阅读说明：本技术 一种合金空心夹层筒形结构及其超塑成形/激光连接的制备方法 (Alloy hollow interlayer cylindrical structure and superplastic forming/laser connection preparation method thereof ) 是由 蒋少松 申世军 王斌 卢振 彭鹏 于 2020-04-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种合金空心夹层筒形结构及其超塑成形/激光连接的制备方法,属于材料成形技术领域。本发明解决现有耐热材料在轻量化同时,无法满足高结构强度和刚度以及防热隔热特性的问题。本发明合金空心夹层筒形结构包括内套筒、芯板和外套筒,芯板同轴设置在内套筒和外套筒之间,芯板的横截面为波浪结构,芯板与内套筒和外套筒固定连接。本申请将合金空心结构设计成流道形式,并使用超塑成形以及激光连接的制备方法成形,在减少零件重量的同时,流道实现液体的循环冷却,还兼具结构强度增强的功能,保证燃料舱舱体本身高结构强度和刚度的同时,兼顾燃料舱的防热隔热。(The invention discloses an alloy hollow interlayer cylindrical structure and a superplastic forming/laser connection preparation method thereof, belonging to the technical field of material forming. The invention solves the problem that the existing heat-resistant material can not meet the requirements of high structural strength and rigidity and heat-proof and heat-insulating properties while being light in weight. The alloy hollow interlayer cylindrical structure comprises an inner sleeve, a core plate and an outer sleeve, wherein the core plate is coaxially arranged between the inner sleeve and the outer sleeve, the cross section of the core plate is of a wave structure, and the core plate is fixedly connected with the inner sleeve and the outer sleeve. The alloy hollow structure is designed into a flow channel form, and the flow channel is formed by using a preparation method of superplastic forming and laser connection, so that the weight of parts is reduced, the flow channel realizes the circulating cooling of liquid, the function of enhancing the structural strength is also provided, the high structural strength and the rigidity of a fuel cabin body are ensured, and the heat prevention and the heat insulation of the fuel cabin are both considered.)

一种合金空心夹层筒形结构及其超塑成形/激光连接的制备 方法

技术领域

本发明涉及一种合金空心夹层筒形结构及其超塑成形/激光连接的制备方法，属于材料成形技术领域。

背景技术

近几年随着高超声速武器的发展，对结构的轻量化和材料耐热性能提出更高的要求。由于传统耐热材料其比重一般较高，一味追求材料的耐热特性，就势必增加结构重量。如何在轻量化同时还满足耐热特性，这是武器化发展中提出的新问题。燃料舱为了增大储油量希望内空间越大越好，舱体本身希望高结构强度和刚度，同时为了保证燃料温度，燃料舱还必须防热隔热，要解决这一矛盾的问题，仅仅靠防隔热这种被动冷却方式还远远不够。因此，提供一种合金空心夹层筒形结构解决上述问题是十分必要的。

发明内容

本发明为了解决现有耐热材料在轻量化同时，无法满足高结构强度和刚度以及防热隔热特性的问题，提供一种合金空心夹层筒形结构及其超塑成形/激光连接的制备方法。

本发明的技术方案：

一种合金空心夹层筒形结构，该结构包括内套筒1、芯板2和外套筒3，芯板2同轴设置在内套筒1和外套筒3之间，芯板2的横截面为波浪结构，芯板2与内套筒1和外套筒3固定连接。

上述合金空心夹层筒形结构的超塑成形/激光连接的制备方法，该方法的具体操作过程如下：

步骤一，切割三块厚度d相同的合金板材，分别为第一板材、第二板材和第三板材，保证每块合金板材的宽度相同，长度不同，所述的第一板材的长度为L₁，第二板材的长度为L₂，第三板材的长度为L₃，其中L₃＝L₂+2πd，L₂＝L₁+2πd；将三块合金板材卷成圆筒状，获得预处理的合金板材；

步骤二，去除预处理的合金板材表面的油污和氧化皮，并使用激光焊接方法焊接每个预处理的合金板材的侧壁连接处，获得三个圆筒状合金；

步骤三，将第二板材获得的圆筒状合金套装在第一板材获得的圆筒状合金的外侧，并通过激光焊接沿第一焊接路线焊接；然后将第三板材获得的圆筒状合金套装在第二板材获得的圆筒状合金的外侧，并通过激光焊接沿第二焊接路线焊接；

