一种大尺寸薄壁无焊缝钛合金筒形件整体成形方法.pdf

本发明提供一种大尺寸薄壁无焊缝钛合金筒形件整体成形方法。该方法包括如下步骤：(1)冲压制备管坯；(2)高温真空热处理；(3)加热强旋减薄；(4)不加热强旋扩径；(5)反复交替进行步骤(3)和步骤(4)2～3次；(6)高温真空热处理；(7)精车加工处理；(8)稳定化处理。本发明方法利用钛合金板材，采用将冲压成形方法、旋压成形方法和稳定化处理方法相结合的复合工艺方法，制备出高精度、高性能大尺寸薄壁无缝钛合金筒形件(壁厚在1～7mm)，其解决了大尺寸钛合金薄壁管材锻造加工和滚弯焊接加工成形中材料利用率低、带纵向焊缝、管材性能精度低等问题。

1.  一种大尺寸薄壁无焊缝钛合金筒形件整体成形方法，先将钛合金板材加工成圆板坯料，其特征在于，该方法按如下步骤进行：
(1)冲压制备管坯：在上述圆板坯料上涂玻璃粉涂层0.05～0.1mm，然后将圆板坯料放入加热炉中加热至700～900℃，取出立即冲压拉伸，在圆板坯料温度低于700℃后停止冲压；再反复上述加热冲压过程2～7次，直至制成符合要求的筒形管坯；
(2)高温真空热处理：将步骤(1)冲压制得的筒形管坯进行高真空热处理，真空度小于1×10^-3Pa，温度为750～800℃，保温时间为1～4h，然后炉冷却；
(3)加热强旋减薄：采用双旋轮或三旋轮旋压方式，在筒形管坯温度在500～900℃时、以25～50％的变形量对步骤(2)所得筒形管坯进行强旋减薄；
(4)不加热强旋扩径：在步骤(3)加热强旋减薄完成后，旋制的管坯不退下旋压芯模，不加热，进行强旋扩径旋压；
(5)反复交替进行步骤(3)和步骤(4)2～3次；
(6)高温真空热处理：将步骤(5)制得的筒形管材再进行高温真空退火处理，真空度小于1×10^-2Pa，温度在720～800℃，保温在1～4h，然后炉冷却；
(7)精车加工处理：将步骤(6)得到的筒形管材直接进行精车加工处理；
(8)稳定化处理：最后对步骤(7)得到的筒形管材进行稳定化处理，在1～2h内筒形管材随炉升温至480～500℃，保温3.5～4h，炉冷却。

2.  根据权利要求1所述的一种大尺寸薄壁无焊缝钛合金筒形件整体成形方法，其特征在于：所述步骤(3)加热强旋减薄时，先将芯模加热到100℃以上，然后装上筒形管坯，再将整个筒形管坯加热到500℃以上后进行旋压。

3.  根据权利要求1或2所述的一种大尺寸薄壁无焊缝钛合金筒形件整体成形方法，其特征在于：所述的步骤(4)不加热强旋扩径时，与步骤(3)的强旋减薄相比，其旋轮与芯模之间隙减小0.2～0.4mm、进给比减小0.3～0.5倍。

一种大尺寸薄壁无焊缝钛合金筒形件整体成形方法
技术领域
本发明涉及一种钛合金筒形件制造方法，具体涉及一种大尺寸薄壁无焊缝钛合金筒形件整体成形方法。
背景技术
钛合金筒形件在军、民品上有广泛用途。但钛合金筒形件加工成形非常困难，尤其是大尺寸、薄壁产品。
文献《钛合金成型工艺在飞航导弹上的应用研究》报道了国外宇宙神洲际导弹的TC4钛合金球形气瓶的两个半球件，采用板料和热旋压成形，加热温度为535℃～595℃。采用平板毛坯和强力旋压法，一道次旋压成形钛合金喷管部件，热旋压温度为750℃～850℃。还有采用强力旋压法加工7.9mm厚的TC4钛合金板(变薄率为30％～50％)为锥体，然后在810℃温度下将此预成形毛坯热旋压成形为椭圆的或半球形的容器封头。但报道中都没提及具体工艺流程，也未见报道采用TC4板材旋压成形筒形件。
文献《TC3钛合金筒形件的旋压成形及其性能》中将直径Φ300mm，壁厚9mm的板材，先旋压成锥形件，再旋压成内径Φ162～163mm、壁厚2～2.5mm、长度270～360mm的筒形件，材料加热温度600～700℃，最后再对旋压件进行去应力退火和车加工，去应力退火规范550℃保温两小时，炉冷至150℃以下出炉。
