大型復(fù)雜型面鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接模氣密性研究

任廣義，王曉康，王高明，王宇盛

（成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 技術(shù)裝備公司，四川 成都 610091）

0 引言

鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接（SPF/DB）是在一次熱循環(huán)過程中完成擴(kuò)散連接和超塑成形的組合工藝，采用該工藝可以成形具有復(fù)雜外形曲面及加強(qiáng)內(nèi)筋的多層空心結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)工藝成形的零件相比具有質(zhì)量輕、整體性好的優(yōu)點(diǎn)，提高了零件的設(shè)計(jì)自由度及結(jié)構(gòu)效率，已在航空、航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-4]。

零件擴(kuò)散界面焊合率是SPF/DB質(zhì)量的重要評價(jià)指標(biāo)之一。由于成形模上、下模難以實(shí)現(xiàn)精密耦合，僅依靠機(jī)械壓力作為擴(kuò)散壓力來源，零件擴(kuò)散連接質(zhì)量較差。目前行業(yè)內(nèi)一般采用從模具進(jìn)（排）氣口施加＞1.5 MPa的高壓氬氣[5]，使擴(kuò)散連接處板料微觀凸起部分產(chǎn)生塑性變形以達(dá)到緊密接觸狀態(tài)，構(gòu)成零件的多層板料的未涂阻焊劑區(qū)域在氣動(dòng)壓力及機(jī)械壓力雙重作用下粘接在一起，提升零件焊合率，而高壓氬氣能否按需加載，取決于模具合模時(shí)的氣密性。與中、小型鈦合金SPF/DB模具相比，大型復(fù)雜型面鈦合金SPF/DB模具存在鑄造缺陷多、模具零件型面耦合性差、進(jìn)（排）氣管路多且深等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象共同作用下導(dǎo)致模具氣密性差、氬氣泄漏隱患大，試模階段無法加載高壓氬氣，影響成形零件擴(kuò)散連接質(zhì)量及生產(chǎn)進(jìn)度。圖1所示為因擴(kuò)散連接階段無法加載高壓氬氣導(dǎo)致焊合率不達(dá)標(biāo)的零件，采用高頻超聲波檢測儀發(fā)現(xiàn)該零件有9處區(qū)域未焊合。

圖1 焊合率不達(dá)標(biāo)的零件

為保證零件擴(kuò)散連接質(zhì)量，有學(xué)者采用2次熱循環(huán)加工工藝成形零件[6,7]：首先進(jìn)行展開平板擴(kuò)散連接；然后再進(jìn)行超塑成形，以降低研制風(fēng)險(xiǎn)。SPF/DB工藝過程需2副成形模：1副擴(kuò)散連接模用于平板擴(kuò)散；1副超塑成形模用于超塑成形。由于擴(kuò)散連接時(shí)板料處于平板狀態(tài)，模具零件型面簡單，模具零件間耦合性好，模具氣密性容易保證。但是采用該方法的模具及工藝制造成本高，且復(fù)雜零件型面難以實(shí)現(xiàn)精確展開，阻焊劑的涂覆精度低，擴(kuò)散區(qū)域與零件理論位置偏差大。

王建國等[8]提出了通過在板料與模具零件之間增加鈦合金輔助板實(shí)現(xiàn)高壓氬氣加載的方法。擴(kuò)散連接所需高壓氬氣的加載不依賴于模具零件、板料間的密封，而是依靠輔助板與板料間的密封效果保證。由于鈦合金板料之間可通過電阻滾焊進(jìn)行封口，其效果優(yōu)于板料、模具零件間密封，該方案可滿足零件擴(kuò)散連接所需的氣動(dòng)壓力加載需求，但是該方案存在超塑成形時(shí)零件尺寸精度低、排氣不良等問題。

因此大型復(fù)雜型面鈦合金模具的氣密性差成為需要解決的問題，現(xiàn)以大型復(fù)雜型面鈦合金SPF/DB模具為研究對象，分析該類模具氣密性差的原因，提出涉及模具設(shè)計(jì)、制造、檢測等多方面的改進(jìn)措施，并基于改進(jìn)措施進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 模具氣密性問題分析

