專利名稱：一種鈦合金球殼超塑成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鈦合金產(chǎn)品的成型技術(shù)，主要是提出一種鈦合金球殼超塑成型方法。
背景技術(shù)：
大深度(6000米以上)深潛器耐壓殼體通常選用鈦合金制造，但由于鈦合金具有強(qiáng)度高，塑性低，難成型的特點(diǎn)，常規(guī)的成型方法是熱沖壓成型，熱沖壓成型存在以下不足①鈦合金塑性變形有效溫區(qū)較窄，再加上模具的激冷效應(yīng)，致使板坯溫度迅速下降，變形抗力大增，塑性急劇降低，需多次加熱沖壓才能完成，給生產(chǎn)帶來(lái)不便，②球體各部變形不均，有的區(qū)域減薄，有的局部增厚，機(jī)加工余量大，局部變形熱效應(yīng)嚴(yán)重，溫度升高，導(dǎo)致內(nèi)外組織粗化等。
超塑成型是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種少無(wú)切削加工和精密成型的新工藝，有利于零部件的近凈成型，在工業(yè)上的應(yīng)用有著巨大的潛力。目前按照變形特征和狀態(tài)，可將超塑性分為兩類①結(jié)構(gòu)超塑性或稱細(xì)晶超塑性，它要求材料具有超細(xì)的晶粒，晶粒細(xì)化的程度要求達(dá)到0.5-5μm，高的變形溫度和低的應(yīng)變速率。②環(huán)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(guò)相變過(guò)程實(shí)現(xiàn)超塑性。即在一定負(fù)荷下，在相變溫度范圍內(nèi)循環(huán)地進(jìn)行加熱和冷卻，試樣組織在每一次加熱和冷卻時(shí)都會(huì)發(fā)生同素異性轉(zhuǎn)變，可以得到一次跳躍式的均勻延伸，多次循環(huán)就可得到累計(jì)的大延伸。進(jìn)行超塑成型，可按照材料的原始組織進(jìn)行選擇。
對(duì)于鈦合金球殼的成型用料，組織為非等軸粗大晶粒的大厚板，則可采用相變超塑成型。相變超塑性與結(jié)構(gòu)超塑性不同，在超塑性變形之前，它不要求材料進(jìn)行晶粒的超細(xì)化、等軸化及穩(wěn)定化的預(yù)先處理，因此更具有發(fā)展前途。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種鈦合金球殼超塑成型方法，完成近凈成型，使該工藝方法獲得的鈦合金球殼內(nèi)表面無(wú)需加工，外表面和頂部加工余量很小。
本發(fā)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(shí)進(jìn)行保溫，保溫完成后液壓機(jī)下壓成型同時(shí)繼續(xù)升溫，至達(dá)到成型的最高溫度時(shí)停止成型，一次循環(huán)結(jié)束；降溫至成型的下限溫度下50℃～80℃時(shí)開(kāi)始升溫，至成型的下限溫度開(kāi)始成型，達(dá)到成型最高溫度時(shí)再停止成型，二次循環(huán)結(jié)束，如此經(jīng)多次循環(huán)至成型完成；所述成型方法中，成型的溫度范圍為800℃～900℃且僅在升溫過(guò)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(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)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(yàn)證試驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn))，同時(shí)鈦合金相變超塑性的數(shù)學(xué)模型及驗(yàn)證試驗(yàn)也表明，在900℃時(shí)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由于設(shè)備可靠的慢速調(diào)節(jié)范圍為0.6mm/min～60mm/min，同時(shí)成型速度太慢成型時(shí)間就很長(zhǎng)，這對(duì)模具不利。根據(jù)拉伸速度為0.6mm/min時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)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℃由于模具的儲(chǔ)熱和電爐的加熱特性，在高溫區(qū)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(gè)小時(shí)，不僅模具容易失效降低尺寸精度，而且鈦合金坯料也會(huì)因晶粒長(zhǎng)大而性能下降。故將其定為100℃，此時(shí)升溫約需70min。