文献《TC3半球形零件的热旋压成形》中将直径Φ605mm，壁厚6mm的板材，经普旋，强旋，再车加工成内径Φ522mm，壁厚2mm的半球件。芯模预热温度80～150℃，毛坯加热温度600～700℃。
文献《薄壁长圆筒旋压工艺研究》中将长820mm、壁厚13mm、内径Φ288mm的筒形坯料旋压成形长3000mm、壁厚3.2mm、外径295.5mm的零件，材料为无缝钢管。
文献《大直径钛质筒体旋压工艺研究》中采用卷焊坯——变薄旋压——机加工外表面的工艺进行了试验，具体工艺流程为：板材下料——刨焊接坡口——卷圆——焊接——焊缝探伤——校圆——检验——变薄旋压——检验——机加工——检验。采用的材料是TA2板材，最终旋制的零件尺寸内径Φ1492mm、壁厚12mm、长度1410mm，加热温度350～450℃。
目前国内外未见将钛合金板材制备成大尺寸薄壁无缝筒形件(管材)的文献报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制造高精度，高性能，直径在400～800mm、长度在200～500mm、壁厚在1～7mm的大尺寸薄壁无焊缝钛合金筒形件整体成形方法。
实现本发明目的的技术方案：一种大尺寸薄壁无焊缝钛合金筒形件整体成形方法，先将钛合金板材加工成圆板坯料，其该方法按如下步骤进行：
(1)冲压制备管坯：在上述圆板坯料上涂玻璃粉涂层0.05～0.1mm，然后将圆板坯料放入加热炉中加热至700～900℃，取出立即冲压拉伸，在圆板坯料温度低于700℃后停止冲压；再反复上述加热冲压过程2～7次，直至制成符合要求的筒形管坯；
(2)高温真空热处理：将步骤(1)冲压制得的筒形管坯进行高真空热处理，真空度小于1×10^-3Pa，温度为750～800℃，保温时间为1～4h，然后炉冷却；
(3)加热强旋减薄：采用双旋轮或三旋轮旋压方式，在筒形管坯温度在500～900℃时、以25～50％的变形量对步骤(2)所得筒形管坯进行强旋减薄；
(4)不加热强旋扩径：在步骤(3)加热强旋减薄完成后，旋制的管坯不退下旋压芯模，不加热，进行强旋扩径旋压；
(5)反复交替进行步骤(3)和步骤(4)2～3次；
(6)高温真空热处理：将步骤(5)制得的筒形管材再进行高温真空退火处理，真空度小于1×10^-2Pa，温度在720～800℃，保温在1～4h，然后炉冷却；
(7)精车加工处理：将步骤(6)得到的筒形管材直接进行精车加工处理；
(8)稳定化处理：最后对步骤(7)得到的筒形管材进行稳定化处理，在1～2h内筒形管材随炉升温至480～500℃，保温3.5～4h，炉冷却。
如上所述的一种大尺寸薄壁无焊缝钛合金筒形件整体成形方法，其所述步骤(3)加热强旋减薄时，先将芯模加热到100℃以上，然后装上筒形管坯，再将整个筒形管坯加热到500℃以上后进行旋压。
如上所述的一种大尺寸薄壁无焊缝钛合金筒形件整体成形方法，其所述的步骤(4)不加热强旋扩径时，与步骤(3)的强旋减薄相比，其旋轮与芯模之间隙减小0.2～0.4mm、进给比减小0.3～0.5倍。
本发明的效果在于：本发明方法解决了现有大尺寸薄壁钛合金管材制造技术的不足，提供了一种大尺寸薄壁无缝钛合金管材的制造方法，从而克服了现有锻造、冲压工艺不能制造，滚弯焊接又存在纵向焊缝，性能较低的缺点。本发明利用钛合金板材，采用将冲压成形方法、旋压成形方法和稳定化处理方法相结合的复合工艺方法，制备出高精度、高性能大尺寸薄壁无缝钛合金筒形件(壁厚在1～7mm)，其解决了大尺寸钛合金薄壁管材锻造加工和滚弯焊接加工成形中材料利用率低、带纵向焊缝、管材性能精度低等问题。本发明采用旋压成形方法，其首先加热强旋减薄冲压所制筒形坯，然后不加热，利用加热强旋时的余温，进行强旋扩径旋压。加热强旋减薄和不加热强旋扩径两个工序多次反复交替进行，最终旋制出大尺寸薄壁无缝钛合金管材，其解决了大尺寸钛合金薄壁筒形件旋压时坯料难流动、易断裂、反挤、起楞以及旋压成形筒形管材精度控制难等技术问题，突破了大尺寸钛合金薄壁管材旋压成形关键技术。
