專利名稱：用于擴散結合和超塑成形的設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于固態結合的設備；更具體地說，涉及一種用于結合由層疊金屬片形成的固態基材的擴散結合和超塑成形設備。
背景技術：
固態結合是一種在基本上低于被連接基材熔點的溫度下產生結合，以便在保持基材固態的同時連接基材連接的結合方法，這種方法不同于常規熔合焊接法。固態結合通過防止或者最大限度地抑制基材被熔化從而保留基材的原始特性，并且通過最小化接觸面上產生的缺陷從而最大化結合效果的性能。
隨著新型金屬比如復合材料的引入和高科技工業的發展，固態結合已經受到關注并取得相關技術的進步。固態結合可以連接使用常規熔合結合技術不能結合的基材和形狀復雜的材料。固態結合還可以用于連接要求高質量、高精度焊接過程的基材。
固態結合包括利用摩擦力的摩擦焊接，利用填充金屬的銅焊和利用原子擴散連接基材的擴散結合。它們當中，擴散結合是一種連接基材的固態焊接方法，該方法通過在基本上低于被連接基材熔點的溫度下施加不影響其冶金性質的壓力來進行結合。
通過進行各種成形過程，其中包括超塑成形過程，擴散結合已被用于一體制造形狀復雜的零件。
擴散結合是在高壓、高溫條件下進行的。為了維持高壓、高溫條件，利用壓力機或者氣體形成高壓。在使用氣體形成高壓的情況下，需要高容量液壓機，并且難于使基材均勻加壓。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種擴散結合和超塑成形設備，該設備用來在未使用高容量液壓機情況下保持密封狀態以形成高壓，并且用來在基材上均勻地施加預定壓力。
根據本發明的一個方面，提供一種擴散結合和超塑成形設備，其包括上部單元、中部單元、下部單元、連桿、楔子和密封容器。所述連桿穿透所述中部單元和所述下部單元，并且包括固定在所述上部單元上的上部和具有楔形槽的下部。所述楔子插在所述楔形槽中，用于防止所述下部單元與所述連桿分離。所述密封容器用來向在所述中部單元中層疊的、進行擴散結合的基材施加壓力。
所述連桿可以包括橫截面呈梯形的楔形槽。
所述連桿和所述楔子可以由耐熱的鎳合金制成。
所述中部單元和所述下部單元可以形成為一體。
所述密封容器可以包括下片，具有與所述基材橫截面相同的形狀；上片，具有與所述下片相同的形狀并包括流通氣體的通孔；以及中片，置于所述下片與所述上片之間并具有用于存儲氣體的空間。
所述上片和所述下片可以通過鎢極惰性氣體(TIG)焊接法連接。
所述密封容器可以由與進行擴散結合的基材相同的材料制成。
通過參考附圖詳細描述本發明的示例性實施例，本發明的上述和其他特征和優點將變得更加明顯，附圖中圖1是本發明示例性實施例的擴散結合和超塑成形設備的剖視圖；圖2是圖1所示的連桿和楔子的立體圖；
圖3是圖1所示的密封容器的立體圖；圖4是圖1所示的密封容器的剖視圖；以及圖5是通過利用本發明實施例的擴散結合和超塑成形設備進行結合過程所制造產品的接觸面的微觀結構的照片。
具體實施例方式
下面，將參考附圖更詳細地描述擴散結合和超塑成形設備。
圖1是本發明示例性實施例的擴散結合和超塑成形設備的剖視圖，圖2是圖1所示的連桿和楔子的立體圖。
參見圖1和圖2，本實施例的擴散結合和超塑成形設備100包括上部單元110、中部單元120、下部單元130、具有楔形槽141的連桿140、插入楔形槽141中的楔子150以及使基材1 80加壓的密封容器160。
成形氣體入口111形成在上部單元110上，用來向密封容器160中注入惰性氣體，從而加壓并形成基材180。優選的是使用氬氣作為惰性氣體，但是本發明不限于此。
