專利名稱：制造超塑成型和擴散接合的制品的方法及其制品的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種制造超塑性成形和擴散接合的制品的方法及由此方法制出的制品。該方法和制品尤為適用于如中空翼，翼板，導管件，箱體(例如成為發動機箱體一部分的帶法蘭管)和框架(即軸承支撐件的部分)等所用的硬化蜂窩狀板結構。在某些實施例中，本發明尤適用于如壓縮機或風扇轉子和定子翼片的空間曲率翼片的制造。
與粘性流體所表現的特性相類似，超塑性是某些金屬呈現的流動特性，這些金屬具有異常高的拉伸長度而無縮頸現象，即在有限溫度和變形率范圍內，當受拉伸時橫截面積均勻地減小。這種為鈦合金和某些其它金屬和金屬合金所特有的現象已利用于制造多種制品，尤其是那些具有小彎曲半徑的錯綜復雜形狀的制品。
還了解到在這些相同的超塑性成形溫度下，當在接觸表面上施以壓力時，相同的材料能擴散接合。擴散接合是這樣一種工藝，即在相鄰接觸的金屬件上在一規定時間長度內施加以熱和壓力，從而形成一冶金接合。接合被認為是由于原子穿過金屬件的相鄰表面的運動而產生的，它是時間、溫度和壓力的函數。該種工藝的獨特正在于可使金屬結合而不會明顯改變接合處的它們的物理或冶金性能并使幾何畸變最小。
為了適應旨在減輕盤凸緣負載而對重量輕、高強度和堅硬翼片的要求，以及對導管、框架和類似結構，特別是飛機和宇宙飛船的要求，早在1970年就開始利用超塑性成形和擴散接合工序的不同組合制造制品。在一種較早的而為現今在使用的技術中，工件僅在選取的位置接合，而在未選擇的位置涂復保護層以防接合。這是為使這些位置靠超塑性成形而不接合地成形所必需的。最早使用該保護層的情況在美國專利No.3920175中例述過。
含有最常見的一氮化硼和三氧化二釔的已知的保護層會產生嚴重損害最終的接合處的完整性的雜質，并能導致脆化。在復雜結構，尤其是應用蜂窩狀硬化芯的中空芯結構中，不可能全部除去保護層。此外，保護層通常被手刷到不要接合的區域上，很可能產生不穩定和不一致接合區。因此，使用保護層也被限于較簡單的結構和寬的接合區。雜質也很可能隨保護層而發生，從而阻止可靠地接合。
與保護層有聯系的許多問題至少早在如1976年的美國專利No.4087037(具體參閱第1縱列第20-42行和55-58行;還可參閱美國專利No.4304821中的第一縱列第45-56行)的現有技術中已認識到，該專利描述了一種用于不必使用保護層而生產超塑性成形和擴散接合制品的方法及壓力機械。該專利提出不必使用保護層，而使用一種復雜的壓力機，該機能連續控制工藝以使在零件可彼此接觸以擴散接合之前完成超塑性成形各工序。通過使用一限制模和一配對的可動的模(flexibledie)可部分實現此目的，在達到擴散接合溫度前這對于壓力方式是必需的。注意該專利指出必須防止不要接合的表面意外地接觸，因為這種不期望的接合將造成明顯的危害(參閱第3縱列第29-34行)。雖然該專利舉薦了形成帶空間曲率的大范圍結構的已公開的機械的性能，但申請人并不了解為那目的的這種機械的任何有效的工業用法(或任何機械或方法學的那些事情)。
避用保護層的另一途徑是將兩或多塊金屬板縫焊在一起以呈一接合方式，然后由于焊合板在受熱時的膨脹而超塑性形成一由互連的諸小網格組成的蜂窩狀結構，有時同時接合于外板。這樣的焊接工藝已揭示于如美國專利No.4351470，4304821和4217397中，其中最早的那個專利申請于1978年。
但是，縫焊接合方式有某些缺點。首先，它不能在充分詳細的細節上精確控制以達到均勻寬度的接合，尤其對較細致的結構形狀更是這樣，且還必需一較寬的接合寬度，因而在充氣(膨脹)期間當在金屬板中形成的相鄰小網格的側壁必須雙雙背對背相接以會聚于焊接線的中間時，就導致產生斷裂應力。此外，縫焊會產生不可靠的接合，因為故意留在焊縫之間的間隙將在受熱時進行擴散接合，由此妨礙了為達到均勻的超塑性成形所必需的流體流動。其結果，總的說來，焊接結構不能滿足高度受力件，尤其是工況惡劣的零件如風扇翼片的制造的要求。上面提到的美國專利No.4351470扼要指出了“不用焊接法，可利用一些其他措施，如擴散接合，將板固定在一起。”(見第2-3縱列)。盡管如此，它并沒說明如何達到這種擴散接合的方式。由于意識到必須小心防止在非接合的那些表面接觸(參閱如美國專利No.4087037第3縱列第29-34行;美國專利No.4304821第一縱列第39-42行)，很可能所引用的句子中考慮到為那目的而使用防護涂層或間隔物(間隔物會提出類似于防護涂層的和其它的問題)。
