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1、(10)申请公布号 CN 102366836 A (43)申请公布日 2012.03.07 CN 102366836 A *CN102366836A* (21)申请号 201110328356.4 (22)申请日 2011.10.25 B22F 5/12(2006.01) (71)申请人 航天材料及工艺研究所 地址 100076 北京市丰台区南大红门路 1 号 申请人 中国运载火箭技术研究院 (72)发明人 郎泽保 王亮 张绪虎 石刚 谢飞 (74)专利代理机构 核工业专利中心 11007 代理人 莫丹 (54) 发明名称 一种高性能钛合金盲管的制造方法 (57) 摘要 本发明提供一种高性能钛。
2、合金盲管的制造方 法， 其步骤 ： (a) 在芯棒表面涂覆石墨类涂层 ； (b) 将芯棒放置在包套筒内并通过芯棒定位工装卡在 中央， 芯棒底端固定在包套底盖上， 包套底盖焊接 在包套筒底端 ； 然后向由包套筒与芯棒形成的空 腔内添装钛合金粉末 ； (c) 在包套筒顶部焊接包 套顶盖， 预留除气管道， 对包套筒抽真空 ； (d) 将 包套的两端固定在包套热等静压工装内， 然后进 行热等静压处理 ； (e) 取出包套， 然后将包套的两 端固定在液压机上， 将包套内的芯棒拔出 ； (f) 加 工成钛合金盲管。 本发明利用可快速去除的芯棒， 形成的钛合金细长盲管内腔无需机械加工即可达 到产品最终尺寸，。
3、 生产周期短， 成材率高， 产品性 能和内部质量稳定、 可靠。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 1 页 CN 102366844 A1/1 页 2 1. 一种高性能钛合金盲管的制造方法， 其特征在于 ： 采用热等静压近净成形方法制造 钛合金盲管， 具体包括如下步骤 ： (a) 在芯棒 (2) 表面涂覆石墨类涂层作为阻焊层 ； 该芯棒 (2) 的直径 d D-2， 其中 D 为钛合金盲管内径， 为芯棒 (2) 上石墨类涂层的厚度 ； (b) 将芯棒 (2) 放置在包套筒 (3) 内， 芯棒 (2) 通过。
4、芯棒定位工装 (1) 卡在包套筒 (3) 内中央位置， 芯棒(2)的底端固定在包套底盖(5)上， 包套底盖(5)焊接在包套筒(3)底端 ； 然后向由包套筒 (3) 的内壁与芯棒 (2) 的外壁形成的空腔内添装钛合金粉末 (4) ； 待钛合金粉末 (4) 装到要求高度的 1/2 2/3 处后， 取出芯棒定位工装 (1)， 继续用钛 合金粉末 (4) 将包套筒 (3) 填满 ； (c) 在包套筒 (3) 顶部焊接包套顶盖， 预留除气管道， 对包套筒抽真空， 当包套筒内的 真空度高于 310-3Pa 时， 保持 6 8h， 焊封除气管 ； (d) 将步骤 (c) 所得完成除气的包套的两端固定在包套热。
5、等静压工装内 ； 然后进行热 等静压处理， 热等静压的工艺为 ： 900 960， 1 5h， P 120MPa ； (e) 从包套热等静压工装内取出完成热等静压处理的包套， 然后机械加工包套的两端， 以露出芯棒(2)和钛合金盲管毛坯(10)为准 ； 然后在包套的两端分别加工出螺孔一(9)和 螺孔二 (11)， 螺孔一 (9) 和螺孔二 (11) 内分别连接一个螺栓， 然后用螺栓将包套的两端固 定在液压机上， 通过液压机将包套内的芯棒 (2) 拔出 ； (f) 将包套内的钛合金盲管毛坯 (10) 加工成钛合金盲管。 2. 根据权利要求 1 所述的一种高性能钛合金盲管的制造方法， 其特征在于 ：。
