大型復雜型面鈦合金超塑成形/擴散連接模氣密性研究

任廣義，王曉康，王高明，王宇盛

（成都飛機工業（集團）有限責任公司 技術裝備公司，四川 成都 610091）

0 引言

鈦合金超塑成形/擴散連接（SPF/DB）是在一次熱循環過程中完成擴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雜外形曲面及加強內筋的多層空心結構，與傳統工藝成形的零件相比具有質量輕、整體性好的優點，提高了零件的設計自由度及結構效率，已在航空、航天領域得到廣泛應用[1-4]。

零件擴散界面焊合率是SPF/DB質量的重要評價指標之一。由于成形模上、下模難以實現精密耦合，僅依靠機械壓力作為擴散壓力來源，零件擴散連接質量較差。目前行業內一般采用從模具進（排）氣口施加＞1.5 MPa的高壓氬氣[5]，使擴散連接處板料微觀凸起部分產生塑性變形以達到緊密接觸狀態，構成零件的多層板料的未涂阻焊劑區域在氣動壓力及機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，取決于模具合模時的氣密性。與中、小型鈦合金SPF/DB模具相比，大型復雜型面鈦合金SPF/DB模具存在鑄造缺陷多、模具零件型面耦合性差、進（排）氣管路多且深等現象，這些現象共同作用下導致模具氣密性差、氬氣泄漏隱患大，試模階段無法加載高壓氬氣，影響成形零件擴散連接質量及生產進度。圖1所示為因擴散連接階段無法加載高壓氬氣導致焊合率不達標的零件，采用高頻超聲波檢測儀發現該零件有9處區域未焊合。

圖1 焊合率不達標的零件

為保證零件擴散連接質量，有學者采用2次熱循環加工工藝成形零件[6,7]：首先進行展開平板擴散連接；然后再進行超塑成形，以降低研制風險。SPF/DB工藝過程需2副成形模：1副擴散連接模用于平板擴散；1副超塑成形模用于超塑成形。由于擴散連接時板料處于平板狀態，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，且復雜零件型面難以實現精確展開，阻焊劑的涂覆精度低，擴散區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現高壓氬氣加載的方法。擴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行封口，其效果優于板料、模具零件間密封，該方案可滿足零件擴散連接所需的氣動壓力加載需求，但是該方案存在超塑成形時零件尺寸精度低、排氣不良等問題。

因此大型復雜型面鈦合金模具的氣密性差成為需要解決的問題，現以大型復雜型面鈦合金SPF/DB模具為研究對象，分析該類模具氣密性差的原因，提出涉及模具設計、制造、檢測等多方面的改進措施，并基于改進措施進行試驗驗證。

1 模具氣密性問題分析

1.1 原模具結構及制造方法

原鈦合金SPF/DB模具結構如圖2所示，主要由上模、下模（一般稱為上半模和下半模）及導板構成，且上、下模基體均為鑄造件。上模或下模具有復雜型腔、鼓包或凹槽，用于超塑成形，另外為后續切割零件外形方便，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）作為后續修切零件外形的參考。密封筋設置在工藝余量線外側的型面上，模具合模時實現上、下模與板料的壓合密封，由于該批零件厚度較薄，密封筋高度多設置0.3～0.5 mm。

圖2 原模具結構

另外為防止大型復雜曲面零件成形時局部發生閉氣，在進行超塑成形的半模型面上設置了較多的進（排）氣孔，又采用內置式鉆制導氣管路將進（排）氣孔串聯，如圖3所示。模具進（排）氣管路系統包含點狀分布的若干個與型面連接的進（排）氣孔和將進（排）氣孔貫通的數條導氣通道，整個進（排）氣管路系統僅通過模具側壁的通氣管與外界氣源連接，通過控制通氣管即可實現對所有進（排）氣孔的控制。

圖3 模具進（排）氣管路系統

模具制造時，為排除未識別的氣密性風險，在制造過程中甚至模具交付前均未進行氣密性檢測。

1.2 氣密性分析

以典型雙層板鈦合金零件SPF/DB為例，對模具氣密性能進行分析，如圖4所示，擴散連接階段，上模進（排）氣口加載＞1.5 MPa的高壓氬氣，同時下模進（排）氣口、板間進（排）氣口加載約0.02 MPa的氬氣，板料Ⅰ、板料Ⅱ在氣動壓力及機械壓力雙重作用下緊貼模具零件型面，未涂覆阻焊劑的區域實現擴散連接。