除了由使用保護層和焊接引起的一些問題和歸因于在成形中金屬局部修磨的一些問題外，還會從在現有諸工藝中諸結構組件經受的多次熱循環中產生一些問題，其中熱循環對最終的結構產生削弱作用。
還有在某些現有技術的諸方法，尤其(但并不僅僅)應用防護涂層的那些方法中的其它許多缺點是，在它們成形后不能檢查和評定接合的整體性，這是因為靠加工工藝不能反映出接合部。當蜂窩狀結構用作一翼片的中空芯時，該問題是尤為嚴重的，其中蜂窩狀結構在兩層外表面層之間形成后被封起來。與硬化芯情況相反，由于精加工結構的大部分開支和翼片本身有關，故因其廢品率較高而使這些工藝在經濟性上不可行。
盡管現有技術試圖不用保護層或焊接法，以及不用苯重而貴重設備而達到超塑性成形和擴散接合制品的工業上可行的方法，但是至今申請人尚不知道任何工業上成功的結果。有關復雜的空間曲率翼片結構以及復雜的結構件如框架或這種構件的結構單元的制造方面，還沒有一種成功的方法，這是值得注意的。
廣泛地說，為了克服上述的缺點，按照本發明的結構，可通過將一塊或一對金屬板放置在至少一塊模板當中，最好是放在一副模板之間制成，模板沿著一條板表面與金屬板接觸，在該條板表面的間隔處，形成一系列多邊形空隙，這些空隙通過條板表面上形成的各凹槽互相連通。在受熱時當模板將諸金屬板壓在一起時，沿該條板表面接觸的金屬流入鄰近的金屬板的非接觸的多邊形區域，使得這些部位朝外流動，從而形成一系列枕形小網格，這些小網格通過與上述的各個凹槽相對應的成網絡狀的一些通道互相連接。當將兩塊金屬板結合在一起時，諸小網格可以通過位于金屬板邊緣上的一排氣管所施加的氣壓并借助網絡狀通道將氣壓送到所有的小網格，從而將各小網格吹脹。
本發明部分地基于這樣一種發現，即沿著那些條板表面對金屬板進行加壓，可以使金屬板上的金屬流入條板表面間隔的多邊形區域，使這些區域鼓起或(當兩塊金屬板同時成形時)通過足以構成可加壓的互相連接的枕形小網格的數量而分隔開;這樣，即使沒有保護層，金屬板的枕形區域也不會在擴散接合溫度下接合在一起;而且這還提供了一種制造硬化的增強金屬結構的新的有用的途徑。還發現以這種方式制造的預制件可進一步加工生產出整體復合彎曲增強的結構，這種結構可用于壓縮機和風扇轉子或定子葉片及類似的翼片結構。可以相信，每一塊金屬板在成形工藝中，可以借助在金屬板和相鄰的模板之間某些類似于表面張力作用的親合力形成一些向該相鄰模板延伸的枕形柱。這里所說的術語“枕形柱”意味著當用模板沿條板表面對金屬板加壓時在金屬板的表面上形成一枕形位移或隆起。每個枕形柱與相應的壓板上的一個多邊形空隙相對應。因此，當兩個枕形柱在兩塊金屬板上同時成形或是采用別的方法同時制成時，一個“小網格”則由兩個背對背緊靠的枕形柱組成，這樣它們就可以形成一可吹脹的體積。因此，如果單獨成形加工一塊金屬板，就必須采用一模板和一相對的平面。如果以這種方式在同一個操作中成形加工兩塊金屬板的話，也可采用一塊模板和一相對的平面或兩塊相對的模板，如下文所述。
按照本發明的一個最佳實施例，加壓成形在小于或低于擴散接合所需的時間或溫度下進行。最終形成的金屬板接著可加以清理和沿著它們的周邊焊接或者接合，當金屬板接合在一起時，將一流體流通管插入并焊接在金屬板之間，以控制整個互連小網格的網絡的壓力。金屬板之間的空間最好抽真空以確保充分接合，然后再將金屬板放在成形模板之間在擴散接合的溫度下直接進行機械加壓，從而將它們沿著條板表面接合在一起。然后除去模板并仍然在擴散接合溫度下用惰性氣體加壓最終的預制件，使互連的小網格通過超塑性流動膨脹。
或者，也可采用單一操作，通過在擴散接合溫度下將模板保持足夠長的時間使金屬板發生擴散接合而同時完成成形和接合。然后將模板卸去，并仍在擴散結合溫度下按上述方法加壓預制件，將諸小網格吹脹到所需的體積。這種操作最好是在一真空爐中進行，這可以獲得象金屬板之間的體積抽真空一樣的效果，而不必事先焊接金屬的周邊和進氣管。該實施例中的周邊接合可以通過將模板或其他模制元件制成適合于金屬板的周邊擴散接合的形狀所形成，在金屬板的周邊留下一個用于流通氣體的開口，以便需要時可以將一管子焊接或擴散接合在該開口處。
上述預制件的小網絡的膨脹可以自由擴展或可以由模具的內表面來限制，因此最好能重復所需的最終結構的內表面。如果是自由膨脹，諸小網格最好不要吹脹到它們相鄰的側面互相接觸并開始接合的程度，因為這些必須留作最后一道工序，即，使部分地膨脹的芯子接合到其他外部結構元件上。如果采用限制膨脹，最好將諸小網格吹脹到使它們的側面沿著其整個表面接合到相鄰的小網格的壁上，并使諸小網格的端面形成平滑的、基本上連續的、可與例如翼片表層或框架表面等的外壁(即，相對于核心結構的外部)接合的表面。