6、 所述的芯 棒定位工装(1)为可放置在包套筒(3)内、 与包套筒同轴的圆筒， 圆筒顶端外沿卡在包套筒 (3) 上端， 圆筒底端卡在芯棒 (2) 的上部 ； 在芯棒定位工装 (1) 的顶端外沿上开有孔洞， 通 过这些孔洞向包套筒 (3) 与芯棒 (2) 形成的空腔中添装钛合金粉末 (4)。 3. 根据权利要求 1 所述的一种高性能钛合金盲管的制造方法， 其特征在于 ： 所述的包 套热等静压工装包括一个支撑筒 (7)， 包套则放置在支撑筒 (7) 的中央位置， 包套固定用上 端盖 (6) 和包套固定用下端盖 (8) 分别设置在支撑筒 (7) 的顶端和底端， 确保包套在支撑 筒 (7) 内保持垂直状。
7、态， 包套固定用上端盖 (6) 通过螺栓连接在芯棒 (2) 上， 包套固定用下 端盖 (8) 通过螺栓连接在包套底盖 (5) 上。 4. 根据权利要求 1 所述的一种高性能钛合金盲管的制造方法， 其特征在于 ： 步骤 (e) 所述的螺孔一 (9) 开设在芯棒 (2) 上， 螺孔二 (11) 开设在钛合金盲管毛坯 (10) 上。 5. 根据权利要求 1 所述的一种高性能钛合金盲管的制造方法， 其特征在于 ： 所述的芯 棒 (2) 采用低碳钢或不锈钢制得， 芯棒 (2) 为圆柱状且前端为锥头。 6. 根据权利要求 1 所述的一种高性能钛合金盲管的制造方法， 其特征在于 ： 所述的石 墨类涂层的厚度。
8、 值为 ： 2mm 10mm。 权 利 要 求 书 CN 102366836 A CN 102366844 A1/5 页 3 一种高性能钛合金盲管的制造方法 技术领域 0001 本发明涉及一种钛合金细长盲管的制造方法， 具体涉及一种用于钛合金、 钛铝金 属间化合物等延伸率超过 5的金属细长盲管的快速制造方法， 且材料的性能达到或接近 锻件水平。 背景技术 0002 运载火箭二级箱间段的支架结构尺寸大、 空间位置要求严格， 要求构成支架结构 的细长盲管具备质量轻、 刚度好且性能稳定的特点。 0003 钛合金是航空航天领域常用的结构材料之一， 钛合金盲管是支架结构的关键部 件， 其形状细长， 长度。
9、可在 1 1.5 米。为了缩短生产周期， 常见的钛合金盲管是采用精密 铸造的方法研制的， 但是钛合金铸件具有成分偏析和组织偏析等缺陷， 给产品的质量和性 能的可靠性方面带来不利影响。利用锻件加工是另一种常用的盲管制造方法。这种方法的 缺陷是生产周期长， 材料利用率低， 材料成本高、 质量不稳定等特点， 无法满足型号研制的 需要。 发明内容 0004 本发明的目的在于提供一种高性能钛合金盲管的制造方法， 其制造钛合金盲管的 周期短、 材料利用率高， 质量稳定可靠， 且管件的性能达到不低于锻件的水平。 0005 实现本发明目的的技术方案 ： 一种高性能钛合金盲管的制造方法， 其采用热等静 压近净成。
10、形方法制造钛合金盲管， 具体包括如下步骤 ： 0006 (a) 在芯棒表面涂覆石墨类涂层作为阻焊层 ； 该芯棒的直径 d D-2， 其中 D 为 钛合金盲管内径， 为芯棒上石墨类涂层的厚度 ； 0007 (b) 将芯棒放置在包套筒内， 芯棒通过芯棒定位工装卡在包套筒内中央位置， 芯棒 的底端固定在包套底盖上， 包套底盖焊接在包套筒底端 ； 然后向由包套筒的内壁与芯棒的 外壁形成的空腔内添装钛合金粉末 ； 0008 待钛合金粉末装到要求高度的1/22/3处后， 取出芯棒定位工装， 继续用钛合金 粉末将包套筒填满 ； 0009 (c) 在包套筒顶部焊接包套顶盖， 预留除气管道， 对包套筒抽真空， 。
11、当包套筒内的 真空度高于 310-3Pa 时， 保持 6 8h， 焊封除气管 ； 0010 (d) 将步骤 (c) 所得完成除气的包套的两端固定在包套热等静压工装内 ； 然后进 行热等静压处理， 热等静压的工艺为 ： 900 960， 1 5h， P 120MPa ； 0011 (e) 从包套热等静压工装内取出完成热等静压处理的包套， 然后机械加工包套的 两端， 以露出芯棒和钛合金盲管毛坯为准 ； 然后在包套的两端分别加工出螺孔一和螺孔二， 螺孔一和螺孔二内分别连接一个螺栓， 然后用螺栓将包套的两端固定在液压机上， 通过液 压机将包套内的芯棒拔出 ； 0012 (f) 将包套内的钛合金盲管毛坯。
