一种钛合金超高压耐压球壳毛坯制造工艺方法与流程

本发明属于金属材料热加工工艺制造方法范畴，具体说的是一种钛合金超高压耐压球壳毛坯制造工艺方法。

背景技术：

海洋覆盖地球表面的71％，调查海洋资源、勘探海底矿物，营救失事潜艇艇员，打捞海底贵重仪器、装备，进行水下设备施工，检查维护等一直是世界先进国家进行海洋开发的重要内容，而深潜器一直是深海研究的有力工具。与其它材料相比，钛合金由于具有比强度高、高低温性能好和耐海水腐蚀等众多优点，所以一直是海洋深潜器制造的首选材料。钛合金耐压球壳是深潜器上最关键的一个部件，其综合性能的高低（综合性能决定重量大小）直接决定深潜器下潜深度、范围及其使用寿命。

深潜器用钛合金超高压耐压球壳综合性能指标一般有：

1）室温拉伸强度rp0.2、rm；

2）室温压缩强度rpc0.2、rmc；

3）室温塑性a、z；

4）硬度；

5）冲击韧性kv2/ku2；

6）平面应变断裂韧度kic；

7）应力腐蚀开裂敏感性试验kiscc；

8）疲劳裂纹扩展速率da/dn；

9）高、低倍组织等。

中国船舶重工集团公司第七二五研究所的万自永等授权的专利《一种钛合金气瓶用封头简易成型工艺方法》（专利号：zl200910227725.3）提出了一种封头类成型工艺方法，该方法也可用于一般钛合金耐压球壳的制造，即采用板材（板坯）冲压成型，但采用此方法制造的毛坯在钛合金综合性能方面具有以下无法克服的缺点：

1）采用板材（板坯）作为原材料成型，无法克服板材（板坯）本身纵横向的性能差别，从而造成耐压球壳本体各方向的性能不均衡。

2）采用板材（板坯）成型的耐压球壳毛坯，无损检测检测到的内部线性裂纹、空洞等缺陷一般较大（相比锻件毛坯）。

3）冲压工艺成型的耐压球壳毛坯变形量小（相比锻件毛坯），无法有效提升耐压球壳的综合性能。

4）部分性能指标能够达到指标要求，但部分性能不能满足指标要求，表现为综合性能较差。

对于一般的耐压球壳而言，板材（板坯）冲压成型的上述缺点对耐压球壳的使用影响较小，但对超高压耐压球壳而言，该方法无法胜任，因此急需采用一种新工艺方法来制造钛合金超高压耐压球壳毛坯。

耐压球壳本身性能除与成型工艺方法本身有关外，还与相应的热处理工艺密切相关。

中国科学院金属研究所钛合金研究部的马英杰等的论文《多重热处理对tc4合金的组织和力学性能的影响》（《材料研究学报》，2008年10月）采用φ85mm棒材在相变点以上温度进行了6组多重热处理试验，文中仅对强度、塑性、平面应变断裂韧度、疲劳裂纹扩展速率和组织共5种性能进行了分析，结果显示，论文进行的热处理工艺获得的合金组织为晶粒粗大的魏氏组织，合金虽然其它性能较好但塑形很差（a：8.8~13%，z：11~23%）。

西北有色金属研究院的杨海瑛等的论文《热处理对tc4-dt钛合金组织性能的影响》（《材料开发与应用》，2009年4月）采用φ300mm棒材在相变点以下温度进行了3组双重热处理试验，文中同样仅对强度、塑性、平面应变断裂韧度、疲劳裂纹扩展速率和组织共5种性能进行了分析，结果显示，论文进行的热处理工艺获得的合金组织为双态组织，合金虽然其它性能较好但塑形很差（a：8~11%，z：27~43%）。

西北工业大学的李辉等的论文《热处理对ti-6al-4veli合金厚板组织与性能的影响》（《稀有金属》，2005年12月）采用30×300×250mm规格的板材进行了6组双重或多重热处理试验，文中仅对强度、塑性、平面应变断裂韧度和组织共4种性能进行了分析，结果显示，论文进行的热处理工艺获得的合金组织为晶粒粗大的魏氏组织或双态组织，合金塑形较好（a：11.5~16.5%，z：27.5~50%），但强度和平面应变断裂韧度两种性能不能同时都好，如果强度较高则平面应变断裂韧度较低（76.71），如果平面应变断裂韧度较高则强度较低（rm=915mpa，rp0.2=835mpa，）。

以上资料显示，现有资料的热处理工艺无法获得超高压耐压球壳要求达到的综合性能，另外，资料试验用原材料规格相对较小，也不适用于较大规格的超高压耐压球壳制造，因此也同样急需采用新的热处理工艺来配合锻造成型工艺达到钛合金超高压耐压球壳毛坯的制造要求。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种钛合金超高压耐压球壳毛坯制造工艺方法，制造综合性能高、大规格的球壳毛坯。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种钛合金超高压耐压球壳毛坯制造工艺方法，利用球壳模具及成型工艺完成对钛合金超高压耐压球壳毛坯的制造，具体包括以下步骤；

