本發明屬于金屬塑性加工技術領域，特別是涉及一種鈦合金耐熱蒙皮的超塑成形/擴散連接成形方法。

背景技術：

超塑成形/擴散連接(SPF/DB)技術自二十世紀70年代后取得迅速發展，它利用具有特定顯微組織的金屬材料在高溫區間優異的延伸率和良好的擴散性能，在熱循環中，通過施加適當壓力使材料的貼合部分進行擴散連接，分離部分進行超塑成形，從而成形出整體空心結構。利用該項技術能夠一次成形出形狀復雜的整體結構，同傳統的鉚接和焊接工藝相比，可有效提高材料利用率、縮短加工周期、降低制造成本。因此，鈦合金SPF/DB技術已成為一種先進的輕量化制造技術。以美國為首的發達國家大力推廣該技術在航空航天及軍事領域的應用，并取得了顯著效果。該項工藝在國內起步較晚，且技術難度較大，還不夠成熟，工程化水平不高。國內可以利用該技術進行產品生產的單位并不多見。

傳統技術成形耐熱蒙皮，采用先熱壓后鉚接、點焊或先超塑成形后熱壓、點焊的方式。采用SPF/DB組合技術一次成形出的耐熱蒙皮具有尺寸精度高、整體性能好等特點，且該工藝提高了零件結構整體化、加工周期短、制造成本低。

飛機耐熱蒙皮的形狀比較復雜，含有諸多局部增加結構，既要超塑成形出空心的增強結構，又要擴散連接為整體零件。零件擴散連接的面積約0.157m²，發生超塑變形區域的面積約0.17m²，超塑變形區域超過總面積的50％，且超塑成形區域的最小壁厚不得低于原材料厚度的70％，擴散連接的焊合率不低于90％。而目前鈦合金超塑成形/擴散連接技術最常見的應用是成形一些外形簡單的盆、球類零件，利用超塑成形/擴散連接成形復雜型面兩層結構零件則鮮見報道。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供一種材料利用率高、尺寸控制精度高、產品性能好的鈦合金耐熱蒙皮的超塑成形/擴散連接成形方法。

為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：

一種鈦合金耐熱蒙皮的超塑成形/擴散連接成形方法，包括以下步驟：

(1)模具制作：制作模具，包括上模和下模，根據制件的外形輪廓設計上模和下模的型腔，使上模和下模的型腔面與耐熱蒙皮外觀保持一致，并在上模和下模上分別加工定位孔、測溫孔、吊裝孔、通氣槽，并在上模的型腔面上設置若干排氣孔；

(2)坯料加工：先加工內、外蒙皮外輪廓，然后采用酸洗液清洗內、外蒙皮，并在內蒙皮上采用機械加工方式加工通氣孔；

(3)坯料止焊劑涂覆與封焊：在內、外蒙皮的超塑成形區域涂覆止焊劑，將涂好止焊劑的內、外蒙皮四邊對齊，封焊內、外蒙皮的四周，并將進氣管封焊到通氣孔的位置；

(4)裝模：將上模和下模清理干凈后涂覆一層脫模劑，將封焊好的內外蒙皮安裝在模具內，將模具放入超塑設備中；

(5)超塑成形和擴散連接：將超塑設備升溫，升溫過程中保持封焊好的內外蒙皮間10-3MPa以下的真空度，當模具溫度達到920～930℃時，對內、外蒙皮施加77～83T壓力，保壓110～130min，使未涂覆止焊劑的部位實現擴散連接；然后通過通氣孔向內、外蒙皮之間通入氬氣，達到0.8MPa時停止進氣，進入保壓狀態，保壓175～185min后實現超塑成形，卸載氣壓，零件和模具隨爐冷卻；

(6)出爐：當模具溫度冷卻到400℃以下,取出熱電偶，將模具和零件從設備平臺上吊至鉗工平臺，取出零件；

(7)加工：按照三維數模加工零件的外形尺寸，得到復雜型面的鈦合金耐熱蒙皮制件。

本發明鈦合金耐熱蒙皮的超塑成形/擴散連接成形方法，進一步的，步驟(2)中，對坯料進行加工之前，先根據耐熱蒙皮的外形尺寸計算坯料的理論展開尺寸，補加5mm～10mm工藝余量。

