[0001] 本发明涉及金属成形技术领域，更具体地说，涉及一种空心带立筋超塑成形结构件及其制备方法。

[0002] 超塑成形/扩散连接(Superplastic forming/diffusion Bonding，SPF/DB)技术是利用材料在特定环境下兼具超塑性及扩散连接性等特点构件成形方法，实现复杂薄壁零
件的整体成形，在降低飞行器结构重量、提高结构完整性和承载效率方面具有独特的技术
优势。钛合金超塑成形/扩散连接组合工艺简化了零件的制造过程和装配过程，替代了传统
的连接方法进行紧固的组合构件，即可节约制造成本、缩短制造周期、减轻结构重量，并实
现近无余量成形，在制造复杂外形和多层空心结构优势明显。在武器装备的发展牵引下，我
国经过近50年的基础研究、开发和验证试验，钛合金SPF及SPF/DB制造技术进入了工程化应
用阶段，并广泛应用于飞机、航空发动机、导弹、航天器等构件的生产中。SPF、SPF/DB构件应用范围从次承力构件发展到主承力构件、转动部件、热端部件，结构形式也从单层SPF构件
发展到SPF/DB双层、三层、四层构件。

[0003] 其中钛合金超塑成形/扩散连接轻量化结构在飞机结构中应用，两层加强结构在口盖、舱门、壁板结构、防火隔板等结构中得到广泛应用，取得良好的技术经济效益。

[0004] 采用钛合金超塑成形/扩散连接两层结构，可以将横纵筋条、口框、角片和蒙皮一体化设计，纵横筋条采用整体蒙皮超塑成形作为加强板，与蒙皮扩散连接为一体结构，传力
路线简捷流畅。

[0005] 超塑成形/扩散连接技术作为大型复杂整体结构轻量化制造技术，能够有效降低机体结构重量，提高空心钣金结构的制造精度，优化飞机技战术性能，是现代先进战机结构
制造的共性需求。

[0006] 随着新型武器装备更轻质、高效、长寿命、整体化等研制要求，需要通过大量采用轻质、高可靠、整体化新结构来实现，传统两层空心大跨度尺寸筋包结构当前受成形工艺限
制，当筋包高宽比超过一定值后，该结构将出现局部变形量大，减薄率高的现象，从而导致
该区域强度较低，抗局部变形能力较差，承载能力低。现有解决方案是采用蜂窝结构点焊在
空心结构中以提高该区域的强度，然而该方案过于依赖焊接质量，某处焊接质量低可能直
接导致该区域结构失效。

[0041] 为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅
用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0042] 需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接位于另一个元件上或者间接位于另一个元件上。当一个元件被称为“连接于”另一个元件，它可以是直接连接或间接连接至另一个元件。

[0043] 需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0044] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示相对重要性或指示技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行更加详细的描述：

[0045] 如图3所示，本发明实施例提供一种空心带立筋超塑成形结构件，包括空心结构1和立筋2；空心结构1包括相互扩散连接的上面板11和下面板12，上面板11和下面板12之间
间隔形成有空腔13；立筋2设于空腔13内；其中，立筋2的一端和上面板11的对应位置设有第
一扩散区3，立筋2的另一端和下面板12的对应位置设有第二扩散区4，上面板11与立筋2通
过第一扩散区3扩散连接，下面板12与立筋2通过第二扩散区4扩散连接。

[0046] 作为本实施例的其中一种可选实施方式，立筋2包括相互扩散连接的上筋板21和下筋板22，上筋板21的端部设有第一扩散区3，下筋板22的端部设有第二扩散区4。

[0047] 如图6所示，作为本实施例的其中一种可选实施方式，立筋2的横截面的形状为Z型。具体地，立筋2的横截面的形状根据实际的设计需求进行确定，通过调节第一扩散区3和
第二扩散区4的相对位置，可以实现对立筋2的横截面形状的调整。

[0048] 如图3、图4以及图5所示，作为本实施例的其中一种可选实施方式，立筋2的横截面的形状为C型。

[0049] 如图4所示，作为本实施例的其中一种可选实施方式，立筋2的长度方向呈直线状。具体地，立筋2的长度方向的形状根据实际的设计需求进行确定，通过调节第一扩散区3和
第二扩散区4在上面板11和下面板12上对应的形状，可以实现对长度方向的形状的调整。