附图说明
图1为本发明的大尺寸薄壁无焊缝钛合金筒形件整体成形方法工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种大尺寸薄壁无焊缝钛合金筒形件整体成形方法作进一步描述。
实施例1
采用本发明方法制得直径600mm、长度400mm、壁厚2mm的大尺寸薄壁无焊缝钛合金筒形件整体成形方法，如图1所示，具体步骤如下：
(1)板材下料：采用现有技术按照所制备的管材大小尺寸计算所需钛合金板材直径，然后将钛合金板材加工成圆板坯料；
(2)冲压制备管坯：在圆板坯料上涂上防止钛合金氧化和吸氢的玻璃粉涂层0.05mm，然后将圆板坯料放入加热炉中加热至800℃，取出立即冲压拉伸，坯料温度低于700℃后停止冲压，再反复上述加热冲压过程3次，直至制备成筒形管坯。
(3)高温真空热处理：将冲压所制筒形管坯进行高真空热处理，温度770℃，保温时间2h，真空度小于1×10^-3Pa，炉冷却。通过本步骤高温真空热处理，可消除冲压工序的残余应力和加工硬化现象，同时去除冲压过程中所可能产生的吸氢，提高材料塑性，以便下道工序旋压成形。
(4)加热强旋减薄：采用双旋轮压方式，以30％的变形量进行强旋减薄。旋压时首先需将芯模加热到150℃，然后装上筒形管坯，再将整个筒形管坯加热到600℃后进行旋压。
(5)不加热强旋扩径：加热强旋工序完成后，所旋制的管坯不退下旋压芯模，并且相对之前的加热强旋减薄工序旋轮与芯模之间间隙减小0.3mm间隙、进给比减小0.4倍，不加热，进行强旋扩径旋压。
(6)上述步骤(4)加热强旋减薄和步骤(5)不加热强旋扩径反复交替进行2次。采用该旋压成形方法，可以解决大尺寸钛合金薄壁筒形件旋压时坯料难流动、易断裂、反挤、起楞，并且有利于提高零件贴胎度、直线度、壁厚均匀性等零件精度，从而解决筒形管材旋压精度控制难等技术问题，突破了大尺寸薄壁钛合金管材旋压成形关键技术。
(7)高温真空热处理：将经旋压成形的筒形管材再进行高温真空退火处理，加热温度在770℃，保温2h，真空度小于1×10^-2Pa，炉冷却。通过本步骤高温真空退火处理，消除强力旋压后工件的残余应力和加工硬化现象，以便工程应用。
(8)精车加工处理：将上述高温真空热处理筒形管材直接进行精车加工处理。因为旋压管材较薄，而刚性好，所以直接精车加工时加工余量小，颤动、退让、变形都很小，从而使管材达到较高的尺寸精度和形位精度，及表面光洁度。
(9)稳定化处理：最后对管材件进行稳定化处理，稳定大尺寸、薄壁筒形管材的尺寸和性能。处理工艺是筒形管件随炉升温1h至480℃，保温4h，炉冷却。通过该工艺，稳定了管材的尺寸和组织性能，从而提高了产品质量。
上述采用本发明发明制得的直径600mm、长度400mm、壁厚2mm的大尺寸薄壁无焊缝钛合金筒形件，其与现有技术相比，具有如下优点：
(1)比锻造材料利用率提高20％以上，成本降低30％以上；
(2)性能屈服强度σ≥900mPa，延伸率δ≥10％，比滚弯焊接提高60mPa以上；
(3)尺寸精度高，直径公差0～0.4mm(Φ₆₀₀^+0.4)，
比厚0～0.2mm(2₀^+0.2mm)。
实施例2
采用本发明方法制得直径400mm、长度200mm、壁厚1mm的大尺寸薄壁无焊缝钛合金筒形件整体成形方法，具体步骤如下：
(1)板材下料：采用现有技术按照所制备的管材大小尺寸计算所需钛合金板材直径，然后将钛合金板材加工成圆板坯料；
(2)冲压制备管坯：在圆板坯料上涂上防止钛合金氧化和吸氢的玻璃粉涂层0.1mm，然后将圆板坯料放入加热炉中加热至700℃，取出立即冲压拉伸，坯料温度低于600℃后停止冲压，反复上述加热冲压过程2次，直至制备成筒形管坯。
(3)高温真空热处理：将冲压所制筒形管坯进行高真空热处理，温度750℃，保温时间1h，真空度小于1×10^-3Pa，炉冷却。