本發明鈦合金耐熱蒙皮的超塑成形/擴散連接成形方法，進一步的，步驟(2)中，酸洗液的組分包括硝酸、氫氟酸和水，體積比為：

硝酸(質量濃度65％～68％) 15～45％

氫氟酸(質量濃度40％) 2～10％

水 余量。

本發明鈦合金耐熱蒙皮的超塑成形/擴散連接成形方法，進一步的，所述酸洗液的溫度為18～45℃，酸洗時間為2～15min。

本發明鈦合金耐熱蒙皮的超塑成形/擴散連接成形方法，進一步的，步驟(3)中，所述 止焊劑采用氮化硼或氧化億。

本發明鈦合金耐熱蒙皮的超塑成形/擴散連接成形方法，進一步的，步驟(4)中，所述脫模劑采用氮化硼或氧化億。

本發明鈦合金耐熱蒙皮的超塑成形/擴散連接成形方法，進一步的，步驟(4)中，將熱電偶插入上模和下模上的測溫孔中，并接入到相應的儀表中。

本發明鈦合金耐熱蒙皮的超塑成形/擴散連接成形方法，進一步的，步驟(5)中，模具超過300℃時，通過上、下模上的通氣槽向上、下模腔內通入流動氬氣。

本發明鈦合金耐熱蒙皮的超塑成形/擴散連接成形方法，通過模具來控制制件的外形和尺寸，完成了復雜型面鈦合金制件的成形，減少了成形工裝的數量，縮短了耐熱蒙皮制件的制備過程，降低了制造成本；采用先擴散連接后超塑成形的工藝過程，使內蒙皮和外蒙皮的接觸部分實現擴散連接，隔離部分實現超塑成形，一次成形出型面復雜、中空結構的耐熱蒙皮，擴散連接區域為面連接，與傳統點焊或者鉚接零件點連接相比，大大提高了構件的結構完整性,提升了構件的比強度和比剛度，提高了擴散連接的焊合率，且超塑區與擴散區過渡處應力集中小，成形后耐熱蒙皮的整體性能高，制件具有尺寸精度高、整體性能好、質量輕等優點，且該工藝縮短了加工周期、材料利用率高、制造成本低。

下面結合附圖對本發明的鈦合金耐熱蒙皮的超塑成形/擴散連接成形方法作進一步說明。

附圖說明

圖1為本發明鈦合金耐熱蒙皮的超塑成形/擴散連接成形方法中下模的結構示意圖；

圖2為本發明鈦合金耐熱蒙皮的超塑成形/擴散連接成形方法中上模的結構示意圖；

圖3為本發明鈦合金耐熱蒙皮的超塑成形/擴散連接成形方法中內蒙皮止焊劑涂覆位置結構圖。

具體實施方式

本發明鈦合金耐熱蒙皮的超塑成形/擴散連接成形方法，包括以下步驟：

(1)模具制作

在耐熱蒙皮的超塑成形/擴散連接過程中需要用模具來控制制件的外形和尺寸，如圖1和圖2所示，模具包括上模1和下模2，根據制件的外形輪廓設計上模1和下模2的型腔，使上模1和下模2的型腔面與耐熱蒙皮外觀保持一致性，并在上模1和下模2上分別加工定位孔11、測溫孔12、吊裝孔13、通氣槽14，并在上模1的型腔面上設置若干排氣孔15；

(2)坯料加工

內、外蒙皮均采用0.8mm厚的TC4鈦合金板材，根據耐熱蒙皮的外形尺寸計算坯料的理論展開尺寸，補加5～10mm工藝余量，按尺寸要求采用線切割加工內、外蒙皮外輪廓，采用酸洗液清洗內、外蒙皮，并在內蒙皮3上采用機械加工方式加工通氣孔31；酸洗液的組分包括硝酸、氫氟酸和水，體積比為：

