一种铝合金薄壁十字筋板结构的粉末高温高压近净成形方法
【专利摘要】本发明提出了一种铝合金薄壁十字筋板结构的粉末高温高压近净成形方法。该方法包括制备模具、包套和球形铝合金粉末、将模具和粉末装入包套、对包套进行抽真空处理、将已抽真空的包套进行热等静压处理、机械去除包套以及利用机械振动和人工去除的方法去除内部模具等步骤。本发提供的铝合金薄壁十字筋板结构的粉末高温高压近净成形方法是利用热等静压技术对铝合金粉末进行固结、成形并致密化，同时利用模具约束零件复杂的内部型腔，易于加工的外部形状则有包套自由成形，从而达到利用模具一次成形复杂型面零件的目的，这样不仅能够提高零件的成形效率、铝合金材料的利用率，而且得到的零件性能均匀、机械性能优异，并且零件的致密度高达99％以上。
【专利说明】一种铝合金薄壁十字筋板结构的粉末高温高压近净成形方法
【技术领域】
[0001]本发明属于航空宇航制造【技术领域】，特别是涉及一种铝合金薄壁十字筋板结构的粉末高温高压近净成形方法。
【背景技术】
[0002]为顺应我国航空航天产业的发展，满足我国战斗机的高性能要求，零件通常设计成具有较薄的腹板和较高的内筋的中空结构，以达到减重的需要。这类零件一般形状复杂，且要求尺寸精度高、内部质量稳定，这给构件的成形带来了较大的困难。传统的成形工艺多采用分体制造拼焊或者大块材料“整体掏空”的方法。采用分体制造加拼焊的工艺，由于铝合金本身焊接性的限制，焊缝处存在较多的缺陷，难以保证零件的质量；“整体掏空”的方式，不仅机加工时间长，而且会造成原材料的大量浪费。
[0003]粉末高温高压成形技术一一热等静压技术是上世纪50年代发展起来的一种集粉末的固结成形和烧结处理于一体的技术。在高温高压下实现粉末材料的固结成形、铸件的致密化处理以及不同材料的扩散连接。该技术将粉末压制和烧结两道工序合并为一步，可实现粉末材料的99%的致密化，且材料性能保持各向同性。但是仅仅使用热等静压技术却无法单独成型薄壁十字筋板结构的铝合金零件。
【发明内容】
[0004]为了解决上述问题，本发明提供的铝合金薄壁十字筋板零件的粉末热等静压成型方法包括按顺序进行的下列步骤:
[0005]I)根据铝合金薄壁十字筋板的形状制备出模具，该模具具有底座和四个楔块组成，模具由底端到顶端逐渐曲面过渡变薄，四个楔块形成的十字模腔部分为铝合金薄壁十字筋板的形状。
[0006]2)根据模具的外形尺寸制备出包套，该包套包括筒体、下盖板以及带有抽真空管的上盖板。
[0007]3)根据铝合金薄壁内十字筋板零件的材料要求，利用等离子旋转电极法制备出球形铝合金粉末，并且筛分出100?200目区间的粉末备用。
[0008]4)将模具以底座朝下的方式装入筒体内部，由于模具材料较软，采用人工打磨的方式实现模具和包套的紧密配合，以防止模具在热等静压成形的过程中的错位和移动，模具中的十字形模腔形成粉末的存储空间，然后将上述制备好的球形铝合金粉末装入筒体内，并通过机械振动或者人工振动使其密实；
[0009]5)将上盖板放置在筒体上端口并封焊好；
[0010]6)将上述装有模具的包套放置在加热炉中加热，在高温下利用抽真空的设备通过真空管对包套内部进行抽真空处理；
[0011]7)将上述已经抽真空的包套放置在热等静压设备中，在高温高压下使球形铝合金粉末固结成形，在内部模具的作用下，形成薄壁十字内筋结构；
[0012]8)利用机械加工的方法去除包套，并加工零件的外部形状；
[0013]9)利用机械振动和人工去除的方式将内部的模具去除，最终成形具有薄壁十字内筋的铝合金零件。
[0014]10)所述步骤I中t旲具的材料为尚纯石墨；
[0015]11)所述步骤6中加热炉的温度为350°C，包套内部的真空度达到10_6Pa ；
