航空用多层钛合金板结构成形新工艺

宇航装置中的冷凝器按照仪表和特殊要求安装在仓室的内外表面，这些部位必须承受规定的温度规范。因此，由这些壁板结构重复建成圆柱体型内外部薄壳体并形成温度调节系统的装置。冷凝器壁板结构上提出2层无缝连接，在长度上相邻两部分之间要有沟槽，以便热介质循环（图1a）。

沟槽截面具有规定几何形状，一个沟槽本身可以具有一个或两个面。使用材料为钛合金TC3，冷却片的厚度为1~1.5mm。

制造壁板传统工艺过程包括两层板在轧制中连接，由于轧制连接不能保证在焊接条件下的沟槽几何尺寸 ，造成在随后工序中报废率高达到70%~80%。

在某些装置中，冷凝器的功能被制成3层波浪形壁板（图1b）。这里，用于温度调节介质的通常为液态氮。此外，这样的结构也用于主整流罩的外壳。模具结构是波浪形圆柱体或锥体，用铆钉与壳体内部平滑连接，用氩弧焊与壳体外部连接。焊缝的极限密封水平限制在零件的使用期限内。钳工的铆接工作量很大。

况且现有技术采用熔化焊接，毋容置疑，在焊缝处，严重损害了材料的力学性能，尤其是冲击韧性降低明显；且沿着焊缝留下了应力腐蚀源，从而降低了抗应力腐蚀寿命。该方法所制波浪形沟槽尺寸精度难以控制。

一、2层壁板新的制造工艺

提出的工艺方案，归结到随后在一个工位上紧密闭合模具并在氩气环境下使得气体供给转到毛坯沟槽成形处，在900~930℃以及1~1.5MPa的氩气气体压力下成形20~30min；在两层板间气体压力作用下，进行扩散焊接工序。

因此，沟槽分布精度及其几何形状由模具精度来确定，精度得以大幅度提高，并且在固相中的扩散焊接没有破坏材料的组织，达到与母体材料等强度，以保证高水平腐蚀寿命及几何形状。

表1给出加工步骤和规范。

整个钛合金壁板成形工艺过程包括：施以防扩散涂层（氮化钛），将钛含量约80%的氮化钛，在500℃真空炉内施涂于对应板坯沟槽表面；在氩气中焊接或在必需的温度中加热一段时间，在气体压力下的真空中焊接。

应当指出，在固相中的扩散焊接没有破坏材料的组织，达到等强度，以保证高水平腐蚀寿命及几何形状。

二、3层冷凝器壁板新的制造工艺

设计了波浪形壁板新的结构并拟定了新的工艺。紧密闭合模具并在氩气环境下使得气体供给转到毛坯沟槽成形处，即在875~930℃以及1~1.5MPa的气体压力下拉深成形20min，保压10~15min。工艺过程还包括板叠中板材的气体扩散焊接。工序排列和规范列于表2，主要工序略图见图3。

制造冷凝器壁板和波浪形壁板共同工序包括：连接和成形。在第一种情况下，用扩散焊接连接板叠；在第二种情况下，用熔化焊接。与用气体成形工艺作用效果是一样的。冷凝器的两层壁板和3层壁板工业实样分别示于图4和图5，使用板厚1mm；在设计的高度10~30mm时，结构的外廓尺寸达到500×500mm。

三、结论

与传统的制造方法相比较，由于采用新的结构和工艺，零件连接部位的强度增加30~50%；零件的材料消耗减少20~30%；由于去除了熔化焊接和铆接工序，连接处的精度提高 2~4倍；零件数量减少到1/5~1/10；由于同样的制造工序制造劳动量减少了1/2~2/3，并且减少了装配和精加工工作量。

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