[发明专利]一种有复杂曲面焊接界面的空心零件的固相扩散焊工艺

说明书

本发明涉及航空发动机制造领域，特别是涉及一种有复杂曲面焊接界面的空心零件的固相扩散焊工艺。为了解决传统TC4合金扩散焊接工艺存在的高温持久性能差等问题，同时为了解决SPF/DB成形工艺制备可变弯角叶片的工艺稳定性、尺寸精度和连接质量可靠性差问题，本发明提出了一种用于TC4合金材质的、有复杂曲面焊接界面的空心零件，特别是用于空心可变弯角叶片的固相扩散焊工艺，主要包括焊接面预处理、组配定位、装配入炉、扩散焊接、焊后检查步骤。在保证扩散焊接质量与精度的同时，显著提高了扩散焊接接头的持久性能，实现有复杂曲面焊接界面的空心零件，特别是空心可变弯角叶片的高质量、高性能扩散焊接，满足设计指标和使用可靠性要求。

技术领域

本发明涉及航空发动机制造领域，特别是涉及一种有复杂曲面焊接界面的空心零件的固相扩散焊工艺。

背景技术

随着高性能航空发动机研制，对零件使用性能和质量的协调匹配提出了更高的要求，为此发展形成了多种均有复杂腔体结构的空心结构件，可变弯角叶片为其中的典型结构。

航空发动机可调叶片主要采用沿弦向两段设计结构，一段固定，用于整流和防冰；另一段可转动，用于实现较宽的气流角调节范围，如图1所示，其中可转动部分为可变弯角叶片，其形状如图2所示。某航空发动机可变弯角叶片原设计状态为实心结构，为适应发动机轻质、减重设计需求，提升发动机使用性能，采用拓扑优化与力学特性分析相结合，提出了一种带复杂封闭内腔、具有三维曲面外形特征的可变弯角叶片设计结构，单件最大减重比约47.6％，整机减重约5.2kg。与实心叶片相比，其结构刚性、承载强度大幅度降低，而高流速、大载荷的复杂工况以及更高的气动调节要求使得空心可变弯角叶片的制造难度极高，对连接质量可靠性要求极为苛刻。针对空心可变弯角叶片的设计结构实现，国内曾采用了六层板超塑成形/扩散焊接(SPF/DB)组合工艺，如图3所示。该种工艺采用了TC4合金面板32、芯板33、垫板34各两件，利用上下模具确定叶片最终成型外形，在芯板33和面板32之间充氩气，使芯板33扩散连接形成加强筋连接点；随后在芯板33之间充氩气，在芯板33和面板32之间抽真空，使芯板成型并与面板扩散连接，最终形成带有加强筋的空心可变弯角叶片。但这种方法存在如下问题：

1)SPF/DB成形过程气体压力控制精度要求高，需额外配置专用的气源控制系统，对设备要求高；

2)受限于六层板SPF/DB成形工艺技术特点，其特有的空心可变弯角叶片内腔加强筋三角区空隙缺陷难以消除；

3)SPF/DB成形工艺稳定性差、过程控制点多，产品成形精度稳定性难以保证；

4)受限于六层板SPF/DB成形工艺技术特点，仅能实现单向加强筋结构空心可变弯角叶片成形制造，难以满足复杂多样的拓扑优化布局加强筋结构空心可变弯角叶片成形需求；

5)六层板SPF/DB成形，扩散焊接的焊接面积极大，连接质量的稳定性与可靠性仅能通过加强工艺过程控制、细化工艺控制要求实现，增加了制造工艺的工程应用难度。

基于上述原因，六层板SPF/DB成形工艺难以适应高性能、高可靠性空心可变弯角叶片制造需求。

同时传统扩散焊接工艺焊接的TC4合金接头持久性能差，400℃/570MPa高温持久寿命仅达到母材的40％，难以适应发动机高性能使用需求的问题。

发明内容

为了解决传统TC4合金扩散焊接工艺存在的高温持久性能差等问题，同时为了解决SPF/DB成形工艺制备可变弯角叶片的工艺稳定性、尺寸精度和连接质量可靠性差问题，本发明提出了一种用于TC4合金材质的、有复杂曲面焊接界面的空心零件，特别是用于空心可变弯角叶片的固相扩散焊工艺，在保证扩散焊接质量与精度的同时，显著提高了扩散焊接接头的持久性能，实现有复杂曲面焊接界面的空心零件，特别是空心可变弯角叶片的高质量、高性能扩散焊接，满足设计指标和使用可靠性要求。