步骤1、准备模具：采用球壳下模配一个钢半球上模进行模锻；

步骤2、准备坯料：检验去除表面具有裂纹的坯料，对合格坯料去倒角并在表面涂覆玻璃润滑剂；

步骤3、加热：采用电炉进加热，电炉内垫放不锈钢板后放置坯料后加热；

步骤4、模锻：成形前模具预热至200~300℃，模锻时，先将坯料锻至球壳下模型腔内，使之充满大部分下模型腔；然后通过移动球壳下模对坏料进行锻造，待基本满足球壳下模充型的情况下，再放置钢半球上模进行最后的锻造，直至完全充型；

步骤5、热处理：对步骤4得到的锻件进行三重热处理，第一重热处理温度在相变点下20～80℃，第二重热处理温度在500～850℃，第三重热处理在耐压球壳最终精加工之前进行，温度在500～650℃。

坯料表面裂纹的检验方式为扒皮见光并着色检验。

加热温度为相变点以下20～80℃时，保温时间沿厚度方向按0.8～1.2min/mm计算。

模锻过程中采用激光测温仪对坯料表面测温，以保证成形时坯料温度始终保持在钛合金热成形温度范围内。

本发明有益效果是：采用本发明所述的钛合金超高压耐压球壳毛坯制造工艺方法制造的超高压耐压球壳在较低的制造成本下满足了各项技术指标的要求，实践表明，此项工艺是非常成功的，不但均满足了产品的各项性能指标要求且有较大提高。通过对球壳毛坯进行无损检测，毛坯内部没有明显缺陷。热处理后得到的钛合金金相组织为：等轴初生α相+β转变组织，β转变组织由网篮状交错分布的层片状次生α相和残余β相组成。采用α+β型钛合金制造的超高压耐压球壳毛坯性能如表1所示：

表1钛合金超高压耐压球壳性能表

由表1可见，在保证耐压球壳高强度、塑形的情况下，获得了较高的冲击韧性、平面应变断裂韧度kic、应力腐蚀开裂敏感性试验kiscc等性能，达到了优异的综合性能组合。

本次产品为模锻成型，相比常规模锻工艺，采用此种工艺，基本忽略了上模制造，简化了下模制造，模具加工时间减少2周，生产效率提高50%；模具费用的降低、锻造设备吨位的降低，可使成本降低40%以上。

附图说明

图1为本发明的球壳毛坯示意图；

图2为本发明的球壳下模和钢半球上模的结构示意图；

图3为本发明的成型过程示意图；

图4为实施例1钛合金超高压耐压球壳热处理后高、低倍组织图；

图中：1、球壳下模、2、上模，3、压力机，4、坯料。

具体实施方式

本发明所述的钛合金超高压耐压球壳毛坯生产过程中所需设备：箱式电阻炉、油压成型机、激光测温仪。

本发明所述的钛合金超高压耐压球壳毛坯示意图见附图1。

本发明适于制造规格在φ200～φ600mm钛合金超高压耐压球壳毛坯的制造。

本发明所述的钛合金超高压耐压球壳毛坯制造方法由以下步骤组成：

1）模具设计与制作

本发明的模具设计采用1个球壳下模配1个普通钢半球上模（非钛合金专用模具钢）进行模锻。相对于采用钛合金专用模具钢制作的上模，用1个普通钢半球作为上模可以显著降低模具制造成本。另外，球壳下模的设计采用一个穿透型模具环也可以大大降低模具制造成本。锻造时，球壳下模可在设备平台上移动，可以采用部分自由锻的功能，从而大大降低了锻造设备的吨位，达到再次降低成本的目的。

本发明所述的钛合金超高压耐压球壳毛坯锻造模具示意图见附图2。

2）锻前坯料准备

a.坯料首先要机加扒皮见光并着色检验，以防止坯料本身表面裂纹带入球壳毛坯。

b.坯料两端倒角处理，以防止坯料角部冷却过快影响球壳毛坯质量。

c.加热前需要将坯料表面涂覆专用玻璃润滑剂，减小坯料与模具之间的摩擦阻力，降低坯料氧化，降低锻造时坯料同模具接触过程中的温降。

3）加热

采用电炉加热，防止有害气氛对钛合金性能的破坏。炉内需垫放不锈钢板放置坯料，以避免炉内炉渣等对钛合金表面的污染。加热温度为相变点以下20～80℃，保温时间沿厚度方向按0.8～1.2min/mm计算。

4）模锻

成形前模具预热至200~300℃，以避免模具与坯料温差过大，造成坯料局部激冷。

模锻时，先将坯料基本锻至球壳下模型腔内，使之充满大部分球壳下模型腔；然后再移动球壳下模并采用类似自由锻的方式在下模部分进行锻造，待基本满足下模充型的情况下再放置半球上模进行最后的锻造，直至完全充型。

