专利名称：一种钛合金球壳超塑成型方法
技术领域：
本发明属于钛合金产品的成型技术，主要是提出一种钛合金球壳超塑成型方法。
背景技术：
大深度(6000米以上)深潜器耐压壳体通常选用钛合金制造，但由于钛合金具有强度高，塑性低，难成型的特点，常规的成型方法是热冲压成型，热冲压成型存在以下不足①钛合金塑性变形有效温区较窄，再加上模具的激冷效应，致使板坯温度迅速下降，变形抗力大增，塑性急剧降低，需多次加热冲压才能完成，给生产带来不便，②球体各部变形不均，有的区域减薄，有的局部增厚，机加工余量大，局部变形热效应严重，温度升高，导致内外组织粗化等。
超塑成型是近年来发展起来的一种少无切削加工和精密成型的新工艺，有利于零部件的近净成型，在工业上的应用有着巨大的潜力。目前按照变形特征和状态，可将超塑性分为两类①结构超塑性或称细晶超塑性，它要求材料具有超细的晶粒，晶粒细化的程度要求达到0.5-5μm，高的变形温度和低的应变速率。②环境超塑性，如相变超塑性，具有相变的金属及合金，都可以通过相变过程实现超塑性。即在一定负荷下，在相变温度范围内循环地进行加热和冷却，试样组织在每一次加热和冷却时都会发生同素异性转变，可以得到一次跳跃式的均匀延伸，多次循环就可得到累计的大延伸。进行超塑成型，可按照材料的原始组织进行选择。
对于钛合金球壳的成型用料，组织为非等轴粗大晶粒的大厚板，则可采用相变超塑成型。相变超塑性与结构超塑性不同，在超塑性变形之前，它不要求材料进行晶粒的超细化、等轴化及稳定化的预先处理，因此更具有发展前途。
发明内容
本发明的目的是提出一种钛合金球壳超塑成型方法，完成近净成型，使该工艺方法获得的钛合金球壳内表面无需加工，外表面和顶部加工余量很小。
本发明所提出的钛合金球壳超塑成型方法为将钛合金坯料放入下模中，电炉加热升温至成型的下限温度时进行保温，保温完成后液压机下压成型同时继续升温，至达到成型的最高温度时停止成型，一次循环结束；降温至成型的下限温度下50℃～80℃时开始升温，至成型的下限温度开始成型，达到成型最高温度时再停止成型，二次循环结束，如此经多次循环至成型完成；所述成型方法中，成型的温度范围为800℃～900℃且仅在升温过程中成型，即成型的下限温度为800℃、上限温度为900℃，温度变化幅度为100℃，成型速度0.6mm/min～1.0mm/min。
最高加热温度900℃模具需要长时间在高温环境中工作，模具材料虽然是耐高温材料但也有失效的可能(钢板验证试验证实了这一点)，同时钛合金相变超塑性的数学模型及验证试验也表明，在900℃时钛合金仍有很好的相变超塑性能，而且半球壳的成型只需要约20％的变形量，故将其确定为900℃。
成型速度0.6mm/min～1.0mm/min由于设备可靠的慢速调节范围为0.6mm/min～60mm/min，同时成型速度太慢成型时间就很长，这对模具不利。根据拉伸速度为0.6mm/min时的实验结果(延伸率为500％～520％)，本工艺将成型确定为0.6mm/min～1.0mm/min。
温度变化幅度100℃由于模具的储热和电炉的加热特性，在高温区升温速度很慢，若温度变化幅度为200℃，则电炉从700℃升到900℃需要近3个小时，不仅模具容易失效降低尺寸精度，而且钛合金坯料也会因晶粒长大而性能下降。故将其定为100℃，此时升温约需70min。
温度循环周期数初步定为5次，但由于温度循环周期数对总延伸率的影响较小，故可根据实际情况进行调整。
此外钛合金坯料表面涂防氧化涂料进行保护，超塑成型的润滑剂选用片状石墨。
本发明提出的成型方法可用于φ800mm以下不同直径，不同壁厚钛合金球壳的成型，利用该工艺方法为深潜器提供所需耐压球，具有较大的社会意义，成型的钛合金球壳内表面无需加工，外表面和顶部加工余量很小。
图1为钛合金半球壳超塑成型装置结构示意图。
图2为成型模具结构示意图。
图中，1、压杆，2、上炉体，3、上模，4、压边圈，5、坯料，6、下模，7、下炉体，8、拉环。
具体实施例方式
给出本发明的实施例如下钛合金深潜器壳体是一种耐压球体，其设计尺寸为内径SR250mm，壁厚为18.1～18.9mm。采用超塑成型方法成型出两个半球，再进行组焊加工。
半球壳超塑成型用材料为钛合金22mm板材，其化学成分及常规力学性能应符合GB/T3621-1994《钛及钛合金板材》的要求。
下料尺寸按等面积法计算为φ748mm，采用火焰切割下料，利用角向砂轮机修磨去除切割线处的毛刺。再均匀涂刷“钛合金高温防氧化涂料”，阴干后待用。