圖4 氬氣泄漏示意結構

結合氣動加載過程及上述模具結構進行分析，模具存在3處漏氣隱患區域，導致擴散連接時無法從上模進（排）氣口加載＞1.5 MPa的高壓氬氣：①處模具密封結構設計不合理，氬氣從密封筋處外溢，由于成形零件材料薄，密封筋高度設置較低，且高溫狀態下反復使用時模具及設備平臺變形大，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（排）氣管路系統設計不合理，加壓時管壁存在氬氣泄漏風險，模具設計時型面上設置了較多的點狀分布的進（排）氣孔，又設置了多條貫穿模具的內置式鉆制導氣通道，這類內置式模具進（排）氣管路系統易將鑄件內部與模具外側相連的非貫穿性缺陷暴露，氬氣從管路系統聯通的鑄件缺陷處溢出，導致無法加載高壓氬氣；③處鑄件鑄造質量差，模具零件型面存在貫穿性裂紋、氣孔等，且鑄件焊接性能差，無法補焊或焊接時容易開裂，加壓時氬氣從型面缺陷處外溢。另外由于缺乏系統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行檢漏或者靠試模對模具氣密性進行判定，上述3處漏氣隱患無法及時暴露，導致后續模具氣密性狀態不可控。

2 改進措施

2.1 優化模具密封結構

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

圖5 密封結構

2.2 優化模具進（排）氣管路

采用內置式進（排）氣管路系統會造成管路加工困難、氣密性差等問題，而采用外置式進（排）氣管路系統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。因此結合2種結構的特點，采用內置式與外置式布局相結合的進（排）氣管路系統，如圖6所示。通過模具內部鉆制管路通道及外接焊接管路將進（排）氣孔串聯，管路系統中進（排）氣孔按照以下原則設計：①最少化原則，在滿足成形要求的前提下，進（排）氣孔數量應盡量少；②近邊原則，進（排）氣孔應盡量靠近模具邊緣，通常情況下進（排）氣孔距模具邊緣應＜300 mm（模具中間區域因形狀原因必須開設進（排）氣孔除外）；③共線原則，進（排）氣孔應盡量共線，一條導氣通道可以連接多個進（排）氣孔，減少模具內部管路。

圖6 內置式與外置式進（排）氣管路系統

2.3 嚴格控制鑄件質量

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。同時鑄件焊接性差會導致焊接區出現裂紋，良好的可焊接性是修補鑄件缺陷的關鍵，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加工工序后分別進行氣密性檢測，在投鑄件、鉆進（排）氣管路、精加工及模具裝配等工序后有選擇性的進行氣密性檢查，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，氣密性合格后再進行后續加工。該方法可檢測模具半模型面是否有貫穿性缺陷，如有缺陷應進行補焊或報廢鑄件，如模具零件鑄造質量好，無裸眼可視氣孔、砂眼等鑄造缺陷，可不進行本次氣密性檢查，直接進行后續工序加工制造。

氣密性檢測Ⅱ：在鉆制導氣通道后，在進氣管處采用吹氣方式檢測導氣管路氣密性。該方法可檢測進（排）氣管路及焊接于基體側面的通氣管氣密性，如有缺陷應進行補焊或報廢，如模具未設置或設置較少內置鉆制管路通道，可不進行本次氣密性檢查。

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。此時進（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狀導氣系統氣密性，如有缺陷應進行補焊或報廢鑄件直至氣密性合格。模具鑄件質量好且內部導氣通道較少時，可不進行本次氣密性檢測。

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上，通過液壓機上滑塊向上模施加壓力，此時，模具進（排）氣管路系統、模具零件型面、密封筋、密封膠條形成封閉系統，向模具進氣管吹氣，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，在生產中需嚴格執行且作為模具交付前的最后一道工序。

3 工藝驗證試驗

基于以上改進措施設計并制造4副SPF/DB模，如圖8所示，開展工藝試驗驗證，并對該批模具中2項鑄件化學成分進行了抽檢，符合標準要求。在制造過程中按需進行氣密性檢測，如圖9所示，由于該批模具鑄件質量較好，無明顯疏松、夾渣、氣孔等缺陷，但內部導氣通道多，按工藝流程進行氣密性檢測Ⅲ、Ⅳ。

圖8 部分SPF/DB模具

圖9 氣密性檢測

模具試模時，擴散連接階段4副模具均可以順利加載1.5 MPa高壓氬氣，零件成形后，經超聲波檢測擴散界面未焊合缺陷的數量、大小均符合技術要求，經理化檢測零件金相、氫氧含量、力學性能也均符合技術要求，零件順利裝機使用。

4 結束語

研究表明：①采用密封筋與密封槽的結構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采用內置式與外置式復合進（排）氣管路系統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。通過模具設計、制造及檢測3個方面的優化改進，提升了大型復雜型面鈦合金SPF/DB模的氣密性。因模具現有氣密性檢測均在常溫下進行，對常溫及高溫氣密性的差異情況還需開展進一步的研究。