金比重大，不利于减重。在钛铝系合金中，以O相为基础的Ti2AlNb钛合金，由于长程有序的超点阵结构减少了位错运动和高温扩散，使其具有优良的高温性能(比强度、比刚度、高温蠕变抗力、抗氧化性、耐热性、阻燃性能)，能在700～800℃范围内长时间使用。而且，其密度远低于镍基高温合金，因而已经成为最具潜力的航空航天高温结构材料。而Ti2AlNb合金由于Nb含量高，高温成形时容易氧化、超塑变形机理复杂、超点阵结构的扩散激活能高，其超塑性能和扩散连接性能不如TA15和TC4钛合金，在980℃的超塑成形温度下和1×10^-4s^-1应变速率下其最大延伸率只有300％左右，仅为TA15和TC4合金的1/3-1/4，流变应力是TA15的近5倍，导致该合金成形温度高，成形加载气体压力大，工艺实现非常困难。

Ti2AlNb/TA15双金属钛合金超塑成形/扩散连接工艺充分利用Ti2AlNb基合金在使用中耐高温的特点，将其作为外层，也结合了TA15合金在工艺中扩散连接性能优异和超塑性好的优点，可使成形窗口变宽，芯层设计自由度大，可将芯层方格设计的更密集，从而提高零件的整体强度和刚度，同时由于TA15合金密度低于Ti2AlNb基合金还能实现一定程度的减重。

其次，TA15合金在材料成本上只有Ti2AlNb合金的1/4，这种结构形式可降低成本40％左右。采用Ti2AlNb/TA15合金还可将成形温度和气体加载压力大幅度降低，对设备要求低，有利于工艺实现，再者较低的成形温度有利于材料性能的保持，使材料在高温成形后性能损失小。

因此，开展Ti2AlNb/TA15双金属钛合金超塑成形/扩散连接工艺研究，完成组合导弹轻量化结构的研制，对新型号的研制和Ti2AlNb合金的工程化应用具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种Ti2AlNb/TA15双金属钛合金复合空心结构零件制备方法，以解决Ti2AlNb合金多层结构制备中超塑性差，设计自由度低，成形温度高，成形压力大，工艺窗口狭窄等问题。

本发明的技术解决方案：一种Ti2AlNb钛合金多层空心结构制备工艺，通过以下步骤实现：

第一步，坯料准备，

按设计尺寸要求下料得到上层外层板、上层芯层板、下层芯层板和下层外层板；所述第一步中上层外层板和下层外层板均采用Ti2AlNb合金；上层芯层板和下层芯层板采用TA15合金；

第二步，上层外层板和下层外层板表面处理

上层外层板和下层外层板均为Ti2AlNb金属间化合物，其酸洗工艺有别于普通钛合金，配置Ti2AlNb金属间化合物酸洗液对钛合金进行表面处理,酸洗液采用65％HNO3，两者均为化学纯，其体积配比为65％HNO3:H2O＝1：9酸洗时间为30分钟；

第三步，上层芯层板或下层芯层板上画线，并进行表面酸洗处理；配置钛合金酸洗液对钛合金进行表面处理，酸洗液采用10％HF和65％HNO3，两者均为化学纯，其体积配比为10％HF:65％HNO3:H2O＝1：9：10,酸洗时间为15分钟；

第四步，在画线芯层板上涂敷止焊剂；

第五步，组焊

将上层外层板、上层芯层板、下层芯层板、下层外层板共四层板叠放组焊，组装焊接用氩弧焊接可实现，由于Ti2AlNb/TA15为异种材料的熔焊，两者材料成分和热物性的差异较大，选用焊丝时可选用和两种材料成分接近的焊丝，本发明中经试验摸索，发现TA1焊丝可实现两种的焊接，焊缝密封性好，能够满足超塑成形/扩散连接封焊工艺实现；

第六步，装炉、加热升温

将封焊好后零件装入模具中定位并合模；入炉后升温，设定最高加热温度945℃，并在该温度保温，使模具充分受热，此时压力机应开始加载保证周边在刚性加载的情况下能够扩散连接；此压力应始终加载的模具上，直至试验结束。

