一種異種合金雙層板殼復合結構件的制造方法
【專利摘要】本發明是提供一種異種合金雙層板殼復合結構件的制造方法，超塑性氣壓脹形已廣泛應用于鎂合金、銅合金、鋁合金、不銹鋼、鈦合金和高溫合金等板殼件的成形中，不同合金的超塑性氣脹溫度區間彼此重疊，如鎂合金和鋁合金的超塑性氣脹溫度區間約在400～525℃之間重疊，鈦合金、不銹鋼和高溫合金的超塑性氣脹溫度區間約在900～1000℃之間重疊，所以，利用不同合金的超塑性氣脹溫度區間彼此重疊和熱膨脹系數的差異，通過加熱時氣壓脹形成形板殼件，冷卻時由冷縮結合力提供雙層板間的抱緊力，實現異種合金雙層板殼復合結構的成形與結合。
【專利說明】一種異種合金雙層板殼復合結構件的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明專利涉及一種異種合金雙層板殼復合結構件的制造方法。
【背景技術】
[0002]異種合金雙層板殼復合結構是由兩種不同的材料成形與結合的，綜合利用了內層板與外層板的不同性能，發揮不同合金的性能優勢，優化了復合結構的綜合性能。
[0003]現有技術中，異種材料雙層復合結構的制備方法主要有軋制、焊接及液壓脹接等:軋制只能實現板復合，且當兩層金屬的機械性能相差很大時，變形抗力大的金屬易發生變形不穩定甚至斷裂的現象；焊接獲得的焊接接頭性能良好，但焊縫間易形成金屬間化合物，引發熱裂紋，嚴重影響構件的質量；液壓脹接是生產復雜管形件及實現管板連接的有效方法，液壓脹接屬冷加工工藝，但難以合理控制位移和內壓間的關系，且不適宜室溫下難變形材料成形和板殼結構成形，所以，研究一種新的雙層復合結構的成形與結合方法勢在必行。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種異種合金雙層板殼復合結構氣壓脹形/冷縮結合制備方法，超塑性氣壓脹形已廣泛應用于鎂合金、銅合金、鋁合金、不銹鋼、鈦合金和高溫合金等板殼件的成形中，不同合金的超塑性氣脹溫度區間彼此重疊，如鎂合金和鋁合金的超塑性氣脹溫度區間約在400?525°C之間重疊，鈦合金、不銹鋼和高溫合金的超塑性氣脹溫度區間約在900?1000°C之間重疊，所以，利用不同合金的超塑性氣脹溫度區間彼此重疊和熱膨脹系數的差異，通過加熱時氣壓脹形成形板殼件，冷卻時由冷縮結合力提供雙層板間的抱緊力，實現異種合金雙層板殼復合結構的成形與結合
[0005]本發明的雙層復合結構的制備方法按以下步驟進行
[0006]一種異種合金雙層板殼復合結構件的制造方法，其特征在于包括以下步驟:
[0007]步驟一，雙層坯料板的制備
[0008]選擇第一合金板(4)和第二合金板(5)，清洗并烘干后，層疊放置，形成雙層坯料板；
[0009]步驟二，加熱
[0010]將雙層還料板置于凹模(6)和進氣板(3)之間，第一合金板(4)的上表面和進氣板(3)接觸，第二合金板(5)的下表面和凹模(6)接觸，之后對該雙層坯料版進行加熱，力口熱至設定溫度，所述設定溫度在第一合金板(4)和第二合金板(5)的超塑性氣壓脹形溫度的重疊區之間,保溫5-10min ；
[0011]步驟三，加壓
[0012]施加0.5MPa-2.0MPa的氣壓使得雙層坯料板和進氣板(3)之間形成密封空間，該進氣板(3)具有一進氣通道(1)，通過該進氣通道(I)用于將氣體送至密封空間中，形成1.0MPa-5.0MPa的成型穩定的壓力使板料在以上所述設定溫度和加載路徑下脹形并緊貼凹模(6)的內表面，形成異種合金雙層板殼復合結構件；
[0013]步驟四，冷卻
[0014]將該異種合金雙層板殼復合結構件冷卻到室溫。
[0015]所述第一合金板(4)的膨脹系數小于第二合金板(5)。