[0016]12)所述步骤7中热等静压工艺参数为在I小时内使热等静压设备的温度升温到500°C，保温时间为2小时；同时在I小时内使热等静压设备的内部压力达到120MPa，同时保压2小时，之后将炉温冷却到室温。
[0017]13)本发明提供的铝合金薄壁十字内筋机构零件成形方法是利用热等静压技术对铝合金粉末进行固结成形使其致密化，同时利用内部模具约束内部复杂筋板的成形，零件较为简单且易于加工的外部型面通过包套和后期机加工的方式成形，这样可以达到利用模具一次成形复杂型面零件的目的，可以提高零件的成形效率，节约原材料，且零件的机械性能优异，各向同性，致密度达到99%以上。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为采用本发明提供的铝合金薄壁十字筋板结构热等静压近净成型方法成型零件时所使用的模具结构示意图
[0019]图2为采用本发明提供的铝合金薄壁十字筋板结构热等静压近净成型方法成型零件时所使用的包套结构示意图。
[0020]图3为采用本发明提供的铝合金薄壁十字筋板结构热等静压近净成型方法成型零件时模具嵌入包套内的结构示意图。
[0021]图4为采用本发明提供的铝合金薄壁十字筋板结构热等静压近净成型方法成型零件时机加工的半成品示意图
[0022]图5为采用本发明提供的铝合金薄壁十字筋板结构热等静压近净成型方法成型零件时机加工的成品示意图
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和具体的实施例对本发明提供的铝合金薄壁十字筋板结构粉末热等静压近净成形方法进行详细说明。
[0024]如图1一图5所示，本发明提供的铝合金薄壁十字筋板结构粉末热等静压成形方法包括
[0025]按顺序进行的下列步骤:
[0026]I)根据薄壁十字筋板零件的结构制备出如图1所示的模具1，该模具由四块楔形模块2组成十字筋板的模腔，四块楔形模块与圆形底座3连成一体；楔形模块的外表面形成内腔的外表面形状，十字模腔形成薄壁铝合金十字筋板；模具I采用高纯石墨材料制成。
[0027]I)根据模具I的形状和零件10的外形尺寸，制备出如图2所示的包套4。该包套包括筒体5、下盖板6以及带有抽真空管7的上盖板8，为防止包套在热等静压时发生侧漏并且方便焊接，包套上下盖板设计成u形；包套采用工业纯铝材料制成；包套的高度以及包套和模具之间的距离尺寸根据所需填充的铝合金粉末层的厚度来确定。
[0028]2)根据铝合金薄壁十字筋板结构零件的需求，利用等离子旋转电极法制备出铝合金2A12粉末9，并筛分出100-200目的粉末备用。
[0029]3)将模具I的底座3嵌入到包套筒体中，并与下盖板6相接触，由于模具材料较软，通过人工打磨的模式便可实现模具和包套筒体5的过盈配合，将上述制备好的铝合金粉末9装入包套内，采用机械振动或者人工振动的方式使其充分密实；使用球形铝合金粉末9的目的是使其便于流动，能够充分装填模具I的狭缝结构。
[0030]4)将u形结构带有抽真空管7的上盖板8嵌入到包套筒体中，并焊封好，如图3所不O
[0031]5)将上述装有模具I的包套4置于加热炉中，加热炉的温度为350°C，然后在高温下通过真空设备利用抽真空管7对包套4进行抽真空处理，包套内部的真空度达到10_6Pa。
[0032]6)将上述已抽真空包套4置于热等静压设备中进行热等静压处理，热等静压处理的条件为I小时内使热等静压设备的温度升温到500°C，保温时间为2小时；同时在I小时内使热等静压设备的内部压力达到120MPa，同时保压2小时，之后将炉温冷却到室温，以使球形铝合金粉末固结成形形成整体的铝合金薄壁十字筋板结构11。