硝酸(質量濃度65％～68％) 15～45％

氫氟酸(質量濃度40％) 2～10％

水 余量

酸洗液的溫度為18～45℃，酸洗時間為2～15min；

(3)坯料止焊劑涂覆與封焊

如圖3所示，在內、外蒙皮的超塑成形區域即圖中陰影區域涂覆止焊劑，止焊劑可采用氮化硼、氧化億、氮化硼和氧化億的混合物，將涂好止焊劑的內、外蒙皮四邊對齊，沿邊緣采用氬弧焊封口焊接，封焊內、外蒙皮的四周，并將進氣管封焊到通氣孔的位置；將進氣管與真空泵連接，抽真空，當真空度達到10^-3MPa時，真空度若無明顯變化則表明氣密合格；

(4)裝模

將上模1和下模2清理干凈后涂覆一層脫模劑，脫模劑可采用氮化硼、氧化億、氮化硼和氧化億的混合物，將零件安裝在模具內，將模具放入超塑設備中，將熱電偶插入上模1和下模2上的測溫孔中，并接入到相應的儀表中，例如溫度巡檢儀；

(5)超塑成形和擴散連接

將超塑設備升溫，升溫過程中對內、外蒙皮保持10^-3MPa以下的真空度，模具超過300℃時，通過上、下模1、2上的通氣槽向上、下模腔內通入流動氬氣,當模具溫度達到920～930℃時，對內、外蒙皮施加77～83T壓力，保壓110～130min，使未涂覆止焊劑的部位實現擴散連接；然后關閉真空泵，通過通氣孔向內、外蒙皮之間通入氬氣，達到0.8MPa時停止進氣，進入保壓狀態，保壓175～185min后實現超塑成形，卸載氣壓，冷卻零件和模具；

(6)出爐

當模具溫度冷卻到400℃以下，取出熱電偶，將模具和零件從設備平臺上吊至鉗工平臺，取出零件；

(7)加工：按照三維數模加工零件的外形尺寸，得到復雜型面的鈦合金耐熱蒙皮制件。

本發明鈦合金耐熱蒙皮的超塑成形/擴散連接成形方法，所得制件擴散連接區域的壁厚要求不低于1.6mm，擴散連接區域的焊合率不低于90％，超塑成形區域的最小壁厚不低于 0.5mm。制件的機械性能可以達到原始材料的90％以上，具體見表1。

實施例1

一種鈦合金耐熱蒙皮的超塑成形/擴散連接成形方法，包括以下步驟：

(1)模具制作

在耐熱蒙皮的超塑成形/擴散連接過程中需要用模具來控制制件的外形和尺寸，模具包括上模和下模，根據制件的外形輪廓設計上模和下模的型腔，使上模和下模的型腔面與耐熱蒙皮外觀保持一致，并在上模和下模上分別加工定位孔、測溫孔、吊裝孔、通氣槽，上模和下模上通氣槽的位置相對應，并在上模的型腔面上設置若干排氣孔；

(2)坯料加工

內、外蒙皮均采用0.8mm厚的TC4鈦合金板材，根據耐熱蒙皮的外形尺寸計算坯料的理論展開尺寸，補加5mm工藝余量，按尺寸要求采用線切割加工內、外蒙皮外輪廓，采用酸洗液清洗內、外蒙皮，并在內蒙皮上采用銑床加工通氣孔；酸洗液的組分包括硝酸、氫氟酸和水，體積比為：

硝酸(濃度65％) 45％

氫氟酸(濃度40％) 2％

水 余量

酸洗液的溫度為18℃，酸洗時間為2min；

(3)坯料止焊劑涂覆與封焊

如圖3所示，在內、外蒙皮的超塑成形區域即圖中陰影區域涂覆止焊劑，止焊劑采用氮化硼，將涂好止焊劑的內、外蒙皮四邊對齊，沿邊緣采用氬弧焊封口焊接，封焊內、外蒙皮的四周，并將進氣管封焊到通氣孔的位置；將進氣管與真空泵連接，抽真空，當真空度達到10^-3MPa時，1min內真空度若無明顯變化則表明氣密合格；

(4)裝模

將上模和下模清理干凈后涂覆一層脫模劑，脫模劑采用氮化硼，將零件安裝在模具內，將模具放入超塑設備中，將熱電偶插入上模和下模上的測溫孔中，并接入到相應的儀表中，例如溫度巡檢儀；