而且，按照本發明，對預制件可進行初始小量的加壓就足以防止在卷曲，扭轉或其他加工時發生扭曲，然后在一個或多個周邊形模具中進一步吹脹，這些模具將控制的扭轉或雙向彎曲賦予與最終所需形狀相對應的或導致最終所需形狀的預制件。
雖然這里模板被描述為規定的多邊形，但這術語是廣泛應用的，包括圓形和帶有任何數量側邊的多邊形。所選的多邊形形狀最好提供由一系列規則的等寬度條板表面所分隔的小網格的多邊形。具有實用目的的最佳形式是如附圖所示的六邊形。在某些應用場合，應避免較小數量的側邊，因為當對小網格進行加壓吹脹時，較尖銳的棱角部比較多數量側邊的更容易損壞。八邊形，十邊形及十二邊形也是有用的，因為它們均能提供構成等寬度條板表面的一種規則多邊形排列。正方形作為一種多邊形，雖在某些場合是有用的，但一般不能提供象最佳幾何形狀相同程度的均勻強化。
按照本發明的最終結構最好已接合的雙層壁，即相鄰的小網格互相接合，內部沒有未接合的空隙，每個小網格的整個端面可以與鄰近的表層或壁相接合。而且，多邊形小網格的式樣是可變化的，例如可以在一特定區域內制成較小或較大的式樣，這樣可對增強結構的壁厚及壁的尺寸進行“調整”，以避免不希望的振動現象，或者滿足較厚或較薄的增強壁，或滿足最終產品所希望的各種特征的其他要求。
在金屬板成形過程中，模板對金屬板加壓的程度可以從百分之幾到大約10%，最好是大約5%，壓扁量定義由模板所引起的金屬板在條板表面處厚度的壓縮率。例如，在一塊0.040英寸的金屬板上厚度減小0.002英寸，壓扁量為5%。按照本發明，當模板抵著擋塊靠在一起時，可精確而可控地達到預定的壓扁量。這種擋塊可作為結構件安裝于諸模板之間，以確定諸模板的終止端，或者可以包括另一種電子的或機械的、可達到相同最終結果的裝置。只要施加公稱壓力就可以達到該目的。
按照本發明，最好用一對模板來生產深度強化的結構，因為氣體壓力也會使各小網格從金屬板平面的兩個方向上均勻地膨脹使達到最大深度。然而，對一些較薄的結構而言，最好采用一個和一相對平面一起操作的模板，因為最后的壓扁量僅出現在與帶有壓形的模板相接觸的金屬板上，在氣壓作用下，只有那部分金屬板(壓后較薄的部分)可吹脹成膨脹的小網格。所以最終的結構與那種每個小網格的兩個相對的表面均被吹脹的結構相比，其深度只有后者一半。諸小網格的吹脹的程度決定于小網格壁的所需厚度，而壁厚又決定于特定應用的結構要求。一般，壁厚減小50%是可接受的，但對某些應用而言，小網格壁可減薄到其原始厚度的百分之幾以內。
在本發明的一個實施例中，將這種蜂窩狀的板條結構彎曲成與一種翼片的中空芯部相一致并嵌入和接合在該翼片的內部。就這點而言，可以將一對翼片的表層加工形成一內腔。然后將局部成形的蜂窩板條結構置于該兩層表層之間，并將兩表層的周邊接合在一起，同時留下一些氣體管子，用作進入到該板條結構內部空間和板條結構與翼片空腔之間的空間的入口。將最終的結構置于超塑性流動溫度下，將氣體壓力有控制加到板條結構內并降低板條結構與翼片空腔之間的壓力，把4網格的端壁擴散接合到表層，由此構成一種具有中空整體增強內芯的翼片。
用于制造本發明的蜂窩板條(或芯子)結構和最終制品的方法克服了與保護層及焊接有關的那些問題并緩解了伴隨以前的方法而出現的局部變薄的問題。而且，用于實施該方法的設備是相當簡單的，因此，也是可靠的和便宜的。重要的是，由于蜂窩預制件及芯子可獨立于芯子將要被組裝其內的最終制品制造，在將蜂窩結構及芯子組裝或與其他結構件相接合而構成最終制品之前，它們對于確定接合和結構的完整性是相當容易的。
本發明的方法可以用于制造各種用途的增強的蜂窩板條結構或芯子結構，和制造例如導管、框架、支桿、翼片之類的結構件，該結構件采用一內部輕質硬化芯子，這種芯子是可以與該結構元件整體接合的。蜂窩狀結構具有高的強度與重量之比值且非常硬，因此非常適于用作中空芯結構元件的增強芯。
本發明的最佳實施例將結合其附圖進行描述。
圖1是在超塑成形和擴散接合之前設置在工具的相對模板之間的兩金屬板的橫剖視圖;
圖1A是在超塑成形和擴散接合之前設置在工具的模板和工具的相對平面之間的一金屬板的橫剖視圖。
圖1B是類似圖1A的橫剖視圖，表示單塊板沿其條板表面被加壓后的外觀。
圖2是圖1所示的下模板的局部平面圖;
圖3是在圖1和2所示的模板的接合線上的局部透視圖，其中在模板之間沒有金屬板，且上模板用虛線表示。
圖4是根據本發明擴散接合在一起的如圖3所示的超塑成形板的局部透視圖;
圖5是沿圖4中“5-5”線剖的橫剖視圖;
圖6是根據本發明為形成雙曲面蜂窩狀板結構的模具的透視圖;
