一种包含层状复合材料的多层板中空结构制备方法技术

本发明专利技术公开了一种包含层状复合材料的多层板中空结构制备方法，涉及金属结构件加工方法领域。可将钛铝/镍铝功能梯度型层状复合材料制备和多层板中空结构气胀成形工艺有机结合，很好的实现了中空结构件轻质、高强、减振、耐腐蚀、耐高温的功能，以满足航空航天领域飞行器结构轻质、高强、减振、耐腐蚀、耐高温的要求。按以下步骤进行制备：步骤1、材料前处理；步骤2、箔板预成形；步骤3、箔材功能梯度型叠加；步骤4、箔材复合与气胀成形；步骤5、形成过渡金属间化合物；步骤6、NiAl/TiAl高温反应合成；步骤7、随炉冷却，取样。解决了层状复合材料制备与结构成形工艺耦合问题、气胀时箔材分离、箔材间漏气与窜气问题以及钛铝和镍铝本身脆性难塑性成形问题。难塑性成形问题。难塑性成形问题。

【技术实现步骤摘要】
一种包含层状复合材料的多层板中空结构制备方法


[0001]本专利技术涉及金属结构件加工方法领域，尤其涉及由不同种金属箔材形成的金属间化合物层状复合材料的制备以及高温下结构气胀成形与扩散焊接的加工方法。

技术介绍

[0002]为满足航空航天领域飞行器结构轻质、高强、减振、耐腐蚀、耐高温的要求，复合材料构件以及中空结构件被广泛的运用在该领域。
[0003]镍铝和钛铝材料具有轻质、高强、耐腐蚀、耐高温的作用，是具有良好前景的材料，该层状复合材料可以通过箔材叠加以及结合相关复合方法制备得到。目前，针对层状复合材料的制备，国内外大多数是采用热压复合法、轧制复合法以及爆炸复合法，由于热压复合法工艺简单，针对该方法的相关研究在国内外是较为成熟的。多层板中空结构件具有轻质、减振的作用，国内外针对该类结构件的成形大多数是采用超塑成形/扩散连接工艺，目前该工艺也被广泛运用于航空航天领域。
[0004]国家专利局于2013年4月24日公告了一份名为“一种层状材料及其制备方法”、申请号为“201310026951.1”的中国专利技术专利，其中提出了镍铝层状复合材料制备方法。其主要流程为：首先对箔材进行相关前处理，然后将镍箔与铝箔交替叠加，层合板上下表面都是镍箔；将叠层好的箔材放入模具中，升高温度并施加一定的压力，保温一段时间后卸压，得到初始层合板材料；继续升高温度，保温一段时间，然后降至中高温，同时增大施加压力，保温一段时间后随炉冷却至室温，即可得到镍铝层状复合材料板。该专利技术解决了现有镍铝材料制备方法所制备的镍铝材料本质脆性的问题，为制备该类层状复合材料提供了很好的借鉴，尤其为钛、镍、铝三种材料的热压复合制备提供良好的借鉴，但是，镍铝材料在何种条件下的塑性能力比较好依然是需要继续探究的问题。
[0005]国家专利局于2018年7月27日公告了一份名为“一种超塑成形/扩散连接三层空心构件制备方法”、申请号为“201611016005.9”的中国专利技术专利，其中提出了三层空心结构的制备方法。其主要流程为：首先对芯板和面板进行表面处理，对芯板涂覆阻焊剂，将芯板放入上下面板之间，并在面板上下两侧加上包套，最终形成五层板材；对五层板材进行封焊，并留有气道，然后焊接气管；检测密封板的气密性后，装炉加热升温，扩散连接；扩散连接完后，缓慢通气加压胀形，胀形结束后，保压一段时间；最后随炉冷却后，拆除包套，得到最终结构件。该专利技术采用硬包套成形的方法，高温条件下硬包套能提供足够的表面摩擦力和协调面板的变形速率，使内部加强筋成形过程中对面板的拉应力不足以使面板产生变形，与此同时，成形过程中采用了变温控制以实现成形速率的控制，这些方式都为提高三层板成形精度提供了良好的借鉴。但是由于本身面板并不是层状复合材料板，依然需要探究层状复合材料制备与三层板结构气胀成形工艺耦合问题，同时，也需要考虑通气过程中箔材漏气、窜气问题。
[0006]针对现有需求，有人提出了将镍铝/钛铝功能梯度型层状复合材料的制备与多层板中空结构件的成形相结合的一体化工艺，即镍铝/钛铝采用热压复合法制备，多层板中空
件采用高温气胀成形的方法。但是，针对现有工艺，依然存在以下几个关键性技术问题：1、箔材如何叠加实现功能梯度型层状复合材料；2、采用何种热压复合流程能够解决气胀时箔材分离，加压不漏气、不窜气的问题；3、由于镍铝/钛铝材料本身的脆性问题，将采用何种工艺参数去很好的实现芯板的胀形过程；4、如何实现材料复合制备与气胀成形的工艺耦合问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术针对以上问题，提出了一种层状复合材料多层板中空结构制备方法，可将钛铝/镍铝功能梯度型层状复合材料制备和多层板中空结构气胀成形工艺有机结合，很好的实现了中空结构件轻质、高强、减振、耐腐蚀、耐高温的功能，以满足航空航天领域飞行器结构轻质、高强、减振、耐腐蚀、耐高温的要求。
