一種鈦合金球殼超塑成型方法
2023-10-08 09:49:09 1
專利名稱：一種鈦合金球殼超塑成型方法
技術領域：
本發明屬於鈦合金產品的成型技術，主要是提出一種鈦合金球殼超塑成型方法。
背景技術：
大深度(6000米以上)深潛器耐壓殼體通常選用鈦合金製造，但由於鈦合金具有強度高，塑性低，難成型的特點，常規的成型方法是熱衝壓成型，熱衝壓成型存在以下不足①鈦合金塑性變形有效溫區較窄，再加上模具的激冷效應，致使板坯溫度迅速下降，變形抗力大增，塑性急劇降低，需多次加熱衝壓才能完成，給生產帶來不便，②球體各部變形不均，有的區域減薄，有的局部增厚，機加工餘量大，局部變形熱效應嚴重，溫度升高，導致內外組織粗化等。
超塑成型是近年來發展起來的一種少無切削加工和精密成型的新工藝，有利於零部件的近淨成型，在工業上的應用有著巨大的潛力。目前按照變形特徵和狀態，可將超塑性分為兩類①結構超塑性或稱細晶超塑性，它要求材料具有超細的晶粒，晶粒細化的程度要求達到0.5-5μm，高的變形溫度和低的應變速率。②環境超塑性，如相變超塑性，具有相變的金屬及合金，都可以通過相變過程實現超塑性。即在一定負荷下，在相變溫度範圍內循環地進行加熱和冷卻，試樣組織在每一次加熱和冷卻時都會發生同素異性轉變，可以得到一次跳躍式的均勻延伸，多次循環就可得到累計的大延伸。進行超塑成型，可按照材料的原始組織進行選擇。
對於鈦合金球殼的成型用料，組織為非等軸粗大晶粒的大厚板，則可採用相變超塑成型。相變超塑性與結構超塑性不同，在超塑性變形之前，它不要求材料進行晶粒的超細化、等軸化及穩定化的預先處理，因此更具有發展前途。
發明內容
本發明的目的是提出一種鈦合金球殼超塑成型方法，完成近淨成型，使該工藝方法獲得的鈦合金球殼內表面無需加工，外表面和頂部加工餘量很小。
本發明所提出的鈦合金球殼超塑成型方法為將鈦合金坯料放入下模中，電爐加熱升溫至成型的下限溫度時進行保溫，保溫完成後液壓機下壓成型同時繼續升溫，至達到成型的最高溫度時停止成型，一次循環結束；降溫至成型的下限溫度下50℃～80℃時開始升溫，至成型的下限溫度開始成型，達到成型最高溫度時再停止成型，二次循環結束，如此經多次循環至成型完成；所述成型方法中，成型的溫度範圍為800℃～900℃且僅在升溫過程中成型，即成型的下限溫度為800℃、上限溫度為900℃，溫度變化幅度為100℃，成型速度0.6mm/min～1.0mm/min。
最高加熱溫度900℃模具需要長時間在高溫環境中工作，模具材料雖然是耐高溫材料但也有失效的可能(鋼板驗證試驗證實了這一點)，同時鈦合金相變超塑性的數學模型及驗證試驗也表明，在900℃時鈦合金仍有很好的相變超塑性能，而且半球殼的成型只需要約20％的變形量，故將其確定為900℃。
成型速度0.6mm/min～1.0mm/min由於設備可靠的慢速調節範圍為0.6mm/min～60mm/min，同時成型速度太慢成型時間就很長，這對模具不利。根據拉伸速度為0.6mm/min時的實驗結果(延伸率為500％～520％)，本工藝將成型確定為0.6mm/min～1.0mm/min。
溫度變化幅度100℃由於模具的儲熱和電爐的加熱特性，在高溫區升溫速度很慢，若溫度變化幅度為200℃，則電爐從700℃升到900℃需要近3個小時，不僅模具容易失效降低尺寸精度，而且鈦合金坯料也會因晶粒長大而性能下降。故將其定為100℃，此時升溫約需70min。
溫度循環周期數初步定為5次，但由於溫度循環周期數對總延伸率的影響較小，故可根據實際情況進行調整。
此外鈦合金坯料表面塗防氧化塗料進行保護，超塑成型的潤滑劑選用片狀石墨。
本發明提出的成型方法可用於φ800mm以下不同直徑，不同壁厚鈦合金球殼的成型，利用該工藝方法為深潛器提供所需耐壓球，具有較大的社會意義，成型的鈦合金球殼內表面無需加工，外表面和頂部加工餘量很小。
圖1為鈦合金半球殼超塑成型裝置結構示意圖。
圖2為成型模具結構示意圖。
圖中，1、壓杆，2、上爐體，3、上模，4、壓邊圈，5、坯料，6、下模，7、下爐體，8、拉環。
具體實施例方式
給出本發明的實施例如下鈦合金深潛器殼體是一種耐壓球體，其設計尺寸為內徑SR250mm，壁厚為18.1～18.9mm。採用超塑成型方法成型出兩個半球，再進行組焊加工。
半球殼超塑成型用材料為鈦合金22mm板材，其化學成分及常規力學性能應符合GB/T3621-1994《鈦及鈦合金板材》的要求。
下料尺寸按等面積法計算為φ748mm，採用火焰切割下料，利用角向砂輪機修磨去除切割線處的毛刺。再均勻塗刷「鈦合金高溫防氧化塗料」，陰乾後待用。