圖7是在最后裝配之前的本發明的翼板的透視圖，以表示其三個基本結構組件;
圖8是裝配后的圖7中的翼板的透視圖;
圖9是沿圖8中“9-9”線剖的橫剖視圖;
圖10是根據本發明可以形成提供氣體通道的諸小網格互連成的蜂窩結構的平面圖。
根據本發明所使用的諸模具或模板如圖1至3所示，圖1至3顯示的實施例中的諸模板形成一六邊形式樣。圖1表示二塊模板10、12，在它們之間夾著二塊金屬板16、18。如圖2所示，模板12(模板10同樣如此)具有設置的作業的條板表面20，以在如圖4所示的合成預制件24上形成相應的條板表面22，預制件24由金屬板16和18用已敘述過的方法加工成形。模板條板表面20在其間隙中形成一系列多邊形空穴或空腔28，在模板條板表面20中諸模板還有諸離隙部分26，它使諸多邊形空腔28互連。諸離隙部分26應該允許通過外管14所施加的氣體壓力傳送至所有的多邊形空穴中，如圖2和3所示。
圖10顯示用于該目的的離隙部分的一個例子，可以使用任何形式的離隙，只要能提供足夠的氣體壓力遍及網格，以獲得所期望的膨脹。雖然認為對于大多數應用一根管子14是足夠的，但如果需要，為該目的可以提供多于一根的管子14。
另外，如果需要，這里所描述的發明可用于超塑形成一單塊板，而不是如上所述的一對這種板，用于實施該工藝的設備用圖1A和1B圖示和描述。圖1A描述夾在模板10和相對的平模板13之間的單塊金屬板。如圖1B所示，模板10具有設置的作業條板表面，以便當板16在模板10和平模板13之間受壓制且經受到在或大致在所選擇的特定材料的超塑性范圍內的溫度時，在金屬板16上形成相應的條板表面，圖1B大致顯示當金屬板16進行成形工序時金屬板16的外形。
根據本發明的較佳實施例，如圖1和2所示的那些模板用于可以超塑成形和擴散接合的一對金屬板，而且模板一起加壓，在條板表面22的區域內產生百分之幾至大約10%的板的壓扁量。根據本發明，已經發現，可以這種方式制出有用的預制件，而不需要使用保護層或任何其他種類的粘合抑制劑，而且也不必控制由金屬板形成的夾層結構內和外的相對壓力。用所揭示的形式對金屬板加壓會使多余的金屬流入相鄰的模板的多邊形空腔，由此形成諸多邊形小網格32，同樣，金屬板16和18的金屬流入離隙部分26，形成與諸小網格32互連的、相應形狀的諸泄氣通道30。
用通常的壓力機械可以在通常的熱壓機或真空爐中進行該方法，這樣可以使模板一起靠在確定的擋塊上達到為預定壓扁程度所要求的距離。例如，如果使用的二塊金屬板每一塊是0.040英寸厚，擋塊應該設置成限制模板間隔為0.076英寸，以在每一板上獲得0.002英寸或5%的壓扁量。
條板表面20最好制得較窄且具有同樣的寬度，寬度最好約為0.040至0.060英寸，它們必須有足夠的寬度，以便當模板靠攏時得以接合，以及滿足成形工序期間所要求的強度;同時，它們也應該是窄的，足以在壓制時當相鄰的兩小網格壁雙雙背靠時避免過度的彎曲應力。條板表面也可以具有不同的寬度，且甚至可使諸多邊形隨意配置，即在板的表面上的多邊形的尺寸、形狀或排列方向可隨意變化。所需的條板表面必須根據金屬板的厚度、使用的特定合金、多邊形的尺寸和幾何形狀、所需的小網格的脹大程度和所需的成品特性來確定。該工藝尤其適用于這種場合，即它允許用相當薄的金屬板(0.020英寸數量級)制造芯結構，以獲得重量很輕的結構，而諸小網格壁的金屬不致過分伸長或頸縮。
如圖所示，附加的模板10和12可以形成一開模，或者也可以形成一閉腔模(圖中未畫出)，其中小網格增大量可以(但不必需)由內模表面的鄰近處限定。可以看到開模的機加工更經濟。
模板也可以形成一外部或周邊表面11(圖3所示)，它形成基本上圍繞整個予制件所需寬度的擴散接合區，且留有氣體傳送所需的通道15，下面將描述到。另外，一對分開的模板(圖中未畫出)可以和圖1所示的模板一起使用，以產生周邊接合。
本發明可用的金屬或金屬合金是那些能夠進行超塑成形和擴散接合的材料，它們最好能有大的塑性變形，在它們處于其超塑溫度時形變從百分之幾直到大約1000%。每一特定合金在一定的溫度下發生超塑變化，該溫度可以很容易地從熱源處或由現有技術中所熟知的方法，例如1978年McGrawHill的M.Hansen的“雙相圖表”測量或決定。在現有技術中已知道鉛和鈦的超塑變形合金，一種最好的鈦合金包括鋁和釩，如合金鈦6鋁-4釩(Ti6Al-4V)，在約1435°F時具有超塑性，在約1675°至1725°F時可結合。其他某些合金，主要是鈦或鋁，但也有其他金屬，這些合金可以通過減小它們的顆粒尺寸獲得超塑性，因為已知細小的、穩定的顆粒尺寸使金屬具有能超塑流動的能力。