[0016]所述第一合金板(4)的材質選自鋁合金、鈦合金或者高溫合金，第二合金板(5)的材質選自鎂合金、鋅合金、不銹鋼或者高溫合金。
[0017]步驟二中所述的加熱方式選自，電阻爐加熱、模具直接加熱或者電磁感應加熱等。
[0018]步驟三中所述的氣體可以是氬氣、氮氣或其它惰性氣體。
[0019]步驟四的冷卻過程中當雙層板殼復合結構內層底面形成凸起時，可采用保壓冷卻方式消除凸起，即保持氣體壓力P1冷卻到某一溫度，卸除氣體壓力P1后，取出脹形件，冷卻到室溫。
[0020]步驟四的冷卻過程中當雙層板殼復合結構內層底面形成凸起時，可卸除氣體壓力P1，取出脹形件，冷卻到室溫，從而消除凸起。
[0021]有益效果:
[0022](I)采用氣壓脹形/冷縮結合方法工序簡單，能夠通過單一工序同時實現雙層復合結構的成形與結合；
[0023](2)在超塑性成形溫度下，板材的變形抗力小，塑性成形性能高，能夠實現難變形材料的成形；
[0024](3)雙層復合結構通過過盈配合實現結合，避免了金屬間化合物的形成，為易產生脆性相的異種合金復合結構提供了有效的成形方式；
[0025](4)可以一次性制備形狀復雜的異種合金雙層板殼復合結構；
[0026](5)成形件質量好，不存在由于硬化引起的回彈導致脹形件成形后的變形問題，故零件尺寸穩定。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]下面結合附圖及實施方式對本發明作進一步詳細的說明:
[0028]圖1為具體實施實例的成形初始狀態示意圖；
[0029]圖2為具體實施實例的自由脹形階段示意圖；
[0030]圖3為具體實施實例的型腔填充階段示意圖；
[0031]圖4為具體實施實例的脹形結束階段示意圖；
[0032]圖5為實施實例脹形件成形結束瞬間橫截面配合示意圖；
[0033]圖6為具體實施實例冷卻后脹形件橫截面過盈配合示意圖。
[0034]其中P為密封壓力，P。為初始成形壓力，Px為成形過程中瞬時壓力，P1為最終成形壓力，e為過盈配合量。
【具體實施方式】
[0035]下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。
[0036]結合AA5083/AZ31異種合金雙層筒形件的氣壓脹形/冷縮結合制備方法對本發明進行進一步說明。
[0037]成形雙層筒形件的凹模6型腔直徑為80mm，高度為24mm，凹模6入口圓角半徑為4mm ο
[0038]選用板厚為1.0mm的AA5083軋制鋁合金板4及板厚為1.5mm的AZ31軋制鎂合金板5作為實驗材料，實驗前將板材切割成140 X 140mm大小的平板，用丙酮擦拭板材表面，保持板材表面清潔，為便于放入加熱裝置內，剪去四角。
[0039]AZ31鎂合金的適宜氣壓脹形溫度是400°C，熱膨脹系數約2.4X 10_5/°C，AA5083鋁合金的適宜氣壓脹形溫度是525°C，熱膨脹系數約2.1 X 10-5/oC，故雙層板4和5的成形溫度應介于400°C和525°C之間，AZ31鎂合金板6位于外層，AA3083鋁合金板4位于內層，構成雙層板進行實驗。
[0040]將雙層板4和5共同放入進氣板3和凹模6之間,然后將雙層板4和5以及模具6放入高溫電阻爐中，加熱到450°C后保溫10分鐘，用液壓機提供壓緊力，將板4的金屬壓入密封槽2中，起到密封作用，在進氣板3和雙層板4和5之間形成密封空間。保持成形溫度穩定在450°C，向介質通道I中通入氣體介質氮氣，為成形提供穩定壓力，初始壓力P。為