成型模具的設計製造根據文獻資料，選定3Cr24Ni7SiNRe鑄件為成型用模具材料，其力學性能見下表。
3Cr24Ni7SiNRe力學性能
如圖2所示，成型模具選用上下組合模，並加裝壓邊圈4。上模3為半球形，在平面中心部位加工螺杆與壓機的壓杆1連接，下模6為凹模，內孔為半球形。根據成型用板材及成形半球的規格確定上模為直徑φ494mm半球，並加50mm直邊段。拉環8出口直徑為φ544mm。
超塑成型裝置鈦合金半球殼的超塑成型裝置見附圖1，包括成型用的慢速液壓機和專用模具，以及加熱用的電爐。
圖中壓杆1和上模3焊接在一起，通過螺栓固定在液壓機活動平臺的T形槽內。上爐體2通過鐵鏈柔性聯接液壓機活動平臺，以方便安裝坯料。壓邊圈4用於防止坯料移動和邊緣起皺。下模6通過支座和螺栓固定在液壓機的下平臺上，在成型過程中不能移動。
半球殼體的超塑成型工藝過程一般的相變超塑成型是在一定負荷下，施以通過相變點的溫度循環而得到的，在升溫和降溫過程中都進行相變超塑成型。由於鈦合金半球殼不需要大的變形量(只需要約20％的變形量)而對成型精度要求高，在降溫過程中成型會因為鈦合金強度的增大而出現不均勻的變形。故製備鈦合金半球殼時，只在升溫過程進行塑變超塑成型。
首先安裝坯料。向上移動液壓機活動平臺，將上爐體2和下爐體7打開適當高度，將坯料5放入下模6中，然後放上壓邊圈4，並用螺栓將壓邊圈固定在下模6上。
其次在升溫過程中超塑成型。合上上爐體2和下爐體7，接通電爐電源開始加熱，當達到成型的下限溫度即800℃時保溫45分鐘，保溫時間按工藝要求為2分鐘/板厚mm，保溫完成後啟動液壓機開始下壓成型同時接通電爐電源繼續升溫，直到溫度達到成型的最高溫度900℃時停止成型，一次循環結束。
然後降溫並進行5次循環直到成型完成向上移動液壓機活動平臺，打開上爐體2和下爐體7進行冷卻，當溫度降至成型的下限溫度下80℃即720℃時，合上上下爐體升溫至下限溫度800℃時啟動液壓機開始下壓成型，第二次循環開始，當溫度達到900℃時成型停止，第二次循環結束，如此進行5次循環，至成型完成，成型速度0.6mm/min。
對成型後的鈦合金半球殼，先進行噴砂處理，以去掉半球殼內外表面上的防氧化塗料。然後對半球殼的壁厚、表面質量、球度進行檢測。壁厚檢測採用Sonic-133D型超聲測厚儀，對半球殼的兩個方向的厚度進行測量；半球殼表面採用著色探傷方法，檢測表面是否有裂紋、劃傷等缺陷；半球殼的球度檢測使用樣板進行檢驗。
TC4半球殼的檢測結果
尺寸檢驗鈦合金深潛器球殼成型完成後，按設計圖進行了主要尺寸檢驗，結果見下表。
球殼尺寸檢驗結果
成型的半球殼內表面無需加工，外表面加工餘量僅4mm(半徑方向)，頂部加工餘量僅1mm。
實施例2成型方法與過程同實施例1，該實施例中，在一次成型過程完成後，降溫至成型的下限溫度下50℃即750℃時開始升溫，實施例1為720℃。成型速度為1.0mm/min。
權利要求
1.一種鈦合金球殼超塑成型方法，本發明的特徵是將鈦合金坯料放入下模中，電爐加熱升溫至成型的下限溫度時進行保溫，保溫完成後液壓機下壓成型同時繼續升溫，至達到成型的最高溫度時停止成型，一次循環結束；降溫至成型的下限溫度下50℃～80℃時開始升溫，至成型的下限溫度開始成型，達到成型最高溫度時再停止成型，二次循環結束，如此經多次循環至成型完成；所述成型方法中，成型的溫度範圍為800℃～900℃且僅在升溫過程中成型，即成型的下限溫度為800℃、上限溫度為900℃，溫度變化幅度為100℃，成型速度0.6mm/min～1.0mm/min。
全文摘要
本發明提出的鈦合金球殼超塑成型方法，是將鈦合金坯料放入下模中，電爐加熱升溫至成型的下限溫度時進行保溫，保溫完成後液壓機下壓成型同時繼續升溫，至達到成型的最高溫度時停止成型，一次循環結束；降溫至成型的下限溫度下50℃～80℃時開始升溫，至成型的下限溫度開始成型，達到成型最高溫度時再停止成型，二次循環結束，如此經多次循環至成型完成；所述成型方法中，成型的溫度範圍為800℃～900℃且僅在升溫過程中成型，溫度變化幅度為100℃，成型速度0.6mm/min～1.0mm/min。本發明可用於φ800mm以下不同直徑，不同壁厚鈦合金球殼的成型，利用該工藝方法為深潛器提供所需耐壓球，成型的鈦合金球殼內表面無需加工，外表面和頂部加工餘量很小。
文檔編號B21D22/22GK1814371SQ200610017500
公開日2006年8月9日 申請日期2006年3月6日 優先權日2006年3月6日
發明者孟祥軍, 劉茵琪, 馮巖, 趙國超, 陳衛 申請人:中國船舶重工集團公司第七二五研究所