[0033]7)利用机械加工的方法去除包套4，然后通过整体机械加工的方法加工零件的外部形貌，得到铝合金薄壁十字筋板结构半成品10 ;内部模具I通过机械振动或者人工打磨的方式去除，得到最终的铝合金薄壁十字筋板结构加工成品11。
[0034]8)根据所形成的铝合金薄壁十字筋板零件11结构和内腔形状的不同，模具I的形状也不同，热等静压的处理条件将根据粉末9原材料和零件11的形状进行相应的调整。
【权利要求】
1.一种铝合金薄壁十字筋板结构的粉末高温高压近净成形方法，其特征在于:所述的铝合金薄壁十字筋板结构粉末高温高压近净成形方法包括按顺序进行的下列步骤: 1)根据铝合金薄壁十字筋板结构(11)的形状制备出模具(1)，该模具由四块楔形模块(2)组成十字筋板的模腔，四块楔形模块(2)与圆形底座(3)连成一体；楔形模块的外表面形成内腔的外表面形状，十字模腔形成薄壁铝合金十字筋板； 2)根据模具(I)和铝合金薄壁十字筋板结构零件(11)的形状制备出包套，该包套包括筒体(5)、下盖板￠)以及带有抽真空管(7)的上盖板(8)，为防止包套在热等静压时发生侧漏并且方便焊接，包套上下盖板(8)设计成u形；其中下盖板(6)安装在筒体(5)的下端。 3)根据铝合金薄壁十字筋板结构零件(10)的材料需求，利用等离子旋转电极法制备出球形铝合金粉末(9)，并筛分出100-200目的粉末备用。 4)将模具(I)的底座(3)嵌入到包套筒体(5)中，并与下盖板(6)相接触，将上述制备好的铝合金粉末(9)装入包套内，采用机械振动或者人工振动的方式使其充分密实 5)将具有u形结构上盖板(8)嵌入到筒体(5)中，并焊封好。 6)将上述装有模具(I)的包套(4)放置在加热炉中加热，在高温下利用抽真空的设备通过真空管(7)对包套(4)内部进行抽真空处理。 7)将上述已经抽真空的包套(4)放置在热等静压设备中，在高温高压下使球形铝合金粉末固结成形，在内部模具(I)的作用下，形成铝合金粉末薄壁十字内筋结构(11)。 8)利用机械加工的方法去除包套(4)，利用常规的机加工方法加工出铝合金粉末薄壁十字内筋结构(11)的外部形状，由此得到内部嵌有模具(I)的铝合金薄壁十字筋板结构(11)的半成品(10)。 9)利用机械振动和人工去除的方式将内部的模具(I)去除，最终成形具有薄壁十字内筋的铝合金零件(11)。
2.权利要求1所述的一种铝合金薄壁十字筋板结构的粉末热等静压近净成形方法，其特征在于所述步骤I中模具(I)材料采用高纯石墨，通过人工打磨的方式将石墨模具嵌入到包套筒体(5)中。
3.权利要求1所述的一种铝合金薄壁十字筋板结构的粉末热等静压近净成形方法，其特征在于所述步骤2中包套(4)的材料为工业纯铝1060。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金薄壁十字筋板结构的粉末热等静压近净成形方法，其特征在于所述的步骤6)中加热炉的温度为350°C ;包套(4)内部的真空度为10_6Pa。
5.根据权利要求1所述的一种铝合金薄壁十字筋板结构的粉末热等静压近净成形方法，其特征在于所述步骤7)热等静压处理条件I小时内使热等静压设备的温度升温到500°C，保温时间为2小时；同时在I小时内使热等静压设备的内部压力达到120MPa，同时保压2小时，之后将炉温冷却到室温。
【文档编号】B22F3/03GK104439238SQ201410809032
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月23日 优先权日:2014年12月16日
【发明者】郎利辉, 王刚 申请人:北京航空航天大学