中部單元120置于上部單元110下面，并具有放置基材180的空間。密封片170插在上部單元110與中部單元120之間，用來將上部單元110和中部單元120密封并將上部單元110與中部單元120隔離。
基材180為多個相互層疊的金屬片。在這里，優選的是通過化學清潔方法或者機械研磨方法清潔金屬片的表面。根據本發明，由層疊金屬片形成的基材180置于所述設備100的內部并連接在一起。
下部單元130置于中部單元120下面，并且包括保護氣體入口131。通過保護氣體入口131注入保護氣體。當加壓并形成基材時，注入的保護氣體防止金屬被氧化。優選的是使用氬氣作為保護氣體，但是本發明不限于此。
連桿140包括形成于其下部、用來容納楔子150的楔形槽141。連桿140的上部固定在上部單元110上并穿透中部單元120和下部單元130。
為了使下部單元130與上部單元110連接，在楔形槽141中插入楔子150以防止下部單元130與連桿140分離。
楔形槽141的橫截面優選為梯形。楔子150插入楔形槽141中越深，下部單元130與上部單元110和夾在它們之間的中部單元連接得就越緊。
連桿140和楔子150優選由耐熱的鎳合金制造，但是本發明不限于此。在本實施例中，耐熱的鎳合金為Inconell 625。
利用連桿140和楔子150，通過將上部單元110、中部單元120和下部單元130緊固在一起，甚至在高溫、高壓條件下也能維持密封狀態。
中部單元120和下部單元130可以形成為一體。通過將中部單元120和下部單元130形成為一體，在擴散結合和超塑成形設備100中可以有效地維持密封狀態，并且可以進一步提高擴散結合的穩定性和質量。此外，擴散結合和超塑成形設備更穩定，其制造成本更低。
圖3是圖1所示的密封容器的立體圖，圖4是圖1所示的密封容器的剖視圖。
參見圖3和圖4，本發明實施例的密封容器160包括下片163，它具有與基材橫截面相同的預定形狀；上片161，它具有與下片163相同的形狀和尺寸并具有形成流動氣體通道的通孔(圖中未示)；以及中片162，它介于下片163和上片161之間并在其中心區域形成用于存儲氣體的空間。
上片161、中片162和下片163可以通過焊接連接。優選使用鎢極惰性氣體(TIG)焊接法連接上片161、中片162和下片163。然而，本發明不限于此。當執行TIG焊接來連接上片和下片時，可以使用中片作為填充金屬。填充金屬是一種靠焊接熱量熔化來連接基材并起到焊條作用的金屬。
在上片161的通孔(圖中未示)周圍形成導管165，以提供向密封容器160中注入氣體的通道。
因為由注入到密封容器160內部的成形氣體產生的壓力必須沒有損失地均勻傳遞到基材180上，因此密封容器160優選由與基材相同的材料形成。
在高壓下注入到密封容器160內的成形氣體通過使密封容器160膨脹來加壓基材180。因為氣體在所有方向上以恒壓加壓，所以基材180受到均勻壓力。因此，擴散結合的質量進一步提高。
下面，將描述利用本發明實施例的擴散結合和超塑成形設備連接由鈦合金形成的基材的過程。
首先，通過切割厚度2.04mm、由直徑120mm的圓盤形Ti-6Al-4V形成的金屬片，制成上片161和下片163。通過切割內徑100mm、外徑130mm的環形鈦合金片，制成中片162。在上片161上形成直徑5mm、用于注入氣體的通孔，通過進行TIG焊接固定導管165。中片162置于上片161和下片163之間，通過TIG焊接法焊接中片162，從而形成密封容器160。
