專(zhuān)利名稱(chēng)：用于擴(kuò)散結(jié)合和超塑成形的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于固態(tài)結(jié)合的設(shè)備；更具體地說(shuō)，涉及一種用于結(jié)合由層疊金屬片形成的固態(tài)基材的擴(kuò)散結(jié)合和超塑成形設(shè)備。
背景技術(shù)：
固態(tài)結(jié)合是一種在基本上低于被連接基材熔點(diǎn)的溫度下產(chǎn)生結(jié)合，以便在保持基材固態(tài)的同時(shí)連接基材連接的結(jié)合方法，這種方法不同于常規(guī)熔合焊接法。固態(tài)結(jié)合通過(guò)防止或者最大限度地抑制基材被熔化從而保留基材的原始特性，并且通過(guò)最小化接觸面上產(chǎn)生的缺陷從而最大化結(jié)合效果的性能。
隨著新型金屬比如復(fù)合材料的引入和高科技工業(yè)的發(fā)展，固態(tài)結(jié)合已經(jīng)受到關(guān)注并取得相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步。固態(tài)結(jié)合可以連接使用常規(guī)熔合結(jié)合技術(shù)不能結(jié)合的基材和形狀復(fù)雜的材料。固態(tài)結(jié)合還可以用于連接要求高質(zhì)量、高精度焊接過(guò)程的基材。
固態(tài)結(jié)合包括利用摩擦力的摩擦焊接，利用填充金屬的銅焊和利用原子擴(kuò)散連接基材的擴(kuò)散結(jié)合。它們當(dāng)中，擴(kuò)散結(jié)合是一種連接基材的固態(tài)焊接方法，該方法通過(guò)在基本上低于被連接基材熔點(diǎn)的溫度下施加不影響其冶金性質(zhì)的壓力來(lái)進(jìn)行結(jié)合。
通過(guò)進(jìn)行各種成形過(guò)程，其中包括超塑成形過(guò)程，擴(kuò)散結(jié)合已被用于一體制造形狀復(fù)雜的零件。
擴(kuò)散結(jié)合是在高壓、高溫條件下進(jìn)行的。為了維持高壓、高溫條件，利用壓力機(jī)或者氣體形成高壓。在使用氣體形成高壓的情況下，需要高容量液壓機(jī)，并且難于使基材均勻加壓。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種擴(kuò)散結(jié)合和超塑成形設(shè)備，該設(shè)備用來(lái)在未使用高容量液壓機(jī)情況下保持密封狀態(tài)以形成高壓，并且用來(lái)在基材上均勻地施加預(yù)定壓力。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種擴(kuò)散結(jié)合和超塑成形設(shè)備，其包括上部單元、中部單元、下部單元、連桿、楔子和密封容器。所述連桿穿透所述中部單元和所述下部單元，并且包括固定在所述上部單元上的上部和具有楔形槽的下部。所述楔子插在所述楔形槽中，用于防止所述下部單元與所述連桿分離。所述密封容器用來(lái)向在所述中部單元中層疊的、進(jìn)行擴(kuò)散結(jié)合的基材施加壓力。
所述連桿可以包括橫截面呈梯形的楔形槽。
所述連桿和所述楔子可以由耐熱的鎳合金制成。
所述中部單元和所述下部單元可以形成為一體。
所述密封容器可以包括下片，具有與所述基材橫截面相同的形狀；上片，具有與所述下片相同的形狀并包括流通氣體的通孔；以及中片，置于所述下片與所述上片之間并具有用于存儲(chǔ)氣體的空間。
所述上片和所述下片可以通過(guò)鎢極惰性氣體(TIG)焊接法連接。
所述密封容器可以由與進(jìn)行擴(kuò)散結(jié)合的基材相同的材料制成。


通過(guò)參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，本發(fā)明的上述和其他特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯，附圖中圖1是本發(fā)明示例性實(shí)施例的擴(kuò)散結(jié)合和超塑成形設(shè)備的剖視圖；圖2是圖1所示的連桿和楔子的立體圖；
圖3是圖1所示的密封容器的立體圖；圖4是圖1所示的密封容器的剖視圖；以及圖5是通過(guò)利用本發(fā)明實(shí)施例的擴(kuò)散結(jié)合和超塑成形設(shè)備進(jìn)行結(jié)合過(guò)程所制造產(chǎn)品的接觸面的微觀結(jié)構(gòu)的照片。
具體實(shí)施例方式
下面，將參考附圖更詳細(xì)地描述擴(kuò)散結(jié)合和超塑成形設(shè)備。
圖1是本發(fā)明示例性實(shí)施例的擴(kuò)散結(jié)合和超塑成形設(shè)備的剖視圖，圖2是圖1所示的連桿和楔子的立體圖。
參見(jiàn)圖1和圖2，本實(shí)施例的擴(kuò)散結(jié)合和超塑成形設(shè)備100包括上部單元110、中部單元120、下部單元130、具有楔形槽141的連桿140、插入楔形槽141中的楔子150以及使基材1 80加壓的密封容器160。