1.1 原模具結(jié)構(gòu)及制造方法

原鈦合金SPF/DB模具結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由上模、下模（一般稱為上半模和下半模）及導(dǎo)板構(gòu)成，且上、下模基體均為鑄造件。上模或下模具有復(fù)雜型腔、鼓包或凹槽，用于超塑成形，另外為后續(xù)切割零件外形方便，一般在模具上雕刻工藝余量線（深0.3～0.5 mm、寬0.3～0.5 mm）作為后續(xù)修切零件外形的參考。密封筋設(shè)置在工藝余量線外側(cè)的型面上，模具合模時(shí)實(shí)現(xiàn)上、下模與板料的壓合密封，由于該批零件厚度較薄，密封筋高度多設(shè)置0.3～0.5 mm。

圖2 原模具結(jié)構(gòu)

另外為防止大型復(fù)雜曲面零件成形時(shí)局部發(fā)生閉氣，在進(jìn)行超塑成形的半模型面上設(shè)置了較多的進(jìn)（排）氣孔，又采用內(nèi)置式鉆制導(dǎo)氣管路將進(jìn)（排）氣孔串聯(lián)，如圖3所示。模具進(jìn)（排）氣管路系統(tǒng)包含點(diǎn)狀分布的若干個(gè)與型面連接的進(jìn)（排）氣孔和將進(jìn)（排）氣孔貫通的數(shù)條導(dǎo)氣通道，整個(gè)進(jìn)（排）氣管路系統(tǒng)僅通過模具側(cè)壁的通氣管與外界氣源連接，通過控制通氣管即可實(shí)現(xiàn)對所有進(jìn)（排）氣孔的控制。

圖3 模具進(jìn)（排）氣管路系統(tǒng)

模具制造時(shí)，為排除未識別的氣密性風(fēng)險(xiǎn)，在制造過程中甚至模具交付前均未進(jìn)行氣密性檢測。

1.2 氣密性分析

以典型雙層板鈦合金零件SPF/DB為例，對模具氣密性能進(jìn)行分析，如圖4所示，擴(kuò)散連接階段，上模進(jìn)（排）氣口加載＞1.5 MPa的高壓氬氣，同時(shí)下模進(jìn)（排）氣口、板間進(jìn)（排）氣口加載約0.02 MPa的氬氣，板料Ⅰ、板料Ⅱ在氣動(dòng)壓力及機(jī)械壓力雙重作用下緊貼模具零件型面，未涂覆阻焊劑的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)擴(kuò)散連接。

圖4 氬氣泄漏示意結(jié)構(gòu)

結(jié)合氣動(dòng)加載過程及上述模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，模具存在3處漏氣隱患區(qū)域，導(dǎo)致擴(kuò)散連接時(shí)無法從上模進(jìn)（排）氣口加載＞1.5 MPa的高壓氬氣：①處模具密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，氬氣從密封筋處外溢，由于成形零件材料薄，密封筋高度設(shè)置較低，且高溫狀態(tài)下反復(fù)使用時(shí)模具及設(shè)備平臺變形大，減弱了密封筋與板料的壓合效果，降低了模具密封筋密封效果；②處模具進(jìn)（排）氣管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，加壓時(shí)管壁存在氬氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)，模具設(shè)計(jì)時(shí)型面上設(shè)置了較多的點(diǎn)狀分布的進(jìn)（排）氣孔，又設(shè)置了多條貫穿模具的內(nèi)置式鉆制導(dǎo)氣通道，這類內(nèi)置式模具進(jìn)（排）氣管路系統(tǒng)易將鑄件內(nèi)部與模具外側(cè)相連的非貫穿性缺陷暴露，氬氣從管路系統(tǒng)聯(lián)通的鑄件缺陷處溢出，導(dǎo)致無法加載高壓氬氣；③處鑄件鑄造質(zhì)量差，模具零件型面存在貫穿性裂紋、氣孔等，且鑄件焊接性能差，無法補(bǔ)焊或焊接時(shí)容易開裂，加壓時(shí)氬氣從型面缺陷處外溢。另外由于缺乏系統(tǒng)性的模具氣密性檢測方法，僅在模具制造完成后對管路焊縫位置進(jìn)行檢漏或者靠試模對模具氣密性進(jìn)行判定，上述3處漏氣隱患無法及時(shí)暴露，導(dǎo)致后續(xù)模具氣密性狀態(tài)不可控。

