一种钛合金轻量化加强翼面的制造方法与流程

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制造方法。

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、整体刚性弱，并且制备工艺复杂等问题。

虽然超塑成形/扩散连接技术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。

由于翼面在高速运动的时候会和空气摩擦产生大量的热量，高温的翼面会使翼面的整体强度降低、刚性变差，严重影响翼面的性能指标。

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并能增强翼面强度，结合面的金相组织均匀的钛合金轻量化加强翼面的制造方法，该方法生产的产品型面精度好，强度高，结构减重超过30%，同时通过在翼面内部注入冷却液，并且使冷却液沿着多个通气孔形成的蛇形通道循环,可以使翼面获得良好的散热效果。

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制造方法，其特征在于，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、下格栅板及侧板；

（3）板材成型：对上蒙板、下蒙板及侧板预成型，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涂覆区和多个十字形扩散区，每个所述扩散区上留有通气槽，所述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，多个通气槽连通为一蛇形通道，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入口和内层出口，所述内层入口和内层出口分别与蛇形通道的首尾相连通；翼面前端设有侧板，将上蒙板、下蒙板及侧板封焊，侧板上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880～940℃；压机先通过外层进气口加压1～1.5mpa并保温3～4h，使上蒙板、下蒙板及侧板超塑成型，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；压机再通过内层入口加压1～1.5mpa并保温3～4h，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，侧板分别与上格栅、下格栅及上芯层板、下芯层板超塑成形后的结构进行扩散连接,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，再进行抛光处理；

（11）注入冷却液及冷却液的循环：从内层入口注入冷却液，并将外层进气口和外层出气口封闭，内层入口和内层出口还分别与循环泵连接。

上述的钛合金轻量化加强翼面的制造方法，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制造方法，其中,步骤（4）中清洁剂为丙酮。

上述的钛合金轻量化加强翼面的制造方法，其中,步骤（5）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制造方法，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制造方法，其中,步骤（11）中的冷却液为水或超导液。

上述的钛合金轻量化加强翼面的制造方法，其中,步骤（9）中的真空度为10^-2pa，升温至880℃，外层进气口加压为1.5mpa,保温2h；内层入口加压为1mpa，保温4h。

上述的钛合金轻量化加强翼面的制造方法，其中,步骤（9）中真空度为10^-3pa，升温至900℃，外层进气口加压为1.3mpa,保温3h；内层入口加压为1.1mpa，保温2.5h。

上述的钛合金轻量化加强翼面的制造方法，其中,步骤（9）中真空度为10^-5pa，升温至940℃，外层进气口加压为1mpa,保温4h；内层入口加压为1.5mpa，保温2h。

上述的钛合金轻量化加强翼面的制造方法，其中,步骤（2）中所述上蒙板、下蒙板、上芯层板、下芯层板及侧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、下芯层板与上、下蒙板有机的成为一体，大大增强了翼面的强度；通过在翼面内注入冷却液，通过循环泵加速冷却液的循环，可以有效降低翼面与空气摩擦产生的热量。

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为本发明去除侧板的翼面在模具中的结构示意图；

图4为本发明去除侧板的翼面超塑成形/扩散连接完成后的结构示意图；

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为本发明下芯层板涂覆止焊剂分布示意图。

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、侧板；9、涂覆区；10、扩散区；11、通气槽；12、蛇形通道；13、循环泵；a、翼面；a、外层进气口；b、外层出气口；c、内层入口；d、内层出口。

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，本发明一种钛合金轻量化加强翼面的制造方法，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及侧板8，上蒙板1、下蒙板2、上芯层板5、下芯层板6及侧板8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及侧板8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的下缘通气孔7与下格栅板41的上缘通气孔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间隔分布多个涂覆区9和多个十字形扩散区10，每个扩散区10上留有通气槽11，涂覆区9和通气槽11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10与下格栅4、上格栅3相对应，多个通气槽11连通为一蛇形通道12，通气槽11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，当内层入口c加入气压时，气压能沿着多个通气孔7所形成的蛇形通道12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/扩散连接的中间过程如图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，将上芯层板5与下芯层板6封焊并预留出内层入口c和内层出口d，内层入口c和内层出口d分别与蛇形通道12的首尾相连通；翼面a前端设有侧板8，将上蒙板1、下蒙板2及侧板8封焊，侧板8上预留出外层进气口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a抽真空，真空度为10^-2～10^-5pa，升温至880～940℃；压机先通过外层进气口a加压1～1.5mpa并保温3～4h，使上蒙板1、下蒙板2及侧板8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；压机再通过内层入口c加压1～1.5mpa并保温3～4h，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，侧板8分别与上格栅3、下格栅4及上芯层板5、下芯层板6超塑成形后的结构进行扩散连接,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a进行精加工去除余量边，再进行抛光处理；