使用熔點抑制劑或結合催化劑，以降低金屬板的擴散結合溫度，這也在本發明的范圍內。這種催化劑是眾所周知的，且對所含的金屬或合金是有特效的，例如結合鈦合金的鎳和/或銅。催化劑沿條板表面施加到板上，在接合期間它轉移到金屬中，這樣制成的接合處主要由單一的鈦合金形成。G.Fitzpatrick和P.Broughton的“TheRollsPoyceWideChordFauBlade”一文中描述了在翼片制造中使用接合催化劑，該文于1986年10月在加利福尼亞、舊金山由鈦開發協會召開的第一次國際會議上發表且郵寄給協會會員。
用根據本發明最好的方法，兩塊金屬板16、18放在一熱壓機或類似的已知設備上的模板10和12之間，而且使模板一起靠在擋塊上，以便沿條板表面20獲得約5%的壓扁量，這最好在超型溫度下進行，其目的是使板16和18的金屬變形而不使它們接合。在超塑溫度時，變形幾乎一瞬間就產生，形成如圖4所示的枕形網格32，這可以在空氣環境中完成，低于超型轉變(溫度)時將需要較長時間。然后移開模板，這樣成形(但未接合)的板16和18(成形的板如圖4所示，不管它們是否接合在一起，當如圖放置時，它們基本上具有同樣的形態)可以進行清掃，以進行以后的工藝處理。然后板可以例如用芯棒進行局部變形，以提供如圖4所示的輸入管14。然后將板沿它們的邊緣處焊接起來，這可用現有的焊接方法，如電子束(EB)焊或鎢惰性氣(tungsteninertgas)(TIG)焊，這些方法不污染金屬表面。管子14最好也用例如條焊焊到位，這樣兩塊板形成氣密性內腔。
然后通過管子14進行抽真空，真空度為約10-2和10-3乇之間，并且將兩塊板再放入爐中，爐溫和加熱時間應使足以產生擴散接合，模板基本上保持與在原有成形步驟中使用的一樣的閉合程度。板之間的真空保證沿條板表面22能足夠的接合，以避免形成由殘留的甚至是很少量的氣體可能引起的未接合區。同時，真空也不可高到以致破壞成形的枕塊。
需要注意的是，如果模板10和12是閉模或限制模，其中所形成的枕塊可以具有平頂的六邊形直壁形狀。對于鈦來說，最好是模板表面用硼鎳粉末潤滑，這是一種已知的干潤滑劑，以便防止由于與金屬板摩擦而使模板表面磨損。
使用在上述工藝中的0.030英寸的鈦合金鈦6鋁-4釩和用六邊形模板壓的5%壓扁量時，六邊形對邊之間的距離是0.050英寸且條板寬為0.040英寸，并且在大約1440°F下加熱15分鐘，如圖4所示形成的可以看到的諸小網格高出板16和18原有表面約1/16英寸，內網格深約為1/8英寸，當使離隙26寬度約為3/32～1/8英寸時，形成的泄氣通道30的內徑約1/32～1/16英寸，就形成了泄氣通道30互連的小網格網。
本發明的上述實施例優點在于它可以在一般的熱壓機上實施，在該溫度下一個操作過程約為一小時。另外，該工藝也可在較昂貴的真空壓機上實施，但一個操作過程需要較長時間。鍛壓機內的真空與上述焊接的預制件內的真空作用一樣，即保證足夠的接合。還有，在該實施例中，熱和壓力在起始步驟中可保持足夠長的時間，以使接合以及形成互連的小網格結構。對于鈦合金鈦6鋁-4釩和在約1700°F溫度下，對于與5%壓扁量接合所需的時間為1至2小時。用本發明的該實施例，板16和18可以同時沿其邊緣擴散接合成一條帶，而不是焊接而成。如管子14的管子最好有但不是必需，這足以在周邊接合處留出一間隙，通過該間隙內預制件腔和爐子的真空環境相連。可在壓力機或爐子中使用多套模板，每套模板如上所述，這可以增加工藝效率。
應該注意在模板中避免有尖角，例如，對于0.040英寸條板表面寬度，在模板中相鄰六邊形之間的壁厚可以是0.1英寸，彎成半徑為0.032英寸的圓，六邊形的角同樣是圓的，使可避免尖角產生高局部應力。
最好管子14用和板16及18相同的合金制成;然而，管子可用任何能擴散接合或焊接于金屬板的材料制成，這要視所采用的工藝的實施例而定，此材料有相近的熱膨脹系數和或者與基金屬相容。
如上所述，根據本發明制造的預制件24，然后在超塑溫度下以及以一般大約為200至300磅/每平方英寸的壓力的惰性氣體(如氬氣)的充氣，以形成板結構或規則或不規則形狀的芯結構。如果象上面所說的那樣，預制件的兩半部分制成后未接合在一起，那么當它們再加熱以便接合時，它們從模板移開后在同一個熱循環中可進行另外的充氣(膨脹)。充氣(膨脹)使諸小網格32從板16、18的平面沿兩個方向向外伸展使伸展量為最后所需的伸長度的一個百分比，比如70～90%。請注意，和已有方法比較，此方法能使制造所需要的溫度循環數目為最少。