(4)加热强旋减薄：采用三旋轮压方式，在筒形管坯温度在500℃时、以25％的变形量进行强旋减薄。
(5)不加热强旋扩径：加热强旋工序完成后，所旋制的管坯不退下旋压芯模，并且相对之前的加热强旋减薄工序旋轮与芯模之间间隙减小0.2mm间隙、进给比减小0.3倍，不加热，进行强旋扩径旋压。
(6)上述步骤(4)加热强旋减薄和步骤(5)不加热强旋扩径反复交替进行2次。
(7)高温真空热处理：将经旋压成形的筒形管材再进行高温真空退火处理，加热温度在720℃，保温1h，真空度小于1×10^-2Pa，炉冷却。
(8)精车加工处理：将上述高温真空热处理筒形管材直接进行精车加工处理。
(9)稳定化处理：最后对管材件进行稳定化处理，稳定处理工艺是工件随炉升温1h至480℃，保温3.5h，炉冷却。
实施例3
采用本发明方法制得直径800mm、长度500mm、壁厚7mm的大尺寸薄壁无焊缝钛合金筒形件整体成形方法，具体步骤如下：
(1)板材下料：采用现有技术按照所制备的管材大小尺寸计算所需钛合金板材直径，然后将钛合金板材加工成圆板坯料；
(2)冲压制备管坯：在圆板坯料上涂上防止钛合金氧化和吸氢的玻璃粉涂层0.08mm，然后将圆板坯料放入加热炉中加热至900℃，取出立即冲压拉伸，坯料温度低于700℃后停止冲压，再反复上述加热冲压过程7次，直至制备成筒形管坯。
(3)高温真空热处理：将冲压所制筒形管坯进行高真空热处理，温度800℃，保温时间4h，真空度小于1×10^-3Pa，炉冷却。
(4)加热强旋减薄：采用双旋轮压方式，以40％的变形量进行强旋减薄。旋压时首先需将芯模加热到100℃，然后装上筒形管坯，再将整个筒形管坯加热到900℃后进行旋压。
(5)不加热强旋扩径：加热强旋工序完成后，所旋制的管坯不退下旋压芯模，并且相对之前的加热强旋减薄工序旋轮与芯模之间间隙减小0.4mm间隙、进给比减小0.5倍，不加热，进行强旋扩径旋压。
(6)上述步骤(4)加热强旋减薄和步骤(5)不加热强旋扩径反复交替进行3次。
(7)高温真空热处理：将经旋压成形的筒形管材再进行高温真空退火处理，加热温度在800℃，保温4h，真空度小于1×10^-2Pa，炉冷却。
(8)精车加工处理：将上述高温真空热处理筒形管材直接进行精车加工处理。
(9)稳定化处理：最后对管材件进行稳定化处理，稳处理工艺是筒形件随炉升温2h至500℃，保温4.5h，炉冷却。
实施例4
采用本发明方法制得直径600mm、长度300mm、壁厚4mm的大尺寸薄壁无焊缝钛合金筒形件整体成形方法，具体步骤如下：
(1)板材下料：采用现有技术按照所制备的管材大小尺寸计算所需钛合金板材直径，然后将钛合金板材加工成圆板坯料；
(2)冲压制备管坯：在圆板坯料上涂上防止钛合金氧化和吸氢的玻璃粉涂层0.06mm，然后将圆板坯料放入加热炉中加热至750℃，取出立即冲压拉伸，坯料温度低于500℃后停止冲压，再反复上述加热冲压过程3次，直至制备成筒形管坯。
(3)高温真空热处理：将冲压所制筒形管坯进行高真空热处理，温度760℃，保温时间3h，真空度小于1×10^-3Pa，炉冷却。
(4)加热强旋减薄：采用双旋轮压方式，以50％的变形量进行强旋减薄。旋压时首先需将芯模加热到200℃，然后装上筒形管坯，再将整个筒形管坯加热到700℃后进行旋压。
(5)不加热强旋扩径：加热强旋工序完成后，所旋制的管坯不退下旋压芯模，并且相对之前的加热强旋减薄工序旋轮与芯模之间间隙减小0.3mm间隙、进给比减小0.4倍，不加热，进行强旋扩径旋压。
(6)上述步骤(4)加热强旋减薄和步骤(5)不加热强旋扩径反复交替进行3次。
(7)高温真空热处理：将经旋压成形的筒形管材再进行高温真空退火处理，加热温度在760℃，保温3h，真空度小于1×10^-2Pa，炉冷却。
(8)精车加工处理：将上述高温真空热处理筒形管材直接进行精车加工处理。
(9)稳定化处理：最后对管材件进行稳定化处理，处理工艺是筒形管材随炉升温1h至480℃，保温4h，炉冷却。