(5)超塑成形和擴散連接

將超塑設備升溫，升溫過程中對內、外蒙皮保持10^-3MPa以下的真空度，模具超過300℃時，通過上、下模上的通氣槽向上、下模腔內通入流動氬氣,當模具溫度達到920℃時，對內、外蒙皮施加83T壓力，保壓130min，使未涂覆止焊劑的部位實現擴散連接；然后關閉真空泵， 通過通氣孔向內、外蒙皮之間通入氬氣，達到0.8MPa時停止進氣，進入保壓狀態，保壓185min后實現超塑成形，卸載氣壓，冷卻零件和模具；

(6)出爐

當模具溫度冷卻到400℃以下，取出熱電偶將模具和零件從設備平臺上吊至鉗工平臺，取出零件；

(7)加工：按照三維數模加工零件的外形尺寸，得到復雜型面的鈦合金耐熱蒙皮制件。

所得制件擴散連接區域的壁厚為1.66mm，擴散連接區域的焊合率為93.62％，超塑成形區域的最小壁厚為0.64mm，力學性能見表1。

實施例2

一種鈦合金耐熱蒙皮的超塑成形/擴散連接成形方法，包括以下步驟：

(1)模具制作

在耐熱蒙皮的超塑成形/擴散連接過程中需要用模具來控制制件的外形和尺寸，模具包括上模和下模，根據制件的外形輪廓設計上模和下模的型腔，使上模和下模的型腔面與耐熱蒙皮外觀保持一致，并在上模和下模上分別加工定位孔、測溫孔、吊裝孔、通氣槽，上模和下模上通氣槽的位置相對應，并在上模的型腔面上設置若干排氣孔；

(2)坯料加工

內、外蒙皮均采用0.8mm厚的TC4鈦合金板材，根據耐熱蒙皮的外形尺寸計算坯料的理論展開尺寸，補加8mm工藝余量，按尺寸要求采用線切割加工內、外蒙皮外輪廓，采用酸洗液清洗內、外蒙皮，并在內蒙皮上采用銑床加工通氣孔；酸洗液的組分包括硝酸、氫氟酸和水，體積比為：

硝酸(濃度66％) 30％

氫氟酸(濃度40％) 8％

水 余量

酸洗液的溫度為30℃，酸洗時間為10min；

(3)坯料止焊劑涂覆與封焊

如圖3所示，在內、外蒙皮的超塑成形區域即圖中陰影區域涂覆止焊劑，止焊劑采用氧化億，將涂好止焊劑的內、外蒙皮四邊對齊，沿邊緣采用氬弧焊封口焊接，封焊內、外蒙皮的四周，并將進氣管封焊到通氣孔的位置；將進氣管與真空泵連接，抽真空，當真空度達到10^-3MPa時，1min內真空度若無明顯變化則表明氣密合格；

(4)裝模

將上模和下模清理干凈后涂覆一層脫模劑，脫模劑采用氧化億，將零件安裝在模具內，將模具放入超塑設備中，將熱電偶插入上模和下模上的測溫孔中，并接入到相應的儀表中，例如溫度巡檢儀；

(5)超塑成形和擴散連接

將超塑設備升溫，升溫過程中對內、外蒙皮保持10^-3MPa以下的真空度，模具超過300℃時，通過上、下模上的通氣槽向上、下模腔內通入流動氬氣,當模具溫度達到930℃時，對內、外蒙皮施加77T壓力，保壓110min，使未涂覆止焊劑的部位實現擴散連接；然后關閉真空泵，通過通氣孔向內、外蒙皮之間通入氬氣，達到0.8MPa時停止進氣，進入保壓狀態，保壓175min后實現超塑成形，卸載氣壓，冷卻零件和模具；

(6)出爐

當模具溫度冷卻到400℃以下，取出熱電偶，進行冷卻，待模具冷卻之后，將制件從模具中取出來；

(7)加工：按照三維數模加工零件的外形尺寸，得到復雜型面的鈦合金耐熱蒙皮制件。所得制件擴散連接區域的壁厚為1.67mm，擴散連接區域的焊合率為92.58％，超塑成形區域的最小壁厚為0.67mm，力學性能見表1。