2 改進(jìn)措施

2.1 優(yōu)化模具密封結(jié)構(gòu)

SPF/DB時(shí)模具密封結(jié)構(gòu)保證氣動(dòng)加載過程中上、下模零件型面有效區(qū)域形成封閉容腔，防止氬氣從坯料與模具上、下模零件型面間隙處外溢。當(dāng)成形零件厚度較薄時(shí)，模具合模間隙小，密封筋許可設(shè)計(jì)高度受限。因此除將密封筋設(shè)計(jì)盡量高外，還輔以密封槽進(jìn)行密封，如圖5（a）所示，靠密封槽尖角與坯料間擠壓提升密封性能。密封槽分別設(shè)計(jì)在模具的上、下模密封筋內(nèi)側(cè)，且兩側(cè)壁加工拔模角，便于成形零件取出。其次也可以在成形零件余量區(qū)外疊焊較厚的密封板，同時(shí)在模具零件開設(shè)相應(yīng)配合槽，密封筋密封結(jié)構(gòu)如圖5（b）所示，既未改變成形零件有效區(qū)域模具合模間隙，又增加了密封筋許可設(shè)計(jì)高度，解決薄壁零件成形模所設(shè)密封筋許可設(shè)計(jì)高度低、氣密性較差的問題。

圖5 密封結(jié)構(gòu)

2.2 優(yōu)化模具進(jìn)（排）氣管路

采用內(nèi)置式進(jìn)（排）氣管路系統(tǒng)會造成管路加工困難、氣密性差等問題，而采用外置式進(jìn)（排）氣管路系統(tǒng)存在管路對接剖口多、焊接困難、外接管路易碰損、不易存放等問題。因此結(jié)合2種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用內(nèi)置式與外置式布局相結(jié)合的進(jìn)（排）氣管路系統(tǒng)，如圖6所示。通過模具內(nèi)部鉆制管路通道及外接焊接管路將進(jìn)（排）氣孔串聯(lián)，管路系統(tǒng)中進(jìn)（排）氣孔按照以下原則設(shè)計(jì)：①最少化原則，在滿足成形要求的前提下，進(jìn)（排）氣孔數(shù)量應(yīng)盡量少；②近邊原則，進(jìn)（排）氣孔應(yīng)盡量靠近模具邊緣，通常情況下進(jìn)（排）氣孔距模具邊緣應(yīng)＜300 mm（模具中間區(qū)域因形狀原因必須開設(shè)進(jìn)（排）氣孔除外）；③共線原則，進(jìn)（排）氣孔應(yīng)盡量共線，一條導(dǎo)氣通道可以連接多個(gè)進(jìn)（排）氣孔，減少模具內(nèi)部管路。

圖6 內(nèi)置式與外置式進(jìn)（排）氣管路系統(tǒng)

2.3 嚴(yán)格控制鑄件質(zhì)量

由于模具基體是鑄件，其氣密性不如軋制板材和鍛件的氣密性好，如圖7所示，砂眼、氣孔、疏松等鑄造缺陷給模具帶來氣密性差的隱患。同時(shí)鑄件焊接性差會導(dǎo)致焊接區(qū)出現(xiàn)裂紋，良好的可焊接性是修補(bǔ)鑄件缺陷的關(guān)鍵，因此鑄件的缺陷控制及可焊接性是保障模具氣密性的重要條件。

圖7 鑄造缺陷

2.4 基于制造過程的氣密性檢測

在制造過程中，必須有針對性的在相應(yīng)加工工序后分別進(jìn)行氣密性檢測，在投鑄件、鉆進(jìn)（排）氣管路、精加工及模具裝配等工序后有選擇性的進(jìn)行氣密性檢查，氣密性檢測分為抽真空檢測及吹氣檢測2種。