預制件的充氣(膨脹)只要在其周邊固定時就能進行，此時諸小網格將沿他們各自的方向相等地擴展。或者，預制件可以在封閉空腔模子里充氣(膨脹)，這樣空腔的壁限制并限定了膨脹或部分膨脹的芯的所希望的形狀。比如，這樣的模子可以使膨脹限制到最終結果的較大的百分比。它也可以允許使脹到所希望的完全的擴展度，同時可以接納諸外部板或結構單元，這樣板或結構單元就可穿過氣囊的整個區域擴散接合于諸小網格的膨脹端上，而使諸板和諸小網格之間的表面接合且基本上為空的。另一方面，預制件也可用這種方法充分充氣(膨脹)，然后接合于諸外部單元。下面將可以看到，既然膨脹是通過氣體壓力均勻平緩地進行，實際上各種任意芯形狀可以通過相應模子空腔的定形來實現。只要膨脹度足夠小以致不會發生接合比如在相鄰小網格壁之間接合，充氣(膨脹)就可在空氣中進行。如哪種操作是在空氣中進行，板金屬或預制件必須去除氧化物和其它雜質，這可通過已知技術來實現，比如本領域中所熟知的在接合徹底完成之前進行酸洗。
對于形成空間曲率翼片結構比如風扇、壓縮機的轉子葉片以及整體式帶葉圓盤結構，常常需要高度彎曲表面、高強度和剛度、重量輕，而且在早期制造階段對核心可進行檢測，這已圖示于圖6-9。
預制件24先大致根據翼片內部中空部分或穴窩的空間曲率扭轉成一定形狀。如此扭轉的芯在圖中用44表示，它位于翼片40的分別也稱為上下外殼的上下兩半部分46、48之間。根據本發明，上下外殼46、48是沿它們周邊對應的表面50、52擴散布接合在一起的，而它們之間的空腔或穴窩42(最好相等地擴伸入兩個外殼)完全由蜂窩狀的芯44充填，芯44膨脹以充填此體積并完全沿其外表面擴散接合于相應的翼片外殼的內表面。
根據翼片的空間彎曲度，最好先將部分彎曲度分給模子里的預制件，也可以是全部或大部分最終所要的彎曲度，而剩下部分則由作為模子的翼片外殼本身來完成。另一種方法，如果只需要較小的空間彎曲度，則可以通過翼片外殼本身分給預制件，而不需要一個或多個初級模制步驟來逐步實現所需要的空間曲率。
圖6是模子56的透視圖，它包括頂和底部模板58和60，面62，我們希望通過特殊的模制步驟，當具有不同扭曲度或空間曲率的兩半部分模子相配合時，使兩模板之間限定共同的外周表面62。預制件24圖示于模板58和60之間，管子14在其應有位置以使預制件24內部加壓。在爐子中，預制件24首先用隋性氣體加壓至幾個磅/每平方英寸，以避免預制件在彎曲時發生“扭結”或急彎。然后兩部分半模子或模板58、60閉合在預制件上，此時溫度在超塑范圍內，這樣預制件可按希望進行扭曲。如簡單為把部分扭曲分給預型，模子56可以是開口空腔模子;或者它也可以是個封閉空腔模子，其內表面形成了通過膨脹的預制件24所要形成的芯的外部形狀。這可以是芯最后所要的形狀，或者也可是所需膨脹度的一定比例，而比全部膨脹度略小。當在所有或大致全部扭曲被分給芯以前就完成一些膨脹度時，膨脹度最好保持在某值之下，此時諸小網格的邊壁開使相互接合直到實現最終的扭曲度。這樣就不必在邊壁已經在芯內接合后把一部分扭曲分給芯，這會使它們變形和造成諸小網格的厚度不均勻。對于較大的空間曲度，可采用一系列按順序使用的模子。
然后膨脹后的芯44放置在兩半部分翼片46、48之間，在芯和外殼的超塑區溫度下將三層東西壓在一起。翼型外殼46、48的制造可通過任何一種本技術領域已知的方法來完成，比如通過機加工和熱成形相結合的方法。它們最好用與芯相同或相容的一種合金制成。在外殼46上加工有與通道64相似的通道65，以使在芯44和各自外殼之間形成的內部容積中流通氣體，這樣可在這個容積內產生真空以便實現芯44表面和外殼46、48的相應內表面之間的完全接合。這可用好幾種方法中任一種，將要在下面描述。管子14穿過通道64放到位，以為芯44內部的加壓提供一個氣路，以使它膨脹到完全充滿由兩半部分翼片46、48之間形成的容積。形成這個結構后，可移去管子，如需要則把留下的小孔塞住或焊住。
這里要描述將兩部分翼片和芯44的組件形成完整的翼片的兩種方法。其中之一，操作步驟在真空壓模中進行，此時提供必要的溫度和壓力，以對真空條件下的翼片外殼的相配合的外周面50、52提供機械壓力。將三件式組件放置在真空壓模中，管子14與能使芯的諸小網格充氣膨脹的惰性氣體源連通。經加溫，將模子閉合以對外殼的外周面50、52施加約5%的壓扁量的機械壓力，通過管子14加上惰性氣體壓力，使芯44膨脹抵住翼片外殼的內部穴窩壁。在5%的壓扁量和約1675°F到1725°F的溫度下，對圖7-9所示的典型葉片結構的成形和接合步驟可在約二小時內完成。由壓力機提供的真空度最好在約10-4至10-6乇之間。在外殼48上機加工出通道65，以使由壓力機提供的真空與在芯和各自外殼之間的內部容積相聯通。