切割厚度2.04mm、由直徑100mm的圓盤形鈦合金Ti-6Al-4V形成的片，從而制成50片圓盤形片。然后，化學清潔其表面，并且將50片清潔的圓盤形片層疊在中部單元120上。隨后，將密封容器160置于中部單元120上。然后，使用連桿140和楔子150緊固上部單元110、中部單元120和下部單元130。由Inconell 625合金制造的連桿140和楔子150用來在高溫下保持其適當的強度。
在將它們緊固之后，使用真空泵排出上部單元110和下部單元130中的空氣，并且在大約800℃下加熱上部單元110和下部單元130。然后，在大約40巴或者更低的壓力下將氬氣注入密封容器160。當擴散結合和超塑成形設備100的溫度達到約875℃時，其壓力下降至約40巴或者更低，并保持約30分鐘。然后，釋放氣壓，逐漸降低溫度。
在進行上述過程時，為了防止鈦金屬片被氧化，將保護氣體注入擴散結合和超塑成形設備內部，以使下部單元130內部保持在真空狀態和還原狀態。
圖5是通過利用本發明實施例的擴散結合和超塑成形設備進行結合過程所制造產品的接觸面的微觀結構的照片。
如圖5所示，在接觸面上沒有顯示出缺陷。也就是說，本發明實施例的擴散結合和超塑成形設備通過在固態下的原子擴散和晶界遷移進行了完美的擴散結合，而沒有產生諸如裂縫或氣泡等缺陷。
如上所述，本發明某些實施例的擴散結合和超塑成形設備能夠在未使用高容量液壓機情況下保持高壓條件，并且在基材上施加均勻壓力。因此，該擴散結合和超塑成形設備能夠進行高質量擴散結合，而沒有在接觸面上形成諸如裂縫或氣泡等缺陷。
盡管已經參考本發明的示例性實施例具體地顯示并描述了本發明，但是本領域所屬技術人員將會理解，在不脫離所附權利要求書限定的本發明精神和范圍內，可以對本發明做出各種形式和細節上的變化。
權利要求
1.一種具有上部單元、中部單元和下部單元的擴散結合和超塑成形設備，其包括連桿，其穿透所述中部單元和所述下部單元，并且包括固定在所述上部單元上的上部和具有楔形槽的下部；楔子，其插在所述楔形槽中，用于防止所述下部單元與所述連桿分離；以及密封容器，用來向在所述中部單元中層疊的、進行擴散結合的基材施加壓力。
2.如權利要求1所述的擴散結合和超塑成形設備，其特征在于，所述連桿包括橫截面呈梯形的楔形槽。
3.如權利要求1所述的擴散結合和超塑成形設備，其特征在于，所述連桿和所述楔子由耐熱的鎳合金制成。
4.如權利要求1所述的擴散結合和超塑成形設備，其特征在于，所述中部單元和所述下部單元形成為一體。
5.如權利要求1所述的擴散結合和超塑成形設備，其特征在于，所述密封容器包括下片，具有與所述基材橫截面相同的形狀；上片，具有與所述下片相同的形狀并包括流通氣體的通孔；以及中片，置于所述下片與所述上片之間并具有用于存儲氣體的空間。
6.如權利要求5所述的擴散結合和超塑成形設備，其特征在于，所述上片和所述下片通過鎢極惰性氣體(TIG)焊接法連接。
7.如權利要求5所述的擴散結合和超塑成形設備，其特征在于，所述密封容器由與進行擴散結合的基材相同的材料制成。
全文摘要
本發明公開了一種用于連接固態基材的擴散結合和超塑成形設備。該擴散結合和超塑成形設備包括上部單元、中部單元、下部單元、連桿、楔子和密封容器。該連桿穿透該中部單元和該下部單元，并且包括固定在該上部單元上的上部和具有楔形槽的下部。該楔子插在該楔形槽中，用于防止該下部單元與該連桿分離。該密封容器用來向在該中部單元中層疊的、進行擴散結合的基材施加壓力。
文檔編號B23K20/14GK1986137SQ200610165880
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月14日 優先權日2005年12月22日
發明者李鎬誠, 尹種焄, 李永武 申請人:韓國航空宇宙研究院