12、加工成钛合金盲管。 说 明 书 CN 102366836 A CN 102366844 A2/5 页 4 0013 如上所述的一种高性能钛合金盲管的制造方法， 其所述的芯棒定位工装为可放置 在包套筒内、 与包套筒同轴的圆筒， 圆筒顶端外沿卡在包套筒上端， 圆筒底端卡在芯棒的上 部 ； 在芯棒定位工装的顶端外沿上开有孔洞， 通过这些孔洞向包套筒与芯棒形成的空腔中 添装钛合金粉末。 0014 如上所述的一种高性能钛合金盲管的制造方法， 其所述的包套热等静压工装包括 一个支撑筒， 包套则放置在支撑筒的中央位置， 包套固定用上端盖和包套固定用下端盖分 别设置在支撑筒的顶端和底端， 确保包套在支撑筒内保。
13、持垂直状态， 包套固定用上端盖通 过螺栓连接在芯棒上， 包套固定用下端盖通过螺栓连接在包套底盖上。 0015 如上所述的一种高性能钛合金盲管的制造方法， 其步骤 (e) 所述的螺孔一开设在 芯棒上， 螺孔二开设在钛合金盲管毛坯上。 0016 如上所述的一种高性能钛合金盲管的制造方法， 其所述的芯棒采用低碳钢制得， 芯棒为圆柱状且前端为锥头。 0017 如上所述的一种高性能钛合金盲管的制造方法， 其所述的石墨类涂层的厚度 值为 ： 2mm 10mm。 0018 本发明的效果在于 ： 0019 本发明采用热等静压近净成形制造钛合金细长盲管， 以钛合金预合金粉末为原材 料， 利用低碳钢或不锈钢等材料。
14、设计、 制造成形用包套和芯棒， 在 900 960间进行热等 静压处理， 然后去除包套和芯棒， 获得钛合金细长盲管毛坯， 最后根据用户要求将毛坯加工 到最终的产品外观尺寸。此方法在大尺寸钛合金支架结构方面具有很好的应用前景。 0020 本发明利用可以快速去除的芯棒， 形成的钛合金细长盲管内腔无需机械加工即可 达到产品最终尺寸， 从而可以缩短产品的生产周期， 并提高成材率。 芯棒表面涂覆的石墨类 涂层， 作为在芯棒和钛合金盲管毛坯之间的阻焊层， 防止芯棒和钛合金粉末在热等静压过 程中通过扩散相连接。 在组装、 焊接包套的过程中， 设计并利用芯棒定位工装对芯棒的位置 进行限制。 在热等静压过程中，。
15、 设计并利用包套热等静压工装固定包套的两端， 使包套在热 等静压过程中保持竖直位置， 确保热等静压后的包套不会发生弯曲。 0021 利用本发明方法制备的钛合金细长盲管的材料性能达到不低于锻件的水平。 材料 抗拉强度 b 965MPa， 屈服强度 0.2 890MPa， 延伸率 5 18， 43。构件的 内部质量达到 GJB 1580A-2004 的 A 级。产品的材料性能和内部质量稳定、 可靠。 附图说明 0022 图 1 为芯棒定位工装使用示意图 ； 0023 图 2 为包套用热等静压工装使用示意图 ； 0024 图 3 为芯棒去除方式示意图 ； 0025 图中 1. 芯棒定位工装 ； 2.。
16、 芯棒 ； 3. 包套筒 ； 4. 钛合金粉末 ； 5. 包套底盖 ； 6. 包套 固定用上端盖 ； 7. 支撑筒 ； 8. 包套固定用下端盖 ； 9. 螺孔一 ； 10. 钛合金盲管毛坯 ； 11. 螺 孔二。 具体实施方式 0026 下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种高性能钛合金盲管的制造方法 说 明 书 CN 102366836 A CN 102366844 A3/5 页 5 作进一步描述。 0027 实施例 1 0028 本发明所述的一种 TC4 钛合金盲管制造方法的具体制造步骤如下 ： 0029 (a) 在芯棒 2 表面涂覆石墨类涂层作为阻焊层， 石墨类涂层的厚度 值为 4m。
17、m。 0030 该芯棒 2 采用低碳钢或不锈钢制得， 芯棒 2 为圆柱状且前端为锥头。芯棒 2 的直 径 d D-2， 其中 D 为钛合金盲管内径， 为芯棒 2 上石墨类涂层的厚度。 0031 (b) 如图 1 所示， 将芯棒 2 放置在包套筒 3 内， 芯棒 2 通过芯棒定位工装 1 卡在包 套筒 3 内中央位置， 芯棒 2 的底端固定在包套底盖 5 上， 包套底盖 5 焊接在包套筒 3 底端。 所述的芯棒定位工装1为可放置在包套筒3内、 与包套筒同轴的圆筒， 圆筒顶端外沿卡在包 套筒 3 上端， 圆筒底端卡在芯棒 2 的上部 ； 在芯棒定位工装 1 的顶端外沿上开有孔洞， 通过 这些孔洞向。