可在一個或兩個相配合的翼片外殼上機加工出這樣的通道，如果需要，也可以有多于一個的這樣的通道。另一種方法，翼片外殼46、48也可以沿其周邊上焊接并抽空，以形成真空腔，從而可使在壓力機下發生接合，而不必在更昂貴的真空爐中進行。為此目的方便的做法是把管子67焊到通道5上，通道5可與真空度為10-4-10-6乇的一個適當的真空源聯通。進行這工作可以在組件置于壓力機中前把管子67連通到一個真空源，并把管子封口，這樣在整個熱循環中都可保持所需要的真空度而不必在壓力機中加入真空聯結器。在擴散接合溫度下，芯充氣(膨脹)并充填和接合到翼片外殼內的穴窩上。請注意這里總是說明充氣是采用惰性氣體如氬氣來進行，以避免形成不容易去除的氧化物或其它雜質。
為膨脹氣囊，芯內維持壓力所需要的時間段與那些本領域所熟悉的相近似，這取決于氣體壓力、所采用的特定的合金、板的厚度和特定預制件的幾何形狀。請注意，如圖8所示，氣體通道或管子最好通過翼片的路徑片(route)69，或者通過末端，這樣它們不會穿過受到橫向應力增加的橫向區域(traverseareaswhichmaybesubjecttotransversestressrisers)。
圖8和圖9示出了完整的翼片，外殼接合在一起，包圍并接合于芯44。重要的是，模板的后來的芯44在密封到翼片里前可以用任何常規的測試方法進行檢查，使在此工藝的早期階段對芯的接合處及結構整體性進行檢查。通過用此方法進行的適當的檢查，不大可能使不正常接合或成形的芯與翼片相配合，從而避免了由出廢品而造成的不必要的費用，比采用不允許作這樣的早期直接檢查的工藝提供了更高的結構整體性和安全性。
請注意，根據本發明的兩個或更多的蜂窩狀芯可以接合在一起，以產生加強的結構，這比僅采用單個芯而可行或所希望的能具有更大的深度和不同的形狀。
對在本領域內的熟練人員來說很明顯的是，對上述實施例的修改和改變可在本發明的范圍和精神內進行，后附的權利要求書限定了本發明的精神和范圍。
權利要求
1.一種制作蜂窩狀結構的方法，包括(a)提供至少一能夠進行超塑成型的金屬板；(b)施加壓力使對所述的板沿著條板表面加壓，在其間隔中形成一系列彼此由條板表面內的間隙互連的多邊形空腔，所述的壓力足以使板的厚度沿條板表面減小百分之幾到百分之十左右，在足夠溫度下施加所述的壓力并保持足夠的時間，以使金屬流入多邊形空腔區和在空腔區內形成由與所述的間隙相對應的通道互連的枕形柱，而所述枕形柱和通道相對于條板表面呈隆起。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的溫度足以使金屬板變成超塑性的。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述二塊金屬板以面對面的方式安放且施壓于它們上的壓力由至少一成形所述條板表面的模板和一相對的表面提供，所述的模板和相對表面一起頂著牢靠的檔塊，并兩者之間構成一與所述厚度的減小相對應的間距。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述的相對表面是平的表面。
5.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述相對表面是一形成一與第一所述模板的第一條板表面相對應的第二條板表面的第二模板，所述的諸壓模設有相對應的諸間隙，使二塊金屬薄板在其間經受上述施加(的)壓力并在相對方向上形成諸隆起的枕形柱，諸枕形柱則構成一由通過所述的板的周邊上的孔可達到的諸通道所互連的小網格網絡。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，這種條板表面具有1/32至1/8英寸左右的基本上恒(穩)定的寬度，所有形成條板表面的模板的邊緣都經倒圓，使足以避免形成在金屬板上產生過分應力的尖角。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述諸多邊形空腔的形狀是選自六角形、八角形、十角形和十二角形組成的一組中的任一種。