成形氣體入口111形成在上部單元110上，用來(lái)向密封容器160中注入惰性氣體，從而加壓并形成基材180。優(yōu)選的是使用氬氣作為惰性氣體，但是本發(fā)明不限于此。
中部單元120置于上部單元110下面，并具有放置基材180的空間。密封片170插在上部單元110與中部單元120之間，用來(lái)將上部單元110和中部單元120密封并將上部單元110與中部單元120隔離。
基材180為多個(gè)相互層疊的金屬片。在這里，優(yōu)選的是通過(guò)化學(xué)清潔方法或者機(jī)械研磨方法清潔金屬片的表面。根據(jù)本發(fā)明，由層疊金屬片形成的基材180置于所述設(shè)備100的內(nèi)部并連接在一起。
下部單元130置于中部單元120下面，并且包括保護(hù)氣體入口131。通過(guò)保護(hù)氣體入口131注入保護(hù)氣體。當(dāng)加壓并形成基材時(shí)，注入的保護(hù)氣體防止金屬被氧化。優(yōu)選的是使用氬氣作為保護(hù)氣體，但是本發(fā)明不限于此。
連桿140包括形成于其下部、用來(lái)容納楔子150的楔形槽141。連桿140的上部固定在上部單元110上并穿透中部單元120和下部單元130。
為了使下部單元130與上部單元110連接，在楔形槽141中插入楔子150以防止下部單元130與連桿140分離。
楔形槽141的橫截面優(yōu)選為梯形。楔子150插入楔形槽141中越深，下部單元130與上部單元110和夾在它們之間的中部單元連接得就越緊。
連桿140和楔子150優(yōu)選由耐熱的鎳合金制造，但是本發(fā)明不限于此。在本實(shí)施例中，耐熱的鎳合金為Inconell 625。
利用連桿140和楔子150，通過(guò)將上部單元110、中部單元120和下部單元130緊固在一起，甚至在高溫、高壓條件下也能維持密封狀態(tài)。
中部單元120和下部單元130可以形成為一體。通過(guò)將中部單元120和下部單元130形成為一體，在擴(kuò)散結(jié)合和超塑成形設(shè)備100中可以有效地維持密封狀態(tài)，并且可以進(jìn)一步提高擴(kuò)散結(jié)合的穩(wěn)定性和質(zhì)量。此外，擴(kuò)散結(jié)合和超塑成形設(shè)備更穩(wěn)定，其制造成本更低。
圖3是圖1所示的密封容器的立體圖，圖4是圖1所示的密封容器的剖視圖。
參見(jiàn)圖3和圖4，本發(fā)明實(shí)施例的密封容器160包括下片163，它具有與基材橫截面相同的預(yù)定形狀；上片161，它具有與下片163相同的形狀和尺寸并具有形成流動(dòng)氣體通道的通孔(圖中未示)；以及中片162，它介于下片163和上片161之間并在其中心區(qū)域形成用于存儲(chǔ)氣體的空間。
上片161、中片162和下片163可以通過(guò)焊接連接。優(yōu)選使用鎢極惰性氣體(TIG)焊接法連接上片161、中片162和下片163。然而，本發(fā)明不限于此。當(dāng)執(zhí)行TIG焊接來(lái)連接上片和下片時(shí)，可以使用中片作為填充金屬。填充金屬是一種靠焊接熱量熔化來(lái)連接基材并起到焊條作用的金屬。
在上片161的通孔(圖中未示)周?chē)纬蓪?dǎo)管165，以提供向密封容器160中注入氣體的通道。
因?yàn)橛勺⑷氲矫芊馊萜?60內(nèi)部的成形氣體產(chǎn)生的壓力必須沒(méi)有損失地均勻傳遞到基材180上，因此密封容器160優(yōu)選由與基材相同的材料形成。
在高壓下注入到密封容器160內(nèi)的成形氣體通過(guò)使密封容器160膨脹來(lái)加壓基材180。因?yàn)闅怏w在所有方向上以恒壓加壓，所以基材180受到均勻壓力。因此，擴(kuò)散結(jié)合的質(zhì)量進(jìn)一步提高。
下面，將描述利用本發(fā)明實(shí)施例的擴(kuò)散結(jié)合和超塑成形設(shè)備連接由鈦合金形成的基材的過(guò)程。
首先，通過(guò)切割厚度2.04mm、由直徑120mm的圓盤(pán)形Ti-6Al-4V形成的金屬片，制成上片161和下片163。通過(guò)切割內(nèi)徑100mm、外徑130mm的環(huán)形鈦合金片，制成中片162。在上片161上形成直徑5mm、用于注入氣體的通孔，通過(guò)進(jìn)行TIG焊接固定導(dǎo)管165。中片162置于上片161和下片163之間，通過(guò)TIG焊接法焊接中片162，從而形成密封容器160。
切割厚度2.04mm、由直徑100mm的圓盤(pán)形鈦合金Ti-6Al-4V形成的片，從而制成50片圓盤(pán)形片。然后，化學(xué)清潔其表面，并且將50片清潔的圓盤(pán)形片層疊在中部單元120上。隨后，將密封容器160置于中部單元120上。然后，使用連桿140和楔子150緊固上部單元110、中部單元120和下部單元130。由Inconell 625合金制造的連桿140和楔子150用來(lái)在高溫下保持其適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。