[0008]本专利技术的技术方案为：按以下步骤进行制备：步骤1、材料前处理；步骤1.1、将箔材通过裁切得到预设面积的钛铂1、镍箔3以及铝箔4；步骤1.2、将切割后的钛铂1、镍箔3以及铝箔4进行清洗，去除表面相关油污与杂质，冷风吹干后放置待用；步骤2、箔板预成形：将两片钛铂1堆叠在一起通过扩散连接形成Ti/Ti箔板2，并在Ti/Ti箔板2中留有多个气道；步骤3、箔材功能梯度型叠加：先将镍箔3、钛箔1、铝箔4遵从功能梯度型的材料设计要求堆叠形成复合下面板7、复合芯板6、复合上面板5，其中，根据成形件中是否具有复合芯板6来确定是否堆叠复合芯板6，后在面板接触处放入Ti/Ti箔板2；同时，在各个气道的道口处焊接上通气管；步骤4、箔材复合与气胀成形：将堆叠好的箔材放入真空炉里的胀形模具中，加热加压，并通气管缓慢对Ti/Ti箔板2内部加压；步骤5、形成过渡金属间化合物：维持物料内外的压力，加热至600
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650℃，进行低温热处理；步骤6、NiAl/TiAl高温反应合成：维持物料内外的压力，加热至1100
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1300℃，进行高温热处理；步骤7、随炉冷却，取样：将结构随炉冷却，待冷却至室温后，脱模取件。
[0009]步骤1.1中所用原材料分别为纯镍箔、纯钛箔以及纯铝箔，箔材厚度比为钛箔:铝箔:镍箔=1:1:0.6，箔材切割面积为200mm
×
200mm。
[0010]步骤2具体为：步骤2.1、在两层钛铂1的上下表面分别涂覆多道阻焊剂，所述阻焊剂为氮化硼或氧化钇；相邻两道阻焊剂之间留有空隙，从而在焊接之后在多道阻焊剂所在的位置形成多个气道；步骤2.2、将涂覆阻焊剂的两片钛铂1堆叠在一起；步骤2.3、将叠加好的两片钛铂1放入真空扩散炉里的热压模具中，先对模具加热升温，加热到880
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960℃，升温速率为10℃/min，然后对模具加载1
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5MPa的压力，保温0.5
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1h后冷却，得到经扩散连接的Ti/Ti箔板2。
[0011]步骤5低温热处理时间为1
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10h，步骤6高温热处理时间为1
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10h。
[0012]在加工两层板中空整体壁板时，步骤3、步骤4具体为：步骤3、箔材功能梯度型叠加；步骤3.1a、先将镍箔3、钛箔1、铝箔4遵从功能梯度型的材料设计要求堆叠形成复合下面板7以及复合上面板5；复合上面板以及复合下面板都分为上半部分和下半部分；复合上面板的上半部分包括交替堆叠的镍箔和铝箔，并且复合上面板的上半部分的顶层为镍箔、底层为铝箔；复合上面板的下半部分包括交替堆叠的钛箔和铝箔，并且复合上面板的下半部分的顶层为钛箔、底层为钛箔；复合下面板的上半部分包括交替堆叠的钛箔和铝箔，并且复合下面板的上半部分的顶层为铝箔、底层也为钛箔；复合下面板的下半部分包括交替堆叠的镍箔和铝箔，并且复合下面板的下半部分的顶层为铝箔、底层为镍箔；步骤3.2a、将复合下面板7、Ti/Ti箔板2、复合上面板5从下到上依次进行叠加；步骤3.3、在堆叠好的箔材四周用氩弧焊点焊一下，防止箔材错位，同时在各个气道的道口处焊接上通气管；步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种包含层状复合材料的多层板中空结构制备方法，其特征在于，按以下步骤进行制