8.如權利要求3所述的方法，其特征在于，包括將金屬板在所述的溫度下保持足夠長時間，以沿它們的條板表面使它們擴散接合在一起。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，在成形板在所述的溫度下保溫了足以使擴散接合的時間之前，將它們圍繞其周邊接合在一起且提供與氣壓源相連通的裝置，以與由金屬板所形成的小網格網絡連通。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，包括沿它們的條板表面和擴散焊接合一對所述的金屬薄板，并沿它們的周邊形成一預制件，以使各板的枕形柱構成一由所述的諸通道所互連的小網格網絡;提供控制小網格網絡內的氣壓的連通裝置;和在超塑成形溫度下經連通裝置將氣壓施加到諸小網格使它們的體積膨脹。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述諸小網格在壓力下對著限止它們膨脹的表面膨脹。
12.如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述諸小網格的擴展是使在至少條板的平面的一側上的基本上所有的小網格被擴散接合于鄰接的諸小網格，以形成加強的蜂窩狀結構，這種結構在鄰接的諸小網格之間是基本上沒有空隙的。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于，還包括擴散接合所述的中空芯加強結構到一個或多個附加的金屬件上，以形成一剛性的加強結構。
14.如權利要求13所述的方法，其特征在于，所述的一個或多個附加的金屬件被擴散接合到諸小網格的各端，使基本上諸小網格的整個壁面沒有空隙地擴散接合到鄰接的諸小網格壁或所述的諸金屬件上。
15.如權利要求14所述的方法，其特征在于，一個或多個金屬件基本上(包)圍住整個蜂窩狀加強結構，以形成中空芯的加強結構。
16.如權利要求15所述的方法，其特征在于，其中所述諸附加金屬件包括翼片外殼，和所形成的結構是一中空芯加強的翼片。
17.如權利要求10所述的方法，其特征在于，還包括在超塑溫度下在成形的壓模之間安放預制件的工序，以在預制件的平面上產生彎曲。
18.如權利要求17所述的方法，其特征在于，還包括在通過成形壓模使預制件變形之前把正氣壓引進入諸小網格的網絡，并且在上述的彎曲產生之后增加氣壓，以超塑膨脹諸小網格的體積。
19.如權利要求18所述的方法，其特征在于，將所述的成形壓模的形狀做得能在預制件上產生一空間曲率。
20.如權利要求16所述的方法，其特征在于，還包括在超塑成形溫度下在一對翼片外殼之間放置預制件的工序，該對翼片外殼間具有一帶空間曲率的穴窩;在預制件的諸小網格內引進正氣壓;把預制件安放在翼片外殼中的穴窩中，且將外殼結合在一起，以把預制件模壓成與穴窩的曲率相對應的空間曲率;以及將預制件充氣，使其外表面吻合于和擴散接合于所述穴窩的諸外殼的諸內壁。
21.如權利要求15所述的方法，其特征在于，還包括在預制件接合到一個或多個金屬件上之前，檢查預制件的接合和結構的整體性。
22.一種蜂窩狀結構包括二沿條板表面擴散接合在一起的金屬板，在其條板表面的間隔中形成一系列由諸金屬板所形成的諸通道互連的諸多邊形網格。
23.如權利要求22所述的蜂窩狀結構，其特征在于，諸小網格是在超塑溫度下、氣壓作用下膨脹的。
24.如權利要求23所述的蜂窩狀結構，其特征在于，鄰接諸小網格的壁被擴散接合在一起而基本上沒有空隙。
25.如權利要求24所述的蜂窩狀結構，其特征在于，所述的結構具有一空間曲率。
26.如權利要求24所述的蜂窩狀結構，其特征在于，所述的蜂窩狀結構被放置在諸附加結構件內并接合到附加結構件上。
27.如權利要求25所述的蜂窩狀結構，其特征在于，所述的蜂窩狀結構被放置在諸翼片外殼內并擴散接合到諸翼片外殼上，從而形成一中空芯空間曲率的翼片。
28.一種由權利要求1的方法所形成的蜂窩狀結構。
29.一種由權利要求5的方法所形成的蜂窩狀結構。
30.一種如權利要求24所述的蜂窩狀結構，其特征在于，至少在結構的一個區域內，諸多邊形的面積大小不同。
31.如權利要求8所述的方法，其特征在于，根據應力，振動的擾動或結構預計所受到的彎矩，使在至少結構的一區域內的諸多邊形面積的大小做成不同于在結構的其它諸區域中、的諸多邊形面積的大小。
全文摘要
揭示一種制造超塑性地成型并擴散接合的制品的方法及用該方法制造的制品。將金屬板以一定方式超塑性地成型并擴散結合，即使在金屬板各外表面上形成一些枕形塊，提供一種由槽互連的蜂窩結構以便控制進入小網格內的氣體壓力。該蜂窩結構在一個實施例中可扭曲，而這些小網格通過超塑性成型可被充氣膨脹。這種扭曲的蜂窩結構尤其用作為一種翼片所需的中間硬化件。
文檔編號B23K20/00GK1043894SQ8910970
公開日1990年7月18日 申請日期1989年12月27日 優先權日1988年12月27日
發明者馬文M·薩頓 申請人:巴恩斯集團公司