一种四层结构分步超塑成形-扩散连接方法与流程

本发明涉及精密钣金加工技术领域，尤其涉及一种四层结构分步超塑成形-扩散连接方法。

背景技术：

零件的超塑成形-扩散连接工艺是一种先进的轻量化成形方法，可加工制造中空带夹层结构，其生产的零部件已广范应用于航空航天、武器装备等领域。四层结构主要有工字加强筋型，十字加强筋型等，主要采用超塑成形-扩散连接工艺实现制造。常规制造四层结构时芯板的扩散连接、面板的超塑成形、芯板的超塑成形、芯板与面板的扩散连接均在一个热循环下完成。这就造成了芯板和面板要长达几个小时甚至更长时间的处于高温环境下，会降低材料性能。此外，常规过程周期长，工艺复杂，对工艺过程难以控制。为了复杂零件加工过程简单化，本发明提出了一种四层结构四层结构分步超塑成形-扩散连接方法来对每个步骤单独进行控制。

技术实现要素：

鉴于上述分析，本发明的目的在于，提供一种四层结构分步超塑成形-扩散连接方法，至少能够解决以下技术问题之一：(1)周期长；(2)工艺流程复杂，细节多，过程中任一小的偏差都会导致零件的报废，合格率低；(3)芯层超塑成形过程中的串气、芯层扩散处撕开以及面板沟槽。

为了达到上述目的，本发明主要通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种四层结构分步超塑成形-扩散连接方法，所述四层结构分步超塑成形-扩散连接方法包括如下步骤：

s1、在四层结构超塑成形-扩散连接模具中进行上面板和下面板的超塑成形；

s2、在四层结构超塑成形-扩散连接模具中进行上芯板与下芯板的扩散连接，得到芯板组件；

s3、将s2中扩散连接完成的芯板组件放入芯板超塑成形模具中进行超塑成形；

s4、将s1得到的上下面板与s3得到的超塑成形后的芯板组件进行装配并焊接封边得到四层结构组件；将四层结构组件装入四层结构超塑成形-扩散连接模具中合模，进行面板与芯板的扩散连接。

进一步，所述四层结构超塑成形-扩散连接模具包括第一上模、与所述第一上模匹配的第一下模和所述第一上模与第一下模之间的模具型腔，第一上模和第一下模均设置有通气槽，通气槽用于向模具型腔中通气。

进一步，所述芯板超塑成形模具包括气腔、第二上模和与所述第二上模匹配的第二下模，所述第二上模上设有多个上模立筋，所述第二下模上设有多个下模立筋；第二上模和第二下模均设置有通气槽，通气槽用于向气腔中通气。

进一步，所述上模立筋和所述下模立筋均设置单边2-3°的拔模斜度。

进一步，所述s1中，所述上面板和下面板的超塑成形包括如下步骤：将上面板坯料和下面板坯料放于四层结构超塑成形-扩散连接模具中合模，将模具升温至t1，在上下面板坯料之间以v1速率通入高压氩气至气压为p1后保压2-3小时。

进一步，所述s2中，上芯板与下芯板的扩散连接包括如下步骤：在上芯板坯料和下芯板坯料之间不需要扩散连接的部位喷涂隔离剂；将上芯板坯料和下芯板坯料放于四层结构超塑成形-扩散连接模具中合模，并将模具升温至t2；向上芯板坯料和下芯板坯料之间以v2速率通入高压氩气，待气压达到p2后保压2-3小时。

进一步，所述t2大于t1，所述v2大于v1。

进一步，所述s3中，所述超塑成形包括如下步骤：将芯板组件装入芯板超塑成形模具，装模时将上模立筋和下模立筋与芯板组件扩散连接区域对齐，并将模具升温至t3；向上芯板坯料和下芯板坯料之间以v3速率通入高压氩气，待气压达到p3后保压2-3小时。

