一种钛合金筒形三层结构的超塑成形/扩散连接成形方法

摘要

本发明属于钣金成形技术，涉及一种钛合金筒形三层结构的超塑成形/扩散连接成形方法。本发明通过采用新型毛坯结构形式和制坯方法，可靠实现了三层结构止焊剂涂敷、筒体定位等要求，筒体毛坯采用热等静压DB和筒体SPF分步成形的方法，降低了工艺的难度和复杂性，提高了结构灵活性。创新性的在筒体间加入了分隔环，避免了筒间碰撞导致的止焊剂脱落，实现了在毛坯上直接加工形成进排气道，不用在模具上加工气道，降低了工装结构复杂性。稳定可靠实现了钛合金筒形三层结构SPF／DB成形，提高了成形质量和工艺稳定性。将SPF/DB工艺方法从成形平板夹层结构拓展到了成形筒形回转夹层结构，扩大了该工艺的应用领域，实现了较好经济和技术效益。

说明书

技术领域

本发明属于钣金成形技术，涉及一种钛合金筒形三层结构的超塑成形/扩散连接 成形方法。

背景技术

筒体夹层结构作为导弹进气道、壳体典型结构形式，要求构件不仅满足同轴度、 圆度等外形尺寸精度要求，更需要其满足轻质、高强、密封、隔热等特殊使用性能 要求，制造过程复杂，难度较大。筒体夹层结构的传统制造方式为蒙皮骨架焊接、 铆接方式，如图1所示。首先，通过机加或者铸造等方式成形钛合金内部骨架，再 将骨架与蒙皮焊接、铆接成为整体，形成内外蒙皮和框架的空心夹层结构。

对于蒙皮骨架焊接或铆接这种传统制造方式（如图1所示），其制造工艺包括 蒙皮1和铸造骨架2成形，铸造的骨架2为了保证精度，通常还要进行机械加工， 不仅工艺复杂，而且厚度大，结构超重。而且对于蒙皮1成形，无法做到复杂外形， 经常要分块成形，导致整体性不好。另外蒙皮1和骨架2在焊接、焊后热处理或铆 接过程容易产生变形，使构件外形尺寸精度难以保证。

相比之下，采用超塑成形/扩散连接（SPF/DB）工艺进行筒形夹层结构成形具有 整体性好、可显著减少结构零件数量、构件尺寸精度高、设计自由度好等优点。SPF/DB 构件的基本结构形式包括四种：超塑成形（SPF）单层结构、SPF/DB双层结构、三 层结构以及四层结构。SPF/DB多层结构最常见的应用是用于平板外形以及小曲率的 曲面外形夹层零件，其中典型平板三层结构如图2所示。对于圆筒形等一些回转类 夹层结构件，传统平板多层结构SPF/DB成形工艺已经无法实现。特别是对于筒体夹 层结构，传统的制造方式为蒙皮骨架焊接、铆接方式，存在铸造骨架厚度大，结构 超重，蒙皮、骨架在焊接、铆接过程容易产生变形，使构件外形尺寸精度难以保证， 整体性差等缺点。而传统SPF/DB成形工艺只能成形平板多层结构，无法实现圆筒形 等一些回转类夹层结构件的成形。

发明内容

本发明的目的是提出一种适用于筒体夹层结构的一种钛合金筒形三层结构的超 塑成形/扩散连接成形方法。本发明的技术解决方案是：

（1）单筒制备

（1.1）制备外筒

根据最终成形零件的外形尺寸计算外筒下料尺寸，按该下料尺寸切割钛合金板 材，将此板材料滚弯成筒形，采用激光焊或氩弧焊对对接缝进行焊接；

（1.2）制备芯筒4

按照外筒内径与芯筒外径之间间隙为0.5mm-1mm的要求，计算芯筒下料尺寸， 按该下料尺寸切割钛合金板材，将此板材料滚弯成筒形，采用激光焊或氩弧焊对对 接缝进行焊接；

（1.3）制备内筒5

按照内筒外径与芯筒内径之间间隙为0.5mm-1mm的要求，计算内筒下料尺寸， 按该下料尺寸切割钛合金板材，将此板材料滚弯成筒形，采用激光焊或氩弧焊对对 接缝进行焊接；