[0050] 如图5和图6所示，作为本实施例的其中一种可选实施方式，立筋2的长度方向呈曲线状。

[0051] 如图7所示，作为本实施例的其中一种可选实施方式，立筋2的长度方向呈环状。具体地，上筋板21和下筋板22呈环状布置在上面板11和下面板12之间，经过扩散连接和超塑
成形后，上筋板21和下筋板22形成闭环的环状立筋2。具体地，为实现超塑成形，上筋板21和下筋板22构成的芯板不能为完全闭合的结构，需要在上筋板21或下筋板22的板中间位置开
设一小孔，在超塑成形过程中，高压气压能通过该小孔进入至上筋板21和下筋板22之间，以
形成内部中空且闭合的立筋2。该小孔不宜开设在上筋板21与上面板11的连接处，或下筋板
22与下面板12的连接处，以避免当上面板处于受力状态下时，连接处的小孔位置处产生应
力集中的现象。设置于板中间位置的小孔对整体结构的稳定性的影响很小。

[0052] 如图1、图2以及图3所示，本发明实施例还提供一种空心带立筋超塑成形结构件的制备方法，该制备方法主要适用于两层空心大跨度尺寸筋包结构的制备，制备方法包括以
下步骤：

[0053] 根据空心带立筋超塑成形结构件的数模形状和尺寸进行下料，获得上面板11、下面板12、上筋板21和下筋板22，并设计制造对应的扩散模具和超塑模具；

[0054] 对上面板11、下面板12、上筋板21和下筋板22进行除油酸洗，并刻形形成第一扩散区3、第二扩散区4和非扩散区5，在非扩散区5涂覆止焊剂；止焊剂的作用是阻止涂覆的材料
表面与其他材料的表面之间发生原子扩散，以达到阻止扩散连接的目的。

[0055] 将上面板11、上筋板21、下筋板22和下面板12按照从上至下依次层叠的顺序组装形成扩散毛坯件，将扩散毛坯件放置在扩散模具内进行扩散连接，以使上面板11与上筋板
21通过第一扩散区3扩散连接，上筋板21与下筋板22扩散连接形成立筋2，下面板12与下筋
板22通过第二扩散区4扩散连接，形成超塑毛坯件；具体地，扩散连接过程中，扩散模具内的扩散毛坯件在预设温度和预设压力的作用下相互接触，局部发生塑性变形，原子间产生相
互扩散，在界面接触处形成扩散层，从而实现可靠连接。相对于其他焊接技术而言，扩散连
接后构件的变形量小、残余应力少、接头连接牢固。更具体地，在组装扩散毛坯件时，将上面板11上的第一扩散区3与上筋板21上的第一扩散区3对应设置以相互贴合；将下面板12上的
第二扩散区4与下筋板22上的第二扩散区4对应设置以相互贴合。

[0056] 将超塑毛坯件放置在超塑模具内进行超塑成形，形成空腔13，冷却后拆卸超塑模具，获得空心带立筋超塑成形结构件。具体地，超塑成形过程中，将超塑模具内的超塑毛坯
件加热至塑性变形温度，然后往上面板11、下面板12之间预设的气管中通入惰性高压气体，
在气压作用下，上面板11和下面板12与超塑模具的内型面贴合，实现构件的成型。由于上筋
板21和下筋板22的端部在上一步的扩散连接工艺中连接固定在了对应的上面板11和下面
板12上，因此，在气压的作用下，上筋板21和下筋板22会转变为立筋2。

[0057] 以下为本发明提供的一具体实施例：

[0058] 上面板11和下面板12选用厚度为1mm的TC4板，上筋板21和下筋板22选用厚度为0.5mm的TC4板。

[0059] 在空心带立筋超塑成形结构件的数模中提取立筋2与空心结构1的接触面，以此进行图形展开以得到第一扩散区3、第二扩散区4、非扩散区5以及第三扩散区6的形状(如图8
所示)和各板件(上面板11、下面板12、上筋板21和下筋板22)的尺寸；

[0060] 根据各板件的尺寸和空心带立筋超塑成形结构件的数模设计制造扩散模具和超塑模具；

[0061] 根据各板件的尺寸尺寸下料，并除油酸洗，再根据非扩散区5的形状进行刻形，在非扩散区5涂覆止焊剂，将上面板11和下面板12中具有非扩散区5的表面相向组装制成扩散
毛坯件，组坯排放顺序如图1所示；

[0062] 使用扩散模具对扩散毛坯件进行扩散连接，扩散后毛坯如图2所示；上面板11与上筋板21通过第一扩散区3扩散连接，上筋板21与下筋板22扩散连接形成立筋2，下面板12与
下筋板22通过第二扩散区4扩散连接，上面板11与下面板12通过第三扩散区6扩散连接。

[0063] 为对扩散后毛坯进行焊合率检测通过后切边制成超塑毛坯件，后使用超塑模具对超塑毛坯件进行超塑成形，最终得到空心带立筋超塑成形结构件，如图3所示，该空心带立
筋超塑成形结构件的高度为40mm，总长度为200mm。

[0064] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。