（11）注入冷却液及冷却液的循环：由于下芯层板6上的通气槽11分别与上格栅板31的下缘通气孔7及下格栅板41的上缘通气孔7相应，且通气槽11上涂覆有止焊剂，所以在上芯层板5与下芯层板6超塑成形的过程中，通气孔7不会出现扩散连接被封闭的情形，当上芯层板5与下芯层板6超塑成形/扩散连接完成后，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仍然保留，多个通气孔7首尾连通成为一个蛇形通道12，该蛇形通道12的首端与内层入口c连通，其尾端与内层出口d连通；从内层入口c注入冷却液，并将外层进气口a和外层出气口b封闭，冷却液为水或超导液；内层入口c和内层出口d分别与循环泵13连接；翼面a内的冷却液经连通的通气孔7注满整个翼面a内腔；通过循环泵13将冷却液沿着多个通气孔7所形成的蛇形通道12进行冷却液的循环，大大提高了冷却液循环的效率。图7所示的虚线为冷却液的蛇形通道12，通过冷却液的循环提高了翼面a的冷却效果。

实施例一：

如图1-7所示，一种钛合金轻量化加强翼面的制造方法，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及侧板8，上蒙板1、下蒙板2、上芯层板5、下芯层板6及侧板8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及侧板8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间隔分布多个涂覆区9和多个十字形扩散区10，每个扩散区10上留有通气槽11，涂覆区9和通气槽11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10与下格栅4、上格栅3相对应，多个通气槽11连通为一蛇形通道12，通气槽11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，当内层入口c加入气压时，气压能沿着多个通气孔7所形成的蛇形通道12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/扩散连接的中间过程如图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，将上芯层板5与下芯层板6封焊并预留出内层入口c和内层出口d，内层入口c和内层出口d分别与蛇形通道12的首尾相连通；翼面a前端设有侧板8，将上蒙板1、下蒙板2及侧板8封焊，侧板8上预留出外层进气口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a抽真空，真空度为10^-2pa，升温至880℃；压机先通过外层进气口a加压1.5mpa并保温2h，使上蒙板1、下蒙板2及侧板8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；压机再通过内层入口c加压1mpa，并保温4h，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，侧板8分别与上格栅3、下格栅4及上芯层板5、下芯层板6超塑成形后的结构进行扩散连接,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a进行精加工去除余量边，进行抛光处理；

（11）注入冷却液及冷却液的循环：由于下芯层板6上的通气槽11分别与上格栅板31的下缘通气孔7及下格栅板41的上缘通气孔7相应，且通气槽11上涂覆有止焊剂，所以在上芯层板5与下芯层板6超塑成形的过程中，通气孔7不会出现扩散连接被封闭的情形，当上芯层板5与下芯层板6超塑成形/扩散连接完成后，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仍然保留，多个通气孔7首尾连通成为一个蛇形通道12，该蛇形通道12的首端与内层入口c连通，其尾端与内层出口d连通；从内层入口c注入冷却液，并将外层进气口a和外层出气口b封闭，冷却液为水或超导液；内层入口c和内层出口d分别与循环泵13连接；翼面a内的冷却液经连通的通气孔7注满整个翼面a内腔；通过循环泵13将冷却液沿着多个通气孔7所形成的蛇形通道12进行冷却液的循环，大大提高了冷却液循环的效率。图7所示的虚线为冷却液的蛇形通道12，通过冷却液的循环提高了翼面a的冷却效果。

实施例二：

与实施例一相比，其区别在于：

步骤（9）中翼面a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1.3mpa并保温3h，使上蒙板1、下蒙板2及侧板8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；压机再通过内层入口c加压1.1mpa，并保温2.5h，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，侧板8分别与上格栅3、下格栅4及上芯层板5、下芯层板6超塑成形后的结构进行扩散连接,卸载气压，模具随炉冷却至室温。

实施例三：

与实施例一相比，其区别在于：

步骤（9）中翼面a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1mpa并保温4h，使上蒙板1、下蒙板2及侧板8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；压机再通过内层入口c加压1.5mpa，并保温2h，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，侧板8分别与上格栅3、下格栅4及上芯层板5、下芯层板6超塑成形后的结构进行扩散连接,卸载气压，模具随炉冷却至室温。

本发明中的翼面内部上、下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机械强度，提高了生产效率，降低了制造成本。

本发明选择880～940℃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，时间过长，晶粒进一步长大，材料的可塑性就会下降。

通过在翼面a内注入冷却液，并通过循环泵13加速冷却液的循环，可以有效降低翼面a与空气高速摩擦产生的热量，保证了翼面a的机械性能的稳定性。

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。