1.2?1.6MPa，階梯加壓至最大壓力P1為4.2?4.8MPa，在該壓力下保壓一段時間，使雙層板4和5在設定溫度和氣壓下完全貼模，實現雙層筒形復合結構的成形，如圖1-4所示。脹形結束后，卸除介質氣SP1，取出雙層筒形件(橫截面如圖5所示)，進行冷卻，冷卻過程中，AA5083鋁合金收縮量小，AZ31鎂合金收縮量大，內外筒形件間相當于形成了過盈配合量e，因而實現雙層筒形復合結構的結合，如圖6所示。如成形溫度過低，則雙層筒形件底面圓角半徑過大；如最終成形壓力P1過大，則成形過程中筒形件底面圓角破裂，如最終成形壓力P1過小，則筒形件底面圓角半徑過大，成形件輪廓不清晰。采用保壓冷卻的方式可防止內層底面突起，即脹形結束后，先不卸載氣壓，而是保持氣壓冷卻到某一溫度，然后再卸載氣壓，去除脹形件空冷到室溫。保壓冷卻時底面會產生微量塑性變形，松弛壓應力，這樣卸載氣壓后，底面所受壓應力就不會超過底面板的屈曲臨界應力，避免了突起。
[0041]脹形結束后，可選擇以下兩種方式之一冷卻:a.卸除氣體壓力P1，取出脹形件，冷卻到室溫；b.保持氣體壓力P1冷卻到某一溫度諸如350°C，卸除氣體壓力P1后，取出脹形件，冷卻到室溫。
[0042]應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。
【權利要求】
1.一種異種合金雙層板殼復合結構件的制造方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一，雙層坯料板的制備 選擇第一合金板(4)和第二合金板(5)，清洗并烘干后，層疊放置，形成雙層坯料板； 步驟二,加熱 將雙層還料板置于凹模(6)和進氣板(3)之間,第一合金板(4)的上表面和進氣板(3)接觸，第二合金板(5)的下表面和凹模(6)接觸，之后對該雙層坯料版進行加熱，加熱至設定溫度，所述設定溫度在第一合金板(4)和第二合金板(5)的超塑性氣壓脹形溫度的重疊區之間，保溫5-10min ； 步驟三，加壓 施加0.5MPa-2.0MPa的氣壓使得雙層坯料板和進氣板(3)之間形成密封空間，該進氣板(3)具有一進氣通道(1)，通過該進氣通道(I)用于將氣體送至密封空間中，形成1.0MPa-5.0MPa的成型穩定的壓力使板料在以上所述設定溫度和加載路徑下脹形并緊貼凹模(6)的內表面，形成異種合金雙層板殼復合結構件； 步驟四，冷卻 將該異種合金雙層板殼復合結構件冷卻到室溫。
2.如權利要求1所述的一種異種合金雙層板殼復合結構件的制造方法，其特征在于所述第一合金板(4)的膨脹系數小于第二合金板(5)。
3.如權利要求2所述的一種異種合金雙層板殼復合結構件的制造方法，其特征在于所述第一合金板(4)的材質選自招合金、鈦合金或者高溫合金，第二合金板(5)的材質選自鎂合金、鋅合金、不銹鋼或者高溫合金。
4.如權利要求1所述的一種異種合金雙層板殼復合結構件的制造方法，其特征在于步驟二中所述的加熱方式選自，電阻爐加熱、模具直接加熱或者電磁感應加熱等。
5.如權利要求1所述的一種異種合金雙層板殼復合結構件的制造方法，其特征在于步驟三中所述的氣體可以是氬氣、氮氣或其它惰性氣體。
6.如權利要求1所述的一種異種合金雙層板殼復合結構件的制造方法，其特征在于步驟四的冷卻過程中當雙層板殼復合結構內層底面形成凸起時，可采用保壓冷卻方式消除凸起，即保持氣體壓力P1冷卻到某一溫度，卸除氣體壓力P1后，取出脹形件，冷卻到室溫。
【文檔編號】B21D26/059GK104174752SQ201410328330
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月10日 優先權日:2014年7月10日
【發明者】王剛, 謝允聰, 李驍 申請人:哈爾濱工業大學（威海）