[发明专利]一种异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀装置及方法

说明书

本发明公开了一种异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀装置，属于金属板或管、棒或型材加工处理领域，装置通过在异种材料的管坯内、外各增加一层覆管，其中内覆管用于促进管坯强度大一侧的材料成形，外覆管用于限制管坯强度小一侧的材料成形；在内覆管的内腔通入高压气体实现多层管辅助高温快速气胀成形。本发明还提供利用该装置的成形方法，用于高效率快速制备大尺寸异种材料对焊的复杂曲率异形截面管件，该方法可以有效避免胀形时由于材料不同在焊缝附近导致的不协调变形、曲率突变、甚至破裂缺陷等问题，控制成形零件的尺寸精度，成形管件性能优异，质量稳定。该方法也可用于复杂管件的焊后矫形。

技术领域

本发明属于金属板或管、棒或型材加工处理领域，具体是指一种异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀装置及方法。

背景技术

在航空航天发动机高温、高压、高转速和高负荷等苛刻运行条件下，内部的各组成部件工作环境也相差较大，如进气道、压气机、燃烧室、尾喷管等工作温度存在较大差距。其中，针对部分大型复杂曲面整体薄壁构件，同一构件的不同位置服役环境也存在巨大差别，例如进气道的唇口和接近压气机室位置的工作环境差别显著。针对此类构件制造，采用同质材料成形复杂构件时，为了满足使用环境需求，需要保证选择的材料同时满足使用条件，增大使用裕度，例如高速飞行器进气道可以整体选择高温合金材料，其缺点是：管件整体质量大、制造成本高，且高温材料难成形的特性增加了零件的制造难度。为了提高发动机推重比、减轻发动机重量、降低制造难度等，在保证构件强度和可靠性前提下，尽可能实现各零部件的轻量化，采用异种材料连接的构件可以在满足构件各位置服役条件，同时有效减轻部件整体重量。随着异种材料连接技术的发展，针对航空航天发动机等复杂曲率异形截面薄壁管件制造，可采用两种或两种以上材料对焊而成，例如铝合金/不锈钢、铝合金/钛合金、钛合金/高强钢、钛合金/高温合金、异种钛合金（TA15/Ti60、TA15/Ti₂AlNb、Ti60/Ti₂AlNb）等，其缺点是：焊缝较多，约束度大，强制装配、焊接变形容易产生高水平焊接残余应力，承压条件下可靠性低，且焊缝破坏了整体管件的平滑曲面曲率，降低了空气流动性。同时，采用整体制造技术，可显著降低零件的整体重量，尤其是针对复杂曲率的变截面管状零件，通过中空结构优化可大量减少多余材料。

目前，气胀成形是一种先进的成形工艺，可以直接成形复杂曲面整体构件，而采用异种材料对焊管材直接整体气胀成形复杂曲率异形截面管件时，由于异种材料及焊缝的强度存在明显差异，例如Ti60/Ti₂AlNb对焊管，在970℃下以0.001 s^-1应变速率变形时，Ti60的流动应力为20MPa左右，而Ti₂AlNb的流动应力为70MPa左右。这种显著的材料强度差异使得对焊板材的变形不协调，焊缝在复杂剪切应力状态下易发生破裂，甚至出现仅单侧材料变形的情况，制约了管件整体成形的可成形性。

发明内容

本发明针对现有异种材料对焊管的气胀成形工艺中存在的问题，公开了一种异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀装置，采用内、外覆管辅助异种材料对焊管坯塑性成形，本发明还公开了利用该装置的成形方法，以避免因异种材料及焊缝因强度不同造成的不协调变形、焊缝破裂缺陷等问题，并解决了现有采用对焊技术成形异种复杂管件导致的残余应力、焊缝不光滑等缺陷。

本发明是这样实现的：

一种异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀装置包括上模、下模、左推头、右推头、气瓶、进气阀、进气管、出气管和泄压阀，所述的上模的下表面和下模的上表面向装置中心轴方向依次设置有外覆管、内覆管；在异种材料的对焊管坯内、外两侧各套一层不同材料的覆管，具体表现为外覆管的材料强度是管坯材料强度的1-2倍，内覆管的材料强度是管坯材料强度的0.5-1倍，其中内覆管用于促进异种材料对焊管坯中材料强度高的材料的变形，外覆管用于限制异种材料对焊管坯中材料强度低的材料的变形。