进一步，所述s1之前，对上面板，上芯板，下芯板和下面板先进行抛光，再进行酸洗表面处理。

进一步，所述s4中，所述面板与芯板的扩散连接包括如下步骤：将模具升温至t4；向芯板的空腔内以v4速率通入高压氩气，待气压达到p4后保压2-3小时，实现面板与芯板的扩散连接。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

a)本发明提供的四层结构分步超塑成形-扩散连接方法采用分步法分别进行上面板和下面板的超塑成形、上芯板与下芯板的扩散连接、芯板组件的超塑成形和面板与芯板的扩散连接，使复杂零件加工过程简单化，对每个步骤单独进行控制，降低加工过程参数细节控制的难度，提高零件的合格率。

b)本发明提供的四层结构分步超塑成形-扩散连接方法避免了一体化工艺过程中芯板和面板要长达几个小时甚至更长时间的处于高温环境下，降低材料性能的问题。

c)本发明提供的四层结构分步超塑成形-扩散连接方法中芯板单独超塑成形后再进行芯板与面板的扩散连接能够避免因芯板超塑成形时对面板的摩擦力造成面板的表面沟槽缺陷；芯板扩散连接处被芯板超塑成形模具的上下模立筋压在中间，避免了芯板超塑成形过程的撕开问题。

d)本发明提供的四层结构分步超塑成形-扩散连接方法中扩散连接过程和超塑成形过程可实现一模多件生产，提高生产效率，缩短周期，降低成本。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例1中四层结构零件示意图；

图2为本发明实施例1中上芯板与下芯板结构示意图；

图3为本发明实施例2中四层结构超塑成形-扩散连接模具示意图；

图4为本发明实施例3中芯板超塑成形模具示意图；

图5为本发明实施例5中超塑成形后的上下面板示意图；

图6为本发明对比例1中一体成型方法制备5a90铝锂合金四层结构的示意图。

附图标记：

1-上面板；2-上芯板；3-下芯板；4-下面板；5-上模立筋；6-下模立筋；7-第一上模；8-第一下模；9-第二上模；10-第二下模。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本实施例提供了一种四层结构零件，如图1-2所示，四层结构零件从上到下依次为上面板1，上芯板2，下芯板3和下面板4，上芯板2和下芯板3之间有多条立筋。

实施例2

本实施例提供了一种四层结构超塑成形-扩散连接模具，如图3所示，四层结构超塑成形-扩散连接模具包括第一上模7、与第一上模7匹配的第一下模8和第一上模7与第一下模8之间的模具型腔；第一上模7和第一下模8上均设置有通气槽，通气槽用于向模具型腔中通气。

实施例3

本实施例提供了一种芯板超塑成形模具，如图4所示，芯板超塑成形模具包括气腔、第二上模9和与第二上模9匹配的第二下模10，第二上模9上设有多个上模立筋5，第二下模10上设有多个下模立筋6；第二上模9和第二下模10上均设置有通气槽，通气槽用于向气腔中通气。为了便于脱模，上模立筋5和下模立筋6均设置单边2-3°的拔模斜度，拔模斜度太小脱模困难，拔模斜度太大则后续成形过程还会继续减薄。

优选的，拔模斜度为2°。

实施时，将扩散连接完成后的芯板组件放入芯板超塑成形模具中进行超塑成形时，芯板超塑成形模具的上模立筋和下模立筋应与芯板扩散连接处对齐；芯板超塑成形完成后，芯板在上下模立筋两侧贴合。

具体的，上模立筋和下模立筋的宽度与芯板扩散连接区域的宽度相等。

与现有技术相比，本申请提供的芯板超塑成形模具优点如下：(1)设置上模立筋和下模立筋，实施时芯板扩散连接处被上模立筋和下模立筋压在中间，避免了芯板超塑成形过程的撕开问题；(2)芯板超塑成形模具将上芯板和下芯板夹在中间，避免了超塑成形时芯板在自身重力下的下垂变形，保证了上芯板与下芯板的变形均匀。

实施例4

本实施例提供了一种四层结构分步超塑成形-扩散连接方法，包括如下步骤：

s1、在四层结构超塑成形-扩散连接模具中进行上面板和下面板的超塑成形。

具体的，上面板和下面板的超塑成形过程包括如下步骤：将上面板坯料和下面板坯料放于四层结构超塑成形-扩散连接模具中合模，将模具升温至t1，通过通气道在上下面板坯料之间以v1速率通入高压氩气至气压为2.0-3.0mpa后保压2-3小时。考虑到气压太低或保压时间短则成形不到位，若气压太大则密封性会变得较难，因此，控制通入高压氩气至气压为2.0-3.0mpa后保压2-3小时。