溫度循環(huán)周期數(shù)初步定為5次，但由于溫度循環(huán)周期數(shù)對(duì)總延伸率的影響較小，故可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。
此外鈦合金坯料表面涂防氧化涂料進(jìn)行保護(hù)，超塑成型的潤(rùn)滑劑選用片狀石墨。
本發(fā)明提出的成型方法可用于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(huì)意義，成型的鈦合金球殼內(nèi)表面無(wú)需加工，外表面和頂部加工余量很小。


圖1為鈦合金半球殼超塑成型裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為成型模具結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，1、壓桿，2、上爐體，3、上模，4、壓邊圈，5、坯料，6、下模，7、下?tīng)t體，8、拉環(huán)。
具體實(shí)施例方式
給出本發(fā)明的實(shí)施例如下鈦合金深潛器殼體是一種耐壓球體，其設(shè)計(jì)尺寸為內(nèi)徑SR250mm，壁厚為18.1～18.9mm。采用超塑成型方法成型出兩個(gè)半球，再進(jìn)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(xué)成分及常規(guī)力學(xué)性能應(yīng)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(jì)算為φ748mm，采用火焰切割下料，利用角向砂輪機(jī)修磨去除切割線處的毛刺。再均勻涂刷“鈦合金高溫防氧化涂料”，陰干后待用。
成型模具的設(shè)計(jì)制造根據(jù)文獻(xiàn)資料，選定3Cr24Ni7SiNRe鑄件為成型用模具材料，其力學(xué)性能見(jiàn)下表。
3Cr24Ni7SiNRe力學(xué)性能

如圖2所示，成型模具選用上下組合模，并加裝壓邊圈4。上模3為半球形，在平面中心部位加工螺桿與壓機(jī)的壓桿1連接，下模6為凹模，內(nèi)孔為半球形。根據(jù)成型用板材及成形半球的規(guī)格確定上模為直徑φ494mm半球，并加50mm直邊段。拉環(huán)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(jiàn)附圖1，包括成型用的慢速液壓機(jī)和專用模具，以及加熱用的電爐。
圖中壓桿1和上模3焊接在一起，通過(guò)螺栓固定在液壓機(jī)活動(dòng)平臺(tái)的T形槽內(nèi)。上爐體2通過(guò)鐵鏈柔性聯(lián)接液壓機(jī)活動(dòng)平臺(tái)，以方便安裝坯料。壓邊圈4用于防止坯料移動(dòng)和邊緣起皺。下模6通過(guò)支座和螺栓固定在液壓機(jī)的下平臺(tái)上，在成型過(guò)程中不能移動(dòng)。
半球殼體的超塑成型工藝過(guò)程一般的相變超塑成型是在一定負(fù)荷下，施以通過(guò)相變點(diǎn)的溫度循環(huán)而得到的，在升溫和降溫過(guò)程中都進(jìn)行相變超塑成型。由于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(duì)成型精度要求高，在降溫過(guò)程中成型會(huì)因?yàn)殁伜辖饛?qiáng)度的增大而出現(xiàn)不均勻的變形。故制備鈦合金半球殼時(shí)，只在升溫過(guò)程進(jìn)行塑變超塑成型。
首先安裝坯料。向上移動(dòng)液壓機(jī)活動(dòng)平臺(tái)，將上爐體2和下?tīng)t體7打開(kāi)適當(dāng)高度，將坯料5放入下模6中，然后放上壓邊圈4，并用螺栓將壓邊圈固定在下模6上。
其次在升溫過(guò)程中超塑成型。合上上爐體2和下?tīng)t體7，接通電爐電源開(kāi)始加熱，當(dāng)達(dá)到成型的下限溫度即800℃時(shí)保溫45分鐘，保溫時(shí)間按工藝要求為2分鐘/板厚mm，保溫完成后啟動(dòng)液壓機(jī)開(kāi)始下壓成型同時(shí)接通電爐電源繼續(xù)升溫，直到溫度達(dá)到成型的最高溫度900℃時(shí)停止成型，一次循環(huán)結(jié)束。