根据设计好的筒体尺寸，将焊接好的三个单筒分别装入相应的热胀形模具，进 行热校形，将各个单筒成形到相应尺寸。

（2）筒体止焊剂图形制备

对各个单筒进行表面处理，然后按照三层结构要求对内筒表面进行止焊剂图形 涂敷，对于三层结构由于要在一个芯筒内外壁涂敷对应的止焊剂非常困难，本专利 提出了一种对芯筒和直径较小的内筒外壁进行涂敷的方法解决了该问题，其表面要 涂敷止焊剂，涂敷前采用专用分度头工装，根据所需立筋数量进行分度划线，根据 划线留好立筋扩散区。划线完毕，采用手工覆膜、刻形和止焊剂涂敷。

（3）筒体装配

按照外筒-芯筒-内筒的顺序将三个单筒依次套装，同时将芯筒的外壁上的扩散 区与内筒的外壁上的扩散区相对位置匹配固定，套好后先采用亚弧焊点焊的方式将 三个单筒进行固定，然后对装配好的三层结构筒两端面进行封焊，并留好内层进气 道，在进气道口上焊接进气管；

（4）毛坯扩散连接

将封焊完成的三层结构筒毛坯装入热等静压模具，放入超塑成形设备升温，对 整个筒体毛坯进行扩散连接，工艺条件为温度910-920℃，扩散压力3Mpa；

（5）筒体超塑成形

扩散完毕后对筒体进行无损检测，合格后装入超塑成形模具，放入超塑成形设 备进行超塑成形，成形工艺条件为温度910-920℃，成形压力1.5Mpa。成形完毕后 进行无损检测、表面处理并切割到要求尺寸，成形过程结束。

本发明具有的优点和有益效果，

本发明提出了一种三层结构筒体SPF/DB工艺方法，可以实现筒形回转三层结构 的制备。相比传统制造工艺，采用该工艺方法制造的筒形回转夹层结构具有结构重 量更轻，整体性更好，尺寸精度更高，结构设计自由度更大等优点。

本发明通过采用新型毛坯结构形式和制坯方法，可靠实现了三层结构止焊剂涂 敷、筒体定位等要求，筒体毛坯采用热等静压DB和筒体SPF分步成形的方法，降低 了工艺的难度和复杂性，提高了结构灵活性。创新性的在筒体间加入了分隔环，避 免了筒间碰撞导致的止焊剂脱落，实现了在毛坯上直接加工形成进排气道，不用在 模具上加工气道，降低了工装结构复杂性。稳定可靠实现了钛合金筒形三层结构SPF ／DB成形，提高了成形质量和工艺稳定性。将SPF/DB工艺方法从成形平板夹层结 构拓展到了成形筒形回转夹层结构，扩大了该工艺的应用领域，实现了较好经济和 技术效益。

附图说明

图1是现有技术中蒙皮骨架铆（焊）接筒形结构示意图；

图2是SPF/DB三层平板构件的基本结构示意图；

图3是本发明工艺流程框图；

图4筒形三层结构毛坯示意图

图5是采用本发明方法制备的三层结构筒体结构示意图。

具体实施方式

本发明提出的三层结构筒体的成形方法流程见图3。

（1）单筒制备

（1.1）制备外筒3

根据最终成形零件的外形尺寸计算外筒3下料尺寸，按该下料尺寸切割钛合金 板材，将此板材料滚弯成筒形，采用激光焊或氩弧焊对对接缝进行焊接；

（1.2）制备芯筒4

按照外筒3内径与芯筒4外径之间间隙为0.5mm-1mm的要求，计算芯筒4下料 尺寸，按该下料尺寸切割钛合金板材，将此板材料滚弯成筒形，采用激光焊或氩弧 焊对对接缝进行焊接；

（1.3）制备内筒5

按照内筒5外径与芯筒4内径之间间隙为0.5mm-1mm的要求，计算内筒5下料 尺寸，按该下料尺寸切割钛合金板材，将此板材料滚弯成筒形，采用激光焊或氩弧 焊对对接缝进行焊接；

根据设计好的筒体尺寸，将焊接好的三个单筒分别装入相应的热胀形模具，进 行热校形，将各个单筒成形到相应尺寸。

（2）筒体止焊剂图形制备

对各个单筒进行表面处理，然后按照三层结构要求对内筒5表面进行止焊剂图 形涂敷，对于三层结构由于要在一个芯筒4内外壁涂敷对应的止焊剂非常困难，本 专利提出了一种对芯筒4和直径较小的内筒5外壁进行涂敷的方法解决了该问题， 其表面要涂敷止焊剂，涂敷前采用专用分度头工装，根据所需立筋数量进行分度划 线，根据划线留好立筋扩散区。划线完毕，采用手工覆膜、刻形和止焊剂涂敷。