18、向由包套筒 3 的内壁与芯棒 2 的外壁形成的空腔内添装钛合金粉末 4。 0032 待钛合金粉末 4 装到要求高度的 2/3 处后， 取出芯棒定位工装 1， 继续用钛合金粉 末 4 将包套筒 3 填满。 0033 (c) 在包套筒 3 顶部焊接包套顶盖， 预留除气管道， 对包套筒抽真空， 当包套筒内 的真空度高于 310-3Pa 时， 保持 7h， 焊封除气管 ； 0034 (d) 如图 2 所示， 将步骤 c 所得完成除气的包套的两端固定在包套热等静压工装 内。所述的包套热等静压工装包括一个支撑筒 7， 包套则放置在支撑筒 7 的中央位置， 包套 固定用上端盖 6 和包套固定用下端盖 8 分。
19、别设置在支撑筒 7 的顶端和底端， 确保包套在支 撑筒 7 内保持垂直状态， 包套固定用上端盖 6 通过螺栓连接在芯棒 2 上， 包套固定用下端盖 8 通过螺栓连接在包套底盖 5 上。 0035 然后进行热等静压处理， 热等静压的工艺为 ： 930， 3h， P 120MPa ； 0036 (e) 从包套热等静压工装内取出完成热等静压处理的包套， 然后机械加工包套的 两端， 以露出芯棒2和钛合金盲管毛坯10为准。 如图3所示， 然后在包套的两端分别加工出 螺孔一 9 和螺孔二 11， 螺孔一 9 开设在芯棒 2 上， 螺孔二 11 开设在钛合金盲管毛坯 10 上。 螺孔一9和螺孔二1内分别连接。
20、一个螺栓， 然后用螺栓将包套的两端固定在液压机上， 通过 液压机将包套内的芯棒 2 拔出。 0037 (f) 将包套内的钛合金盲管毛坯 10 加工成钛合金盲管。 0038 本发明是基于粉末冶金技术上的一种钛合金细长盲管快速制造技术， 即在用于近 净成形细长盲管内腔的芯棒上涂覆石墨类涂层作为阻焊层， 然后在芯棒和包套形成的空腔 中加入钛合金粉末， 并利用热等静压技术成形钛合金细长盲管毛坯。在完成热等静压处理 后， 利用机械拉拔的方法去除钛合金细长盲管内部的芯棒， 然后利用机械加工去除钛合金 细长盲管外部的余量， 获得尺寸外观符合要求的钛合金细长盲管。 0039 实施例 2 0040 本发明所述的。
21、一种 TC4 钛合金盲管制造方法的具体制造步骤如下 ： 0041 (a) 在芯棒 2 表面涂覆石墨类涂层作为阻焊层， 石墨类涂层的厚度 值为 2mm。 0042 该芯棒 2 采用低碳钢或不锈钢制得， 芯棒 2 为圆柱状且前端为锥头。芯棒 2 的直 径 d D-2， 其中 D 为钛合金盲管内径， 为芯棒 2 上石墨类涂层的厚度。 0043 (b) 如图 1 所示， 将芯棒 2 放置在包套筒 3 内， 芯棒 2 通过芯棒定位工装 1 卡在包 套筒 3 内中央位置， 芯棒 2 的底端固定在包套底盖 5 上， 包套底盖 5 焊接在包套筒 3 底端。 说 明 书 CN 102366836 A CN 10。
22、2366844 A4/5 页 6 所述的芯棒定位工装 1 为可放置在包套筒 3 内的圆筒， 圆筒顶端外沿卡在包套筒 3 上端， 圆 筒底端卡在芯棒2的上部 ； 在芯棒定位工装1的顶端外沿上开有孔洞， 通过这些孔洞向向由 包套筒 3 的内壁与芯棒 2 的外壁形成的空腔内添装钛合金粉末 4。 0044 待钛合金粉末 4 装到要求高度的 1/2 处后， 取出芯棒定位工装 1， 继续用钛合金粉 末 4 将包套筒 3 填满。 0045 (c) 在包套筒 3 顶部焊接包套顶盖， 预留除气管道， 对包套筒抽真空， 当包套筒内 的真空度高于 310-3Pa 时， 保持 6h， 焊封除气管 ； 0046 (d)。