成型模具的设计制造根据文献资料，选定3Cr24Ni7SiNRe铸件为成型用模具材料，其力学性能见下表。
3Cr24Ni7SiNRe力学性能
如图2所示，成型模具选用上下组合模，并加装压边圈4。上模3为半球形，在平面中心部位加工螺杆与压机的压杆1连接，下模6为凹模，内孔为半球形。根据成型用板材及成形半球的规格确定上模为直径φ494mm半球，并加50mm直边段。拉环8出口直径为φ544mm。
超塑成型装置钛合金半球壳的超塑成型装置见附图1，包括成型用的慢速液压机和专用模具，以及加热用的电炉。
图中压杆1和上模3焊接在一起，通过螺栓固定在液压机活动平台的T形槽内。上炉体2通过铁链柔性联接液压机活动平台，以方便安装坯料。压边圈4用于防止坯料移动和边缘起皱。下模6通过支座和螺栓固定在液压机的下平台上，在成型过程中不能移动。
半球壳体的超塑成型工艺过程一般的相变超塑成型是在一定负荷下，施以通过相变点的温度循环而得到的，在升温和降温过程中都进行相变超塑成型。由于钛合金半球壳不需要大的变形量(只需要约20％的变形量)而对成型精度要求高，在降温过程中成型会因为钛合金强度的增大而出现不均匀的变形。故制备钛合金半球壳时，只在升温过程进行塑变超塑成型。
首先安装坯料。向上移动液压机活动平台，将上炉体2和下炉体7打开适当高度，将坯料5放入下模6中，然后放上压边圈4，并用螺栓将压边圈固定在下模6上。
其次在升温过程中超塑成型。合上上炉体2和下炉体7，接通电炉电源开始加热，当达到成型的下限温度即800℃时保温45分钟，保温时间按工艺要求为2分钟/板厚mm，保温完成后启动液压机开始下压成型同时接通电炉电源继续升温，直到温度达到成型的最高温度900℃时停止成型，一次循环结束。
然后降温并进行5次循环直到成型完成向上移动液压机活动平台，打开上炉体2和下炉体7进行冷却，当温度降至成型的下限温度下80℃即720℃时，合上上下炉体升温至下限温度800℃时启动液压机开始下压成型，第二次循环开始，当温度达到900℃时成型停止，第二次循环结束，如此进行5次循环，至成型完成，成型速度0.6mm/min。
对成型后的钛合金半球壳，先进行喷砂处理，以去掉半球壳内外表面上的防氧化涂料。然后对半球壳的壁厚、表面质量、球度进行检测。壁厚检测采用Sonic-133D型超声测厚仪，对半球壳的两个方向的厚度进行测量；半球壳表面采用着色探伤方法，检测表面是否有裂纹、划伤等缺陷；半球壳的球度检测使用样板进行检验。
TC4半球壳的检测结果
尺寸检验钛合金深潜器球壳成型完成后，按设计图进行了主要尺寸检验，结果见下表。
球壳尺寸检验结果
成型的半球壳内表面无需加工，外表面加工余量仅4mm(半径方向)，顶部加工余量仅1mm。
实施例2成型方法与过程同实施例1，该实施例中，在一次成型过程完成后，降温至成型的下限温度下50℃即750℃时开始升温，实施例1为720℃。成型速度为1.0mm/min。
权利要求
1.一种钛合金球壳超塑成型方法，本发明的特征是将钛合金坯料放入下模中，电炉加热升温至成型的下限温度时进行保温，保温完成后液压机下压成型同时继续升温，至达到成型的最高温度时停止成型，一次循环结束；降温至成型的下限温度下50℃～80℃时开始升温，至成型的下限温度开始成型，达到成型最高温度时再停止成型，二次循环结束，如此经多次循环至成型完成；所述成型方法中，成型的温度范围为800℃～900℃且仅在升温过程中成型，即成型的下限温度为800℃、上限温度为900℃，温度变化幅度为100℃，成型速度0.6mm/min～1.0mm/min。
全文摘要
本发明提出的钛合金球壳超塑成型方法，是将钛合金坯料放入下模中，电炉加热升温至成型的下限温度时进行保温，保温完成后液压机下压成型同时继续升温，至达到成型的最高温度时停止成型，一次循环结束；降温至成型的下限温度下50℃～80℃时开始升温，至成型的下限温度开始成型，达到成型最高温度时再停止成型，二次循环结束，如此经多次循环至成型完成；所述成型方法中，成型的温度范围为800℃～900℃且仅在升温过程中成型，温度变化幅度为100℃，成型速度0.6mm/min～1.0mm/min。本发明可用于φ800mm以下不同直径，不同壁厚钛合金球壳的成型，利用该工艺方法为深潜器提供所需耐压球，成型的钛合金球壳内表面无需加工，外表面和顶部加工余量很小。
文档编号B21D22/22GK1814371SQ200610017500
公开日2006年8月9日 申请日期2006年3月6日 优先权日2006年3月6日
发明者孟祥军, 刘茵琪, 冯岩, 赵国超, 陈卫 申请人:中国船舶重工集团公司第七二五研究所