氣密性檢測Ⅰ：鑄件粗加工后，采用型面整體封袋方式檢測型面氣密性，氣密性合格后再進(jìn)行后續(xù)加工。該方法可檢測模具半模型面是否有貫穿性缺陷，如有缺陷應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)焊或報(bào)廢鑄件，如模具零件鑄造質(zhì)量好，無裸眼可視氣孔、砂眼等鑄造缺陷，可不進(jìn)行本次氣密性檢查，直接進(jìn)行后續(xù)工序加工制造。

氣密性檢測Ⅱ：在鉆制導(dǎo)氣通道后，在進(jìn)氣管處采用吹氣方式檢測導(dǎo)氣管路氣密性。該方法可檢測進(jìn)（排）氣管路及焊接于基體側(cè)面的通氣管氣密性，如有缺陷應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)焊或報(bào)廢，如模具未設(shè)置或設(shè)置較少內(nèi)置鉆制管路通道，可不進(jìn)行本次氣密性檢查。

氣密性檢測Ⅲ：模具零件精加工后，采用型面整體封袋方式檢測型面氣密性，具體檢查方式與氣密性檢測Ⅰ相同。此時(shí)進(jìn)（排）氣管路與模具零件型面已通過φ1 mm排氣孔連接，該方法可綜合檢測型面與網(wǎng)狀導(dǎo)氣系統(tǒng)氣密性，如有缺陷應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)焊或報(bào)廢鑄件直至氣密性合格。模具鑄件質(zhì)量好且內(nèi)部導(dǎo)氣通道較少時(shí)，可不進(jìn)行本次氣密性檢測。

氣密性檢測Ⅳ：模具密封筋處鋪放密封膠條，并將模具放置于液壓機(jī)上，通過液壓機(jī)上滑塊向上模施加壓力，此時(shí)，模具進(jìn)（排）氣管路系統(tǒng)、模具零件型面、密封筋、密封膠條形成封閉系統(tǒng)，向模具進(jìn)氣管吹氣，檢測模具上、下模整體氣密性。該方法作為模具常溫氣密性的終檢，在生產(chǎn)中需嚴(yán)格執(zhí)行且作為模具交付前的最后一道工序。

3 工藝驗(yàn)證試驗(yàn)

基于以上改進(jìn)措施設(shè)計(jì)并制造4副SPF/DB模，如圖8所示，開展工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，并對該批模具中2項(xiàng)鑄件化學(xué)成分進(jìn)行了抽檢，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。在制造過程中按需進(jìn)行氣密性檢測，如圖9所示，由于該批模具鑄件質(zhì)量較好，無明顯疏松、夾渣、氣孔等缺陷，但內(nèi)部導(dǎo)氣通道多，按工藝流程進(jìn)行氣密性檢測Ⅲ、Ⅳ。

圖8 部分SPF/DB模具

圖9 氣密性檢測

模具試模時(shí)，擴(kuò)散連接階段4副模具均可以順利加載1.5 MPa高壓氬氣，零件成形后，經(jīng)超聲波檢測擴(kuò)散界面未焊合缺陷的數(shù)量、大小均符合技術(shù)要求，經(jīng)理化檢測零件金相、氫氧含量、力學(xué)性能也均符合技術(shù)要求，零件順利裝機(jī)使用。

4 結(jié)束語

研究表明：①采用密封筋與密封槽的結(jié)構(gòu)可以提高模具密封效果，防止氬氣從坯料與模具上、下模型面間外溢；②采用內(nèi)置式與外置式復(fù)合進(jìn)（排）氣管路系統(tǒng)可以減少氣體泄漏隱患，防止氬氣從管路孔壁外溢；③完善檢測方法可以確保常溫下模具氣密性合格。通過模具設(shè)計(jì)、制造及檢測3個(gè)方面的優(yōu)化改進(jìn)，提升了大型復(fù)雜型面鈦合金SPF/DB模的氣密性。因模具現(xiàn)有氣密性檢測均在常溫下進(jìn)行，對常溫及高溫氣密性的差異情況還需開展進(jìn)一步的研究。