23、 如图 2 所示， 将步骤 c 所得完成除气的包套的两端固定在包套热等静压工装 内。所述的包套热等静压工装包括一个支撑筒 7， 包套则放置在支撑筒 7 的中央位置， 包套 固定用上端盖 6 和包套固定用下端盖 8 分别设置在支撑筒 7 的顶端和底端， 确保包套在支 撑筒 7 内保持垂直状态， 包套固定用上端盖 6 通过螺栓连接在芯棒 2 上， 包套固定用下端盖 8 通过螺栓连接在包套底盖 5 上。 0047 然后进行热等静压处理， 热等静压的工艺为 ： 900， 5h， P 120MPa ； 0048 (e) 从包套热等静压工装内取出完成热等静压处理的包套， 然后机械加工包套的 两端， 以露出。
24、芯棒2和钛合金盲管毛坯10为准。 如图3所示， 然后在包套的两端分别加工出 螺孔一 9 和螺孔二 11， 螺孔一 9 开设在芯棒 2 上， 螺孔二 11 开设在钛合金盲管毛坯 10 上。 螺孔一9和螺孔二1内分别连接一个螺栓， 然后用螺栓将包套的两端固定在液压机上， 通过 液压机将包套内的芯棒 2 拔出。 0049 (f) 将包套内的钛合金盲管毛坯 10 加工成钛合金盲管。 0050 实施例 3 0051 本发明所述的一种 TC4 钛合金盲管制造方法的具体制造步骤如下 ： 0052 (a) 在芯棒 2 表面涂覆石墨类涂层作为阻焊层， 石墨类涂层的厚度 值为 10mm。 0053 该芯棒 2 采。
25、用低碳钢或不锈钢制得， 芯棒 2 为圆柱状且前端为锥头。芯棒 2 的直 径 d D-2， 其中 D 为钛合金盲管内径， 为芯棒 2 上石墨类涂层的厚度。 0054 (b) 如图 1 所示， 将芯棒 2 放置在包套筒 3 内， 芯棒 2 通过芯棒定位工装 1 卡在包 套筒 3 内中央位置， 芯棒 2 的底端固定在包套底盖 5 上， 包套底盖 5 焊接在包套筒 3 底端。 所述的芯棒定位工装 1 为可放置在包套筒 3 内的圆筒， 圆筒顶端外沿卡在包套筒 3 上端， 圆 筒底端卡在芯棒2的上部 ； 在芯棒定位工装1的顶端外沿上开有孔洞， 通过这些孔洞向向由 包套筒 3 的内壁与芯棒 2 的外壁形成的。
26、空腔内添装钛合金粉末 4。 0055 待钛合金粉末 4 装到要求高度的 2/3 处后， 取出芯棒定位工装 1， 继续用钛合金粉 末 4 将包套筒 3 填满。 0056 (c) 在包套筒 3 顶部焊接包套顶盖， 预留除气管道， 对包套筒抽真空， 当包套筒内 的真空度高于 310-3Pa 时， 保持 8h， 焊封除气管 ； 0057 (d) 如图 2 所示， 将步骤 c 所得完成除气的包套的两端固定在包套热等静压工装 内。所述的包套热等静压工装包括一个支撑筒 7， 包套则放置在支撑筒 7 的中央位置， 包套 固定用上端盖 6 和包套固定用下端盖 8 分别设置在支撑筒 7 的顶端和底端， 确保包套在。
27、支 撑筒 7 内保持垂直状态， 包套固定用上端盖 6 通过螺栓连接在芯棒 2 上， 包套固定用下端盖 8 通过螺栓连接在包套底盖 5 上。 0058 然后进行热等静压处理， 热等静压的工艺为 ： 960， 1h， P 120MPa ； 说 明 书 CN 102366836 A CN 102366844 A5/5 页 7 0059 (e) 从包套热等静压工装内取出完成热等静压处理的包套， 然后机械加工包套的 两端， 以露出芯棒2和钛合金盲管毛坯10为准。 如图3所示， 然后在包套的两端分别加工出 螺孔一 9 和螺孔二 11， 螺孔一 9 开设在芯棒 2 上， 螺孔二 11 开设在钛合金盲管毛坯 10 上。 螺孔一9和螺孔二1内分别连接一个螺栓， 然后用螺栓将包套的两端固定在液压机上， 通过 液压机将包套内的芯棒 2 拔出。 0060 (f) 将包套内的钛合金盲管毛坯 10 加工成钛合金盲管。 说 明 书 CN 102366836 A CN 102366844 A1/1 页 8 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 102366836 A 。