备：步骤1、材料前处理；步骤1.1、将箔材通过裁切得到预设面积的钛铂（1）、镍箔（3）以及铝箔（4）；步骤1.2、将切割后的钛铂（1）、镍箔（3）以及铝箔（4）进行清洗，去除表面相关油污与杂质，冷风吹干后放置待用；步骤2、箔板预成形：将两片钛箔（1）堆叠在一起通过扩散连接形成Ti/Ti箔板（2），并在Ti/Ti箔板（2）中留有多个气道；步骤3、箔材功能梯度型叠加：先将镍箔（3）、钛箔（1）、铝箔（4）遵从功能梯度型的材料设计要求堆叠形成复合下面板（7）、复合芯板（6）、复合上面板（5），其中，根据成形件中是否具有复合芯板（6）来确定是否堆叠复合芯板（6），后在面板接触处放入Ti/Ti箔板（2）；同时，在各个气道的道口处焊接上通气管；步骤4、箔材复合与气胀成形：将堆叠好的箔材放入真空炉里的胀形模具中，加热加压，并通气缓慢对Ti/Ti箔板（2）内部加压；步骤5、形成过渡金属间化合物：维持物料内外的压力，加热至600
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650℃，进行低温热处理；步骤6、NiAl/TiAl高温反应合成：维持物料内外的压力，加热至1100
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1300℃，进行高温热处理；步骤7、随炉冷却，取样：将结构随炉冷却，待冷却至室温后，脱模取件。2.根据权利要求1所述的一种包含层状复合材料的多层板中空结构制备方法，其特征在于，步骤1.1中所用原材料分别为纯镍箔、纯钛箔以及纯铝箔，箔材厚度比为钛箔:铝箔:镍箔=1:1:0.6，箔材切割面积为200mm
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200mm。3.根据权利要求1所述的一种包含层状复合材料的多层板中空结构制备方法，其特征在于，步骤2具体为：步骤2.1、在两层钛箔（1）的上下表面分别涂覆多道阻焊剂，所述阻焊剂为氮化硼或氧化钇；相邻两道阻焊剂之间留有空隙，从而在焊接之后在多道阻焊剂所在的位置形成多个气道；步骤2.2、将涂覆阻焊剂的两片钛箔（1）堆叠在一起；步骤2.3、将叠加好的两片钛箔（1）放入真空扩散炉里的热压模具中，先对模具加热升温，加热到880
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960℃，升温速率为10℃/min，然后对模具加载1
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5MPa的压力，保温0.5
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1h后冷却，得到经扩散连接的Ti/Ti箔板（2）。4.根据权利要求1所述的一种包含层状复合材料的多层板中空结构制备方法，其特征在于，步骤5低温热处理时间为1
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10h，步骤6高温热处理时间为1
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10h。5.根据权利要求1
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4任一所述的一种包含层状复合材料的多层板中空结构制备方法，其特征在于，在加工两层板中空整体壁板时，步骤3、步骤4具体为：步骤3、箔材功能梯度型叠加；步骤3.1a、先将镍箔（3）、钛箔（1）、铝箔（4）遵从功能梯度型的材料设计要求堆叠形成复合下面板（7）以及复合上面板（5）；复合上面板以及复合下面板都分为上半部分和下半部分；
复合上面板的上半部分包括交替堆叠的镍箔和铝箔，并且复合上面板的上半部分的顶层为镍箔、底层为铝箔；复合上面板的下半部分包括交替堆叠的钛箔和铝箔，并且复合上面板的下半部分的顶层为钛箔、底层为钛箔；复合下面板的上半部分包括交替堆叠的钛箔和铝箔，并且复合下面板的上半部分的顶层为铝箔、底层也为钛箔；复合下面板的下半部分...

【专利技术属性】
技术研发人员：武永，陈金阳，陈明和，罗斌，汤国伟，邓威，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：