然后降溫并進(jìn)行5次循環(huán)直到成型完成向上移動(dòng)液壓機(jī)活動(dòng)平臺(tái)，打開(kāi)上爐體2和下?tīng)t體7進(jìn)行冷卻，當(dāng)溫度降至成型的下限溫度下80℃即720℃時(shí)，合上上下?tīng)t體升溫至下限溫度800℃時(shí)啟動(dòng)液壓機(jī)開(kāi)始下壓成型，第二次循環(huán)開(kāi)始，當(dāng)溫度達(dá)到900℃時(shí)成型停止，第二次循環(huán)結(jié)束，如此進(jìn)行5次循環(huán)，至成型完成，成型速度0.6mm/min。
對(duì)成型后的鈦合金半球殼，先進(jìn)行噴砂處理，以去掉半球殼內(nèi)外表面上的防氧化涂料。然后對(duì)半球殼的壁厚、表面質(zhì)量、球度進(jìn)行檢測(cè)。壁厚檢測(cè)采用Sonic-133D型超聲測(cè)厚儀，對(duì)半球殼的兩個(gè)方向的厚度進(jìn)行測(cè)量；半球殼表面采用著色探傷方法，檢測(cè)表面是否有裂紋、劃傷等缺陷；半球殼的球度檢測(cè)使用樣板進(jìn)行檢驗(yàn)。
TC4半球殼的檢測(cè)結(jié)果

尺寸檢驗(yàn)鈦合金深潛器球殼成型完成后，按設(shè)計(jì)圖進(jìn)行了主要尺寸檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)下表。
球殼尺寸檢驗(yàn)結(jié)果

成型的半球殼內(nèi)表面無(wú)需加工，外表面加工余量?jī)H4mm(半徑方向)，頂部加工余量?jī)H1mm。
實(shí)施例2成型方法與過(guò)程同實(shí)施例1，該實(shí)施例中，在一次成型過(guò)程完成后，降溫至成型的下限溫度下50℃即750℃時(shí)開(kāi)始升溫，實(shí)施例1為720℃。成型速度為1.0mm/min。
權(quán)利要求
1.一種鈦合金球殼超塑成型方法，本發(fā)明的特征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(shí)進(jìn)行保溫，保溫完成后液壓機(jī)下壓成型同時(shí)繼續(xù)升溫，至達(dá)到成型的最高溫度時(shí)停止成型，一次循環(huán)結(jié)束；降溫至成型的下限溫度下50℃～80℃時(shí)開(kāi)始升溫，至成型的下限溫度開(kāi)始成型，達(dá)到成型最高溫度時(shí)再停止成型，二次循環(huán)結(jié)束，如此經(jīng)多次循環(huán)至成型完成；所述成型方法中，成型的溫度范圍為800℃～900℃且僅在升溫過(guò)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(fā)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(shí)進(jìn)行保溫，保溫完成后液壓機(jī)下壓成型同時(shí)繼續(xù)升溫，至達(dá)到成型的最高溫度時(shí)停止成型，一次循環(huán)結(jié)束；降溫至成型的下限溫度下50℃～80℃時(shí)開(kāi)始升溫，至成型的下限溫度開(kāi)始成型，達(dá)到成型最高溫度時(shí)再停止成型，二次循環(huán)結(jié)束，如此經(jīng)多次循環(huán)至成型完成；所述成型方法中，成型的溫度范圍為800℃～900℃且僅在升溫過(guò)程中成型，溫度變化幅度為100℃，成型速度0.6mm/min～1.0mm/min。本發(fā)明可用于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(nèi)表面無(wú)需加工，外表面和頂部加工余量很小。
文檔編號(hào)B21D22/22GK1814371SQ200610017500
公開(kāi)日2006年8月9日 申請(qǐng)日期2006年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月6日
發(fā)明者孟祥軍, 劉茵琪, 馮巖, 趙國(guó)超, 陳衛(wèi) 申請(qǐng)人:中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所