在將它們緊固之后，使用真空泵排出上部單元110和下部單元130中的空氣，并且在大約800℃下加熱上部單元110和下部單元130。然后，在大約40巴或者更低的壓力下將氬氣注入密封容器160。當(dāng)擴(kuò)散結(jié)合和超塑成形設(shè)備100的溫度達(dá)到約875℃時(shí)，其壓力下降至約40巴或者更低，并保持約30分鐘。然后，釋放氣壓，逐漸降低溫度。
在進(jìn)行上述過(guò)程時(shí)，為了防止鈦金屬片被氧化，將保護(hù)氣體注入擴(kuò)散結(jié)合和超塑成形設(shè)備內(nèi)部，以使下部單元130內(nèi)部保持在真空狀態(tài)和還原狀態(tài)。
圖5是通過(guò)利用本發(fā)明實(shí)施例的擴(kuò)散結(jié)合和超塑成形設(shè)備進(jìn)行結(jié)合過(guò)程所制造產(chǎn)品的接觸面的微觀結(jié)構(gòu)的照片。
如圖5所示，在接觸面上沒(méi)有顯示出缺陷。也就是說(shuō)，本發(fā)明實(shí)施例的擴(kuò)散結(jié)合和超塑成形設(shè)備通過(guò)在固態(tài)下的原子擴(kuò)散和晶界遷移進(jìn)行了完美的擴(kuò)散結(jié)合，而沒(méi)有產(chǎn)生諸如裂縫或氣泡等缺陷。
如上所述，本發(fā)明某些實(shí)施例的擴(kuò)散結(jié)合和超塑成形設(shè)備能夠在未使用高容量液壓機(jī)情況下保持高壓條件，并且在基材上施加均勻壓力。因此，該擴(kuò)散結(jié)合和超塑成形設(shè)備能夠進(jìn)行高質(zhì)量擴(kuò)散結(jié)合，而沒(méi)有在接觸面上形成諸如裂縫或氣泡等缺陷。
盡管已經(jīng)參考本發(fā)明的示例性實(shí)施例具體地顯示并描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域所屬技術(shù)人員將會(huì)理解，在不脫離所附權(quán)利要求書(shū)限定的本發(fā)明精神和范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明做出各種形式和細(xì)節(jié)上的變化。
權(quán)利要求
1.一種具有上部單元、中部單元和下部單元的擴(kuò)散結(jié)合和超塑成形設(shè)備，其包括連桿，其穿透所述中部單元和所述下部單元，并且包括固定在所述上部單元上的上部和具有楔形槽的下部；楔子，其插在所述楔形槽中，用于防止所述下部單元與所述連桿分離；以及密封容器，用來(lái)向在所述中部單元中層疊的、進(jìn)行擴(kuò)散結(jié)合的基材施加壓力。
2.如權(quán)利要求1所述的擴(kuò)散結(jié)合和超塑成形設(shè)備，其特征在于，所述連桿包括橫截面呈梯形的楔形槽。
3.如權(quán)利要求1所述的擴(kuò)散結(jié)合和超塑成形設(shè)備，其特征在于，所述連桿和所述楔子由耐熱的鎳合金制成。
4.如權(quán)利要求1所述的擴(kuò)散結(jié)合和超塑成形設(shè)備，其特征在于，所述中部單元和所述下部單元形成為一體。
5.如權(quán)利要求1所述的擴(kuò)散結(jié)合和超塑成形設(shè)備，其特征在于，所述密封容器包括下片，具有與所述基材橫截面相同的形狀；上片，具有與所述下片相同的形狀并包括流通氣體的通孔；以及中片，置于所述下片與所述上片之間并具有用于存儲(chǔ)氣體的空間。
6.如權(quán)利要求5所述的擴(kuò)散結(jié)合和超塑成形設(shè)備，其特征在于，所述上片和所述下片通過(guò)鎢極惰性氣體(TIG)焊接法連接。
7.如權(quán)利要求5所述的擴(kuò)散結(jié)合和超塑成形設(shè)備，其特征在于，所述密封容器由與進(jìn)行擴(kuò)散結(jié)合的基材相同的材料制成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于連接固態(tài)基材的擴(kuò)散結(jié)合和超塑成形設(shè)備。該擴(kuò)散結(jié)合和超塑成形設(shè)備包括上部單元、中部單元、下部單元、連桿、楔子和密封容器。該連桿穿透該中部單元和該下部單元，并且包括固定在該上部單元上的上部和具有楔形槽的下部。該楔子插在該楔形槽中，用于防止該下部單元與該連桿分離。該密封容器用來(lái)向在該中部單元中層疊的、進(jìn)行擴(kuò)散結(jié)合的基材施加壓力。
文檔編號(hào)B23K20/14GK1986137SQ200610165880
公開(kāi)日2007年6月27日 申請(qǐng)日期2006年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月22日
發(fā)明者李鎬誠(chéng), 尹種焄, 李永武 申請(qǐng)人:韓國(guó)航空宇宙研究院