基于钛合金口盖的超塑成形/扩散连接工艺分析

没得比

作者：欧阳金栋 马俊飞 中航工业洪都

图：成形出的口盖

　　传统的飞行器结构件是用铆接、螺接、胶接和焊接等方法将许多“片片”“条条”和“块块”联结起来，成为一个完整的结构件。这些结构件通常由几个、几十个甚至几百个零件组成，因而制造周期长、手工劳动量大、成本高。为了简化零件制造过程和构件装配过程，缩短制造周期、减少手工劳动量和降低成本，目前发展了许多新结构、新材料和新工艺。例如，整体壁板、蜂窝结构;复合材料和钛合金;粉末冶金、超塑成形等。特别是，近十多年来，随着钛合金材料的应用和发展，出现了一种新的成形工艺方法——超塑成形/扩散连接组合工艺技术(Super-plastic  Forming/Diffusion  Bonding，简称SPF/DB)。用这种方法能制造出优良的飞行器整体结构件，这不仅能够满足设计上的要求，如重量轻、刚性大，而且也能够满足工艺的要求，如制造周期短、手工劳动量少、成本低等特点。由SPF/DB新工艺技术得到的新结构将使飞行器结构发生重大的变化，突破了传统的设计方法。

　　超塑成形/扩散连接(SPF/DB)组合工艺常用于传统方法难成形、形状复杂的薄壁结构件，其成形一般有先SPF后DB、先DB后SPF或者SPF和DB同时进行三种方法，哪种方式更好视零件结构和工艺而定。近年来，国内外正积极开展多层结构的超塑成形/扩散连接(SPF/DB)组合工艺研究，这类结构可广泛应用于飞行器上的一些大型复杂的结构件，如发动机舱门、大型口盖、宽弦风扇空心叶片等，对提高飞行器的性能、减小质量、延长寿命、降低成本都具有传统制造工艺无法比拟的优越性。

　　钛合金具有比强度高、无磁性、耐腐蚀等优点，故在航空、航天、化工、造船等工业部门得到广泛的应用。但常温下钛合金的变形抗力大，回弹严重，加工困难，用常规方法锻造、冲压加工时，需要大吨位的设备，难于获得高精度的零件。不过很多钛合金，尤其α+β型的两相钛合金，不需要特殊的热处理，就能在一定的条件下出现超塑性。利用这种超塑性特点进行超塑成形/扩散连接组合工艺的成形，可以大大降低变形抗力，材料流动性和填充性较好，从而能制造出复杂形状的精密零件。

　　应用于飞行器的口盖是一种外形复杂的加强结构件，需要承受一定载荷和要求减重。口盖外围边框一般为等厚度的变曲率外形，内腔考虑减重则为空心的结构。鉴于口盖的特点，材料采用TC4钛合金(属于α+β型的两相钛合金，有较好的超塑性性能)，成形工艺采用超塑成形/扩散连接组合方式，边框由上下面板通过扩散连接相结合，内腔的空心部位通过吹气超塑成形得到。口盖作为飞行器控制舱部位的重要部件，要求外部型面表面光滑，零件整体具有良好的综合性能。由于结构的特殊性，目前在其制造过程中主要存在以下工艺难点：其一，为制出特殊的整体局部空心加强结构，形成口盖内部的封闭减重空腔，必须对需要封闭的实心部位采用扩散连接手段。其二，口盖内部的空心区域需通过超塑成形吹塑而成，面板在吹塑成形过程中有可能发生失稳，吹塑压力不够将产生凹陷使口盖外形超差，因此合理计算得到吹塑成形压力大小及冲压过程中回弹的控制是关键。

　　基于对口盖零件外形特点和工艺难点的分析，规划如下的工艺路线：板材下料-扩散连接-预压热成形-超塑成形-外形机加-零件终检。由于高温环境下模具材料和零件材料的膨胀系数不一致，为保证成形后毛坯零件的外形尺寸符合要求，需考虑材料的热胀冷缩因素，模具型面的尺寸设计应考虑型面的缩放系数，具体的型面缩放系数可通过经念公式计算获得。

　　第一步的扩散连接试验前需先对板料进行表面处理，然后在内部空心部位均匀涂上止焊剂，以防止该部位扩散连接上，最后对组坯进行周边封焊，一切就绪后进行扩散连接。第二步，口盖毛坯直接超塑成形时，壁厚会出现极大的不均匀性，零件不能完全地贴模，为了提高零件的壁厚均匀性，先进行预压热成形。根据口盖的毛坯形式，调整成形参数，实现零件完全成形，型腔贴模具。由于口盖为变曲率外形，所以加工热成形模具时要特别注意其外形的加工，同时注意热成形模具温度的控制及保压时间。第三步，通过热成形得到超塑成形毛坯后，将进行超塑成形工艺，超塑成形模具与热成形模具一样。在模具开始加热前，对毛坯先抽真空防止氧化，同时炉内也要一直抽真空。当到达温度后，向毛坯内冲入一定压力的氩气进行超塑成形。成形降温取出零件，然后进行数控铣切得到最后的口盖形状。

　　随着高科学、新技术的快速发展，在许多行业要求改善劳动条件，应用先进技术。超塑成形/扩散连接组合工艺技术虽然研究已近半个世纪，但超塑成形/扩散连接组合工艺依然有拓展的空间。目前，由于超塑成形/扩散连接组合工艺技术存在成形速度慢的缺点，研究与开发高速超塑成形技术显得非常重要，另外随着微电子技术(MEMS)的快速发展，对微小精密薄壁件的超塑成形/扩散连接技术研究也尤为紧迫。