具体的，t1应保证在该温度下材料的延伸率最好。

考虑到通气速率过大容易导致面板变形不均匀而吹漏；通气速率过小则容易导致面板在高温下时间长晶粒长大明显，影响性能。因此，控制v1为0.03-0.05mpa/min，优选的，v1为0.04mpa/min。

s2、在四层结构超塑成形-扩散连接模具中进行上芯板与下芯板的扩散连接，得到芯板组件。

具体的，s2中上芯板与下芯板的扩散连接包括如下步骤：在上芯板坯料和下芯板坯料之间不需要扩散连接的部位喷涂隔离剂。将上芯板坯料和下芯板坯料放于四层结构超塑成形-扩散连接模具中合模，并将模具升温至t2；向上芯板坯料和下芯板坯料之间以v2速率通入高压氩气，待气压达到2.5-3.5mpa后保压2-3小时。

考虑到气压太低或保压时间短扩散连接效果不好，若气压太大则密封性会变得较难，因此控制气压达到2.5-3.5mpa后保压2-3小时。

具体的，t2应保证面板在该温度下扩散连接效果最好。

具体的，v2为0.08-0.15mpa/min，优选的，v2为0.1mpa/min，通气速率过大对管子和气密性要求大，通气速率过小则面板在高温下时间长晶粒长大明显，影响性能。

s3、将s2中扩散连接完成的芯板组件放入芯板超塑成形模具中进行超塑成形。

具体的，超塑成形包括如下步骤：将芯板组件装入芯板超塑成形模具，装模时将上模立筋和下模立筋与芯板组件扩散连接区域对齐，保证上模和下模闭合后将芯板组件的扩散连接区域压在中间；并将模具升温至t3；向上芯板坯料和下芯板坯料之间以v3速率通入高压氩气，待气压达到2.0-3.0mpa后保压2-3小时。

具体的，v3为0.01-0.25mpa/min，优选的，v3为0.02mpa/min。

s4、将步骤s1得到的上下面板与步骤s3得到的超塑成形后的芯板组件进行装配并焊接封边得到四层结构组件；将四层结构组件装入四层结构超塑成形-扩散连接模具中合模，进行面板与芯板的扩散连接，扩散连接包括如下步骤：将模具升温至t4；向芯板的空腔内以v4速率通入高压氩气，待气压达到2.5-3.5mpa后保压2-3小时，实现面板与芯板的扩散连接，同时也实现了芯板立筋间的扩散连接。

具体的，v4为0.08-0.15mpa/min，优选的，v4为0.1mpa/min。

具体的，s1之前，需要对上面板，上芯板，下芯板和下面板先进行抛光，再进行酸洗表面处理，抛光的目的是为了使面板表面厚的氧化皮变薄便于去除，保证上面板，上芯板，下芯板和下面板具有一定的光洁度，酸洗的目的是去除表面的氧化皮。

与现有技术相比，本发明提供的四层结构分步超塑成形-扩散连接方法将采用分步法分别进行上面板和下面板的超塑成形、上芯板与下芯板的扩散连接、芯板组件的超塑成形和面板与芯板的扩散连接，使复杂零件加工过程简单化，对每个步骤单独进行控制，降低加工过程参数细节控制的难度，提高零件的合格率；避免了一体化工艺过程中芯板和面板要长达几个小时甚至更长时间的处于高温环境下，降低材料性能的问题；芯板单独超塑成形后再进行芯板与面板的扩散连接能够避免因芯板超塑成形时对面板的摩擦力造成面板的表面沟槽缺陷；芯板扩散连接处被芯板超塑成形模具的上下模立筋压在中间，避免了芯板超塑成形过程的撕开问题；扩散连接过程和超塑成形过程可实现一模多件生产，提高生产效率，缩短周期，降低成本；本申请中面板超塑成形和芯板扩散连接过程合格率均在95％以上，芯板超塑成形过程合格率为80％以上，芯板与面板的扩散连接过程合格率为90％以上，最终成品合格率为80％以上。而现有技术的合格率基本在60％以下，大大提高了合格率。