第七步，外层胀形，

在外层充氩气胀形使上层外层板和下外层板超塑胀形贴膜；同时使上层芯层板和下层芯层板实现扩散连接，外层的最大进气压力2.0MPa，保压时间120分钟。

第八步，内层进气胀形；

在内层充氩气胀形使使上层芯层板和下层芯层板实现超塑成形，并最终和上层外层板和下外层板实现扩散连接。内层的最大进气压力2.5MPa，进气速率0.1MPa/10min，保压时间150分钟。

第九步，出炉，

内层进气完毕后降温，得到Ti2AlNb/TA15双金属钛合金多层空心结构。

本发明与现有技术相比的有益效果：

本发明提供一种适用于Ti2AlNb钛合金的多层空心结构制备工艺。Ti2AlNb基合金其超塑成形温度高达980℃，而且其超塑性低，流变应力高，该材料在进行超塑成形/扩散连接工艺时，其工艺窗口窄，成形工艺难以控制，较低的材料延伸率也会使得多层空心结构芯层设计自由度也很小。

Ti2AlNb/TA15双金属钛合金超塑成形/扩散连接工艺充分利用Ti2AlNb基合金在使用中耐高温的特点，将其作为外层，也结合了TA15合金在工艺中扩散连接性能优异和超塑性好的优点，可使成形窗口变宽，芯层设计自由度大，可将芯层方格设计的更密集，从而提高零件的整体强度和刚度，同时由于TA15合金密度低于Ti2AlNb基合金还能实现一定程度的减重。

其次，TA15合金在材料成本上只有Ti2AlNb合金的1/4，这种结构形式可降低成本40％左右。采用Ti2AlNb/TA15合金还可将成形温度和气体加载压力大幅度降低，对设备要求低，有利于工艺实现，再者较低的成形温度有利于材料性能的保持，使材料在高温成形后性能损失小。

附图说明

本发明共6幅附图

图1为本发明芯层画线及止焊剂涂覆示意图；

图2为本发明的外层超塑成形及芯层和外层扩散连接示意图；

图3为本发明的外层超塑成形过程示意图；

图4为本发明成形零件示意图；

图5为本发明流程图；

图6为本发明结构形式图；

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例采用的材料为Ti2AlNb合金5和TA15合金6。

本发明如图5所示，通过以下步骤实现：

1、坯料的准备

(1)用线切割或激光切割等方式准备上层芯层板2、下层芯层板3及外层板1和下层外层板4四层板料。

2.坯料画线、表面处理

(1)在上或下层芯层板2、3上画线。

(2)将四层坯料进行表面处理，表面处理可采用酸洗工艺或者机械打磨的方式去除氧化皮。

(3)在画好线的芯板上涂覆止焊剂，并预留气流通道t2，气流通道t2宽度为3mm左右。

3.封口焊接

(1)将经过表面处理的外层板1、4和表面处理芯板预成形件组装；

(2)将四层板坯固定后氩弧焊接封口，并焊接芯板进气管和外层板进气管(如图2所示)；

(3)封焊后进行检漏，确保不漏气、不串气。

4.合模、装炉升温

(1)将焊接进气管和坯料和超塑成形模具一起装入超塑成形设备中，加热升温，并对内外层板同时抽真空，加热到945±5℃保温60分钟，

(2)外层进气

压机机加载后，将外层抽真空状态切换到进气状态，外层进气到最大气压2.0Mpa，使外层超塑胀形贴模(如图4所示)，外层进气可在5～10分钟完成，并保持最大气压120分钟。

(5)内层进气

外层进气完毕后，切换到内层进气，内层进气速率必须缓慢进行，进气速率不超过0.1Mpa/10分钟，过快的进气速率会导致芯板变形破裂。最大进气压力可达到2.5Mpa，保压时间150分钟，得到的最终制品如图5，图6所示。