（3）多筒体装配

涂好止焊剂后，要将所有筒子进行套接装配，套接过程中为避免由于筒体之间 碰撞摩擦导致涂敷的止焊剂发生脱落，并保证涂有止焊剂的两个筒体间图形相对位 置匹配，采用专用分隔环对筒体进行定位，保证各个单筒间的间隙均匀，互不接触。 套好后先采用亚弧焊点焊的方式对各个单筒进行固定，然后对筒子两端面进行封焊， 过程中最好采用工装卡具进行固定。封焊应留好内外层进气道，封焊完毕将内外层 进气管焊接于进气道口。

（4）气密性检测 整个毛坯焊好后，采用真空泵抽真空进行气密性检测，确认合格，制坯完毕。

（5）毛坯扩散连接

检测合格的毛坯装入专用热等静压模具，放入超塑成形设备升温，对整个筒体 毛坯进行扩散连接。为保证扩散质量，选取工艺条件为温度910-920℃，扩散压力 3Mpa。筒体自然放置，保证温度均匀，防止筒体在扩散过程中发生变形。

（6）筒体超塑成形

扩散完毕后对筒体进行无损检测，合格后装入超塑成形模具，放入超塑成形设 备进行超塑成形。成形工艺条件为温度910-920℃，扩散压力1.5Mpa。成形完毕后 进行无损检测、表面处理并切割到要求尺寸，成形过程结束。

实施例

采用TC4钛合金超塑性板材，外筒3和内筒5板厚为1.8mm，芯筒4板厚0.6mm； 进行了三层筒体的制备，其单筒内径如表1所示。

表1各层筒子的内径分布

筒子 外筒3 芯筒4 内筒5 内径（mm） 204 201 197

(1)单筒制备

（1.1）制备外筒3

根据最终成形零件的外形尺寸计算外筒3下料尺寸为210mm×646mm，按该下料 尺寸切割钛合金板材，将此板材滚弯成筒形，采用氩弧焊对接缝进行焊接；

（1.2）制备芯筒4

按照外筒3内径与芯筒4外径之间间隙为0.5mm-1mm的要求，计算芯筒4下料 尺寸为210mm×642mm，按该下料尺寸切割钛合金板材，将此板材料滚弯成筒形，采 用激光焊或氩弧焊对对接缝进行焊接；

（1.3）制备内筒5

按照内筒5外径与芯筒4内径之间间隙为0.5mm-1mm的要求，计算内筒5下料 尺寸210mm×638mm，按该下料尺寸切割钛合金板材，将此板材料滚弯成筒形，采用 激光焊或氩弧焊对对接缝进行焊接；

根据设计好的筒体尺寸，将焊接好的三个单筒分别装入相应的热胀形模具，进 行热校形，将各个单筒成形到相应尺寸。

（2）筒体止焊剂图形制备

对各个单筒进行表面酸铣处理，将酸铣后的芯筒4或内筒5分别固定在分度头 工装上，根据所需立筋数量分别在芯筒4的外壁和内筒5的外壁上进行分度划线， 根据划线留好立筋扩散区；在芯筒4的外壁和内筒5的外壁上分别手工覆膜，并按 照分度划线刻形，然后去除非扩散区的覆膜并在该区涂敷止焊剂；

（3）筒体装配

按照外筒3-芯筒4-内筒5的顺序将三个单筒依次套装，套装时为了避免芯筒4 的外壁上和内筒5的外壁上的止焊剂图形划伤，同时对芯筒4和内筒5扩散区相对 位置匹配固定，将预先制造的分隔环固定在芯筒4和内筒5的两端，套装时先将芯 筒4套在内筒5外，再将外筒套3在芯筒5外，通过分隔环控制筒之间间隙和芯筒 4和内筒5扩散区相对位置，固定好后先采用亚弧焊点焊的方式将三个单筒进行固 定，然后对装配好的三层结构筒两端面进行封焊，并留好内层进气道，在进气道口 上焊接进气管；

（4）毛坯扩散连接

将封焊完成的三层结构筒毛坯装入热等静压模具，放入超塑成形设备升温，对 整个筒体毛坯进行扩散连接，模具平均温度达到500℃时，模具内加保护气0.08MPa。 工艺条件为模具平均温度910-920℃，扩散压力3Mpa；保压2小时。

（5）筒体超塑成形

扩散完毕后对筒体进行无损检测，合格后装入超塑成形模具，放入超塑成形设 备进行超塑成形，成形工艺条件为温度910-920℃，成形压力1.5Mpa。成形完毕后 进行无损检测、表面处理并切割到要求尺寸，成形过程结束。