实施例5

本实施例提供了一种5a90铝锂合金的四层结构分步超塑成形-扩散连接方法。采用例如实施例4提供的方法，包括如下步骤：

步骤一、根据5a90铝锂合金四层结构的形状设计制作四层结构超塑成形-扩散连接模具，根据5a90铝锂合金四层结构的内部加强筋结构设计制作芯板超塑成形模具。

步骤二、对上面板，上芯板，下芯板和下面板先进行抛光，再进行酸洗表面处理；在四层结构超塑成形-扩散连接模具中进行上面板与下面板的超塑成形。将面板坯料放于模具中合模，并将模具升温至400℃；向上下面板之间以0.04mpa/min的速率通入高压氩气，待气压达到2.0mpa后保压2小时。成形后的上下面板如图5所示。

步骤三、在四层结构超塑成形-扩散连接模具中进行上芯板与下芯板的扩散连接。根据5a90铝锂合金四层结构内部加强筋结构，在上芯板和下芯板之间制作并喷涂隔离剂图案；将芯板坯料放于模具中合模，并将模具升温至540℃；向上下面板之间以0.1mpa/min的速率通入高压氩气，待气压达到3.0mpa后保压2小时。

步骤四、在芯板超塑成形模具中进行芯板的超塑成形过程。将步骤三得到的芯板组件放入芯板超塑成形模具中，装模时将上下模立筋与芯板扩散连接区域对齐并合模；将模具升温至400℃；向上下面板之间以0.02mpa/min的速率通入高压氩气，待气压达到2.0mpa后保压2小时。

步骤五、在四层结构超塑成形-扩散连接模具中进行芯板与面板，芯板立筋间的扩散连接。将步骤二得到的面板与步骤四得到的芯板组件装配焊接后装入四层结构超塑成形-扩散连接模具中；将模具升温至540℃，并向芯板空腔以0.1mpa/min的速率通入高压氩气，待气压达到3.0mpa后保压2小时。如此完成某5a90铝锂合金四层结构的制造。

本实施例中进行20件零件制备，面板超塑成形和芯板扩散连接过程合格率为95％，芯板超塑成形过程合格率为90％，芯板与面板的扩散连接过程合格率为90％，最终成品合格率为85％。而现有技术的合格率基本在60％以下，大大提高了合格率。

对比例1

本对比例采用现有一体成型方法制备5a90铝锂合金四层结构的零件，如图6所示。

现有技术在进行四层结构超塑成形-扩散连接时，四层板坯料放于上下模之间。待模具温度升高至超塑成形温度t1时向上面板与上芯板以及下面板与下芯板间通入气压p1，进行上面板和下面板的超塑成形过程；之后将模具温度升高至扩散连接温度t2并向上面板与上芯板以及下面板与下芯板间通入气压p2，实现芯板间的扩散连接过程；接着将模具温度降至超塑成形温度t1，向芯板之间通入气压p1，进行芯板的超塑成形过程；在高气压作用下，芯板逐渐鼓起并向模具方向的面板贴合；待芯板与面板完全贴合且芯板与芯板立筋处完全贴合后将模具温度升高至扩散连接温度t2并向芯板之间通入气压p2，进行面板与芯板的扩散连接过程。

对比例中进行20件零件制备，对比例中完成1件四层结构的零件的时间为20小时，零件合格率为60％。

通过实施例5和对比例1的结果对比可知，本发明提供的四层结构分步超塑成形-扩散连接方法采用分步法分别进行上面板和下面板的超塑成形、上芯板与下芯板的扩散连接、芯板组件的超塑成形和面板与芯板的扩散连接；而对比例由于材料的超塑成形温度和扩散连接温度不同，在一体化工艺过程中需要反复的升温和降温，造成很长的生产周期。本发明避免了一体化工艺过程中芯板和面板要长达十几个小时甚至更长时间的处于高温环境下，降低材料性能的问题；提高了零件合格率，零件合格率提高至85％，较现有技术中零件合格率为60％显著提高。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。