實施例3

一種鈦合金耐熱蒙皮的超塑成形/擴散連接成形方法，包括以下步驟：

(1)模具制作

在耐熱蒙皮的超塑成形/擴散連接過程中需要用模具來控制制件的外形和尺寸，模具包括上模和下模，根據制件的外形輪廓設計上模和下模的型腔，使上模和下模的型腔面與耐熱蒙皮外觀保持一致，并在上模和下模上分別加工定位孔、測溫孔、吊裝孔、通氣槽，上模和下模上通氣槽的位置相對應，并在上模的型腔面上設置若干排氣孔；

(2)坯料加工

內、外蒙皮均采用0.8mm厚的TC4鈦合金板材，根據耐熱蒙皮的外形尺寸計算坯料的理論展開尺寸，補加10mm工藝余量，按尺寸要求采用線切割加工內、外蒙皮外輪廓，采用酸洗液清洗內、外蒙皮，并在內蒙皮上采用銑床加工通氣孔；酸洗液的組分包括硝酸、氫氟酸和水，體積比為：

硝酸(濃度68％) 15％

氫氟酸(濃度40％) 10％

水 余量

酸洗液的溫度為45℃，酸洗時間為15min；

(3)坯料止焊劑涂覆與封焊

如圖3所示，在內、外蒙皮的超塑成形區域即圖中陰影區域涂覆止焊劑，止焊劑采用氮化硼和氧化億的混合物，將涂好止焊劑的內、外蒙皮四邊對齊，沿邊緣采用氬弧焊封口焊接，封焊內、外蒙皮的四周，并將進氣管封焊到通氣孔的位置；將進氣管與真空泵連接，抽真空，當真空度達到10^-3MPa時，1min內真空度若無明顯變化則表明氣密合格；

(4)裝模

將上模和下模清理干凈后涂覆一層脫模劑，脫模劑采用氮化硼和氧化億的混合物，將零件安裝在模具內，將模具放入超塑設備中，將熱電偶插入上模和下模上的測溫孔中，并接入到相應的儀表中，例如溫度巡檢儀；

(5)超塑成形和擴散連接

將超塑設備升溫，升溫過程中對內、外蒙皮保持10^-3MPa以下的真空度，模具超過300℃時，通過上、下模上的通氣槽向上、下模腔內通入流動氬氣,當模具溫度達到925℃時，對內、外蒙皮施加80T壓力，保壓120min，使未涂覆止焊劑的部位實現擴散連接；然后關閉真空泵，通過通氣孔向內、外蒙皮之間通入氬氣，達到0.8MPa時停止進氣，進入保壓狀態，保壓180min后實現超塑成形，卸載氣壓，冷卻零件和模具；

(6)出爐

當模具溫度冷卻到400℃以下，取出熱電偶將模具和零件從設備平臺上吊至鉗工平臺，取出零件；

(7)加工：按照三維數模加工零件的外形尺寸，得到復雜型面的鈦合金耐熱蒙皮制件。

所得制件擴散連接區域的壁厚為1.62mm，擴散連接區域的焊合率為94.15％，超塑成形區域的最小壁厚為0.66mm，力學性能見表1。

表1

本發明鈦合金耐熱蒙皮的超塑成形/擴散連接成形方法與現有技術相比，具有以下有益效果：通過模具來控制制件的外形和尺寸，完成了復雜型面鈦合金制件的成形，減少了成形工裝的數量，縮短了耐熱蒙皮制件的制備過程，降低了制造成本；采用先擴散連接后超塑成形 的工藝過程，使內蒙皮和外蒙皮的接觸部分實現擴散連接，隔離部分實現超塑成形，一次成形出型面復雜、中空結構的耐熱蒙皮，擴散連接區域為面連接，與傳統點焊或者鉚接零件點連接相比，大大提高了構件的結構完整性,提升了構件的比強度和比剛度，提高了擴散連接的焊合率，且超塑區與擴散區過渡處應力集中小，成形后耐熱蒙皮的整體性能高，制件具有尺寸精度高、整體性能好、質量輕等優點，且該工藝縮短了加工周期、材料利用率高、制造成本低。

以上所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，并非對本發明的范圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本發明權利要求書確定的保護范圍內。