步骤四，将步骤三激光焊接完成的三层圆筒结构放入成形模具5并装炉，加热至合金超塑成形温度后，通过激光焊接过程中预留在三层圆筒结构上的进气孔4通入惰性气体并保压；

步骤五，超塑成形完成后，将成形模具5从炉中取出，自然冷却至80-120℃，将成形件从成形模具5中取出，在成形件的轴线两端切割，获得合金空心夹层筒形结构。

进一步限定，步骤二中使用丙酮溶剂去除预处理的合金板材表面的油污，使用SiC800#砂纸打磨去除预处理的合金板材表面的氧化皮，然后使用酸洗液酸洗板材2-5min，其中酸洗液中HF、HNO₃和H₂O的体积比为1:3:7，最后使用蒸馏水清洗并用冷风烘干。

进一步限定，合金为镁锂合金或铝合金。

更进一步限定，镁锂合金为LZ91镁锂合金，厚度为0.5-3mm。

更进一步限定，当合金为镁锂合金时，步骤三中激光焊接的参数为：焊接功率为750-850W，焊接速度为1200-1500mm/min。

更进一步限定，当合金为镁锂合金时，步骤四的具体操作过程为：将步骤三激光焊接完成的三层圆筒结构放入成形模具5并装炉，并在升温速率为10-20℃/min条件下加热至350-450℃后保温，通过激光焊接过程中预留在三层圆筒结构上的进气孔4通入惰性气体，通入气压速度为0.02MPa/min，并在1.5-3MPa的条件下，保压30-60min。

进一步限定，铝合金板为5083铝合金，厚度为0.5-3mm。

更进一步限定，当合金为铝合金时，激光焊接的参数为：焊接功率为1100-1300W，焊接速度为1800-2200mm/min。

更进一步限定，当合金为铝合金时，步骤四的具体操作过程为：将步骤三激光焊接完成的三层圆筒结构放入成形模具5并装炉，并在升温速率为10-20℃/min条件下加热至350-500℃后保温，通过激光焊接过程中预留在三层圆筒结构上的进气孔4通入惰性气体，在1.5-3MPa的条件下，保压30-60min。

本发明具有以下有益效果：本发明提供采用了密度小、强度高、耐热性能好的镁锂合金或铝合金，大大减小了零件的重量，实现了轻量化的需求。同时将空心结构设计成流道形式，流道中实现液体的循环冷却，这种流道兼具结构强度和主动冷却双重功能，实现了结构功能一体化。并且空心流道结构很好的实现了主动冷却，保证燃料舱舱体本身高结构强度和刚度的同时，兼顾燃料舱的防热隔热。

附图说明

图1为超塑成形后成形模具和成形件的截面示意图；

图2为超塑成形前成形模具和成形件的截面示意图；

图3为第一焊接路线示意图；

图4为第二焊接路线示意图；

图5为

具体实施方式

1获得的成形件实物图；

图6为焊缝的宏观与微观形貌；

图中1-内套筒，2-芯板，3-外套筒，4-进气孔，5-成形模具。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。

具体实施方式1：

当合金为LZ91镁锂合金时，具体操作步骤如下：

(1)通过线切割得到三块LZ91镁锂合金板材，其中LZ91镁锂合金板材厚度为2mm，分别命名为第一板材、第二板材和第三板材，保证每块镁锂合金板材的宽度相同，长度不同，第一板材的长度为L₁，第二板材的长度为L₂，第三板材的长度为L₃，其中L₃＝L₂+2πd，L₂＝L₁+2πd；将三块镁锂合金板材卷成圆筒状，获得预处理的镁锂合金板材。

(2)用丙酮溶剂去除预处理的镁锂合金板材表面的油污，使用SiC800#砂纸打磨去除预处理的镁锂合金板材表面的氧化皮，然后使用酸洗液酸洗板材2-5min，其中酸洗液中HF、HNO₃和H₂O的体积比为1:3:7，最后使用蒸馏水清洗并用冷风烘干，然后使用激光焊接方法焊接每个预处理的镁锂合金板材的侧壁连接处，获得三个圆筒状镁锂合金，其中激光焊接的参数为：焊接功率为800W，焊接速度为1200mm/min。

(3)将第二板材获得的圆筒状镁锂合金套装在第一板材获得的圆筒状镁锂合金的外侧，并通过激光焊接沿第一焊接路线焊接，第一焊接路线如图3所示，图3中阴影部分为焊接部分；然后将第三板材获得的圆筒状镁锂合金套装在第二板材获得的圆筒状镁锂合金的外侧，并通过激光焊接沿第二焊接路线焊接，第二焊接路线如图4所示，图4中阴影部分为焊接部分；最后三层板料进行封边焊接，保证三层板料焊接，其中激光焊接的参数为：焊接功率为800W，焊接速度为1200mm/min。

(4)将上述激光焊接完成的三层圆筒结构放入成形模具5并装入热压炉中，如图2所示，以20℃/min的升温速率升温至400℃后，通过激光焊接过程中预留在三层圆筒结构上的进气孔4通入惰性气体，惰性气体首先在聚气区聚集，气体以0.02MPa/min的气压速度通入，在2MPa气压条件下，保压60min。

(5)超塑成形完成后，将成形模具5从炉中取出，如图3所示，自然冷却至80-120℃，将成形件从成形模具5中取出，在成形件的轴线两端进行切割，获得镁锂合金空心夹层筒形结构，如图5所示，壁厚均匀，表面光滑，成形质量好。

图6为焊缝横截面的宏观与微观形貌，由图6可知，激光穿透焊焊缝表面上的波纹状条纹比较均匀；宏观上没有空洞、焊缝不连续、焊缝下榻及明显的熔深起伏变化等焊接缺陷，这说明焊缝表面成形较好；微观上，焊缝横截面没有裂纹，两层板连接处连接良好。

具体实施方式2：

当合金为5083铝合金时，具体操作步骤如下：

(1)通过线切割得到三块5083铝合金板材，其中5083铝合金板材厚度为2mm，分别命名为第一板材、第二板材和第三板材，保证每块铝合金板材的宽度相同，长度不同，第一板材的长度为L₁，第二板材的长度为L₂，第三板材的长度为L₃，其中L₃＝L₂+2πd，L₂＝L₁+2πd；将三块铝合金板材卷成圆筒状，获得预处理的铝合金板材。

(2)用丙酮溶剂去除预处理的铝合金板材表面的油污，使用SiC800#砂纸打磨去除预处理的铝合金板材表面的氧化皮，然后使用酸洗液酸洗板材2-5min，其中酸洗液中HF、HNO₃和H₂O的体积比为1:3:7，最后使用蒸馏水清洗并用冷风烘干，然后使用激光焊接方法焊接每个预处理的铝合金板材的侧壁连接处，获得三个圆筒状铝合金，其中激光焊接的参数为：焊接功率为1200W，焊接速度为2200mm/min。

(3)将第二板材获得的圆筒状铝合金套装在第一板材获得的圆筒状铝合金的外侧，并通过激光焊接沿第一焊接路线焊接，第一焊接路线如图3所示，图3中阴影部分为焊接部分；然后将第三板材获得的圆筒状铝合金套装在第二板材获得的圆筒状铝合金的外侧，并通过激光焊接沿第二焊接路线焊接，第二焊接路线如图4所示，图4中阴影部分为焊接部分；最后三层板料进行封边焊接，保证三层板料焊接，其中激光焊接的参数为：焊接功率为1200W，焊接速度为2200mm/min。

(4)将上述激光焊接完成的三层圆筒结构放入成形模具5并装入热压炉中，如图2所示，以20℃/min的升温速率升温至500℃后，通过激光焊接过程中预留在三层圆筒结构上的进气孔4通入惰性气体，惰性气体首先在聚气区聚集，气体以0.02MPa/min的气压速度通入，在2MPa气压条件下，保压60min。

(5)超塑成形完成后，将成形模具5从炉中取出，如图3所示，自然冷却至80-120℃，将成形件从成形模具5中取出，在成形件的轴线两端进行切割，获得铝合金空心夹层筒形结构，成形件壁厚均匀，表面光滑，成形质量好。