模锻过程中采用激光测温仪对坯料表面测温，以保证成形时坯料温度始终保持在钛合金热成形温度范围内。

本发明所述的钛合金超高压耐压球壳毛坯模锻成型过程示意图见附图3。

5）热处理

根据毛坯锻件各项性能的要求，结合模锻过程中的各工艺参数以及后续机加工消应需求，制定出了三重热处理工艺，第一重热处理温度在相变点下20～80℃，第二重热处理温度在500～850℃，第三重热处理在耐压球壳最终精加工之前进行，温度在500～650℃。

通过这种热处理工艺，可以得到的α+β型钛合金高倍金相组织为：等轴初生α相+β转变组织，β转变组织由网篮状交错分布的层片状次生α相和残余β相组成，如附图4所示。这种组织在确保钛合金具备较高的强度、塑形等性能的同时，特别是网篮状交错分布的层片状次生α相可以使断裂裂纹扩展路径逐步增多，造成裂纹扩展所需的能量逐步增加，最终表现为合金的冲击韧性、断裂韧度等性能提升。这样，可以使钛合金耐压球壳毛坯达到优异的综合性能组合。

实施例1：

本发明已应用于φ360规格的tc4eli钛合金超高压耐压球壳的制造。

1）此种规格锻件外径φ360mm，最大法兰外径φ450mm，精加工球壳厚度20mm。

2）坯料下料后机加见光并倒角，之后表面涂覆ti-5玻璃润滑剂。

3）电炉加热，炉内垫放不锈钢，加热至950±10℃，到温入炉，保温时间1min/mm。

4）模具预热至280±20℃，模锻过程中下模表面涂覆石墨水溶液进行适当润滑。

5）采用激光测温仪进行表面测温，确保成形温度保持在750℃以上。

6）热处理工艺：第1重热处理温度930℃±10℃，第2重热处理温度760±10℃，第3重热处理温度560℃±10℃。

采用此种方法制造的超高压耐压球壳毛坯锻件体性能见表2所示，整体性能远远优于国标（gb/t25137-2010）要求，其中rp0.2比国标要求高出126mpa，最终球壳成功通过140mpa超高压力的考核测试。

表2tc4eli钛合金耐压球壳毛坯性能

热处理后得到的tc4eli合金金相组织为等轴初生α相+β转变组织，β转变组织由交错分布的片状（网篮状）次生α相和残余β相组成，如附图4所示。

本次产品为模锻成型，相比常规模锻工艺，采用此种工艺，基本忽略了上模制造，简化了下模制造，使模具加工时间减少2周，生产效率提高50%；模具费用的降低、锻造设备吨位的降低，可使成本降低45%以上。同时，得到的综合性能均高于常规模锻得到的综合性能。

实施例2：

本发明已应用于φ560规格的tc4钛合金超高压耐压球壳的制造。

1）此种规格锻件外径φ560mm，内径φ400mm。

2）坯料下料后机加见光并倒角，之后表面涂覆ti-6玻璃润滑剂。

3）电炉加热，炉内垫放不锈钢，加热至960±10℃，到温入炉，保温时间1min/mm。

4）模具预热至280±20℃，模锻过程中下模表面涂覆石墨水溶液进行适当润滑。

5）采用激光测温仪进行表面测温，确保成形温度保持在750℃以上。

6）热处理工艺：第1重热处理温度950℃±10℃，第2重热处理温度760±10℃，第3重热处理温度560℃±10℃。

采用此种方法制造的超高压耐压球壳毛坯锻件体性能见表3所示，整体性能远远优于国标（gb/t16598-2013）要求。

表3tc4钛合金耐压球壳毛坯性能

本次产品为模锻成型，相比常规模锻工艺，采用此种工艺，基本忽略了上模制造，简化了下模制造，使模具加工时间减少2周，生产效率提高50%；模具费用的降低、锻造设备吨位的降低，可使成本降低45%以上。同时，得到的综合性能均高于常规模锻得到的综合性能。

实施例3：

本发明已应用于φ300规格的ta31钛合金超高压耐压球壳的制造。

1）此种规格球壳锻件外径φ300mm，内径φ190mm。

2）坯料下料后机加见光并倒角，之后表面涂覆ti-1玻璃润滑剂。

3）电炉加热，炉内垫放不锈钢，加热至970±10℃，到温入炉，保温时间1min/mm。

4）模具预热至280±20℃，模锻过程中下模表面涂覆石墨水溶液进行适当润滑。

5）采用激光测温仪进行表面测温，确保成形温度保持在750℃以上。

6）热处理工艺：第1重热处理温度960℃±10℃，第2重热处理温度650±10℃，第3重热处理温度560℃±10℃。

采用此种方法制造的超高压耐压球壳毛坯锻件体性能见表4所示，整体性能远远优于国标（gb/t35364-2017）要求。

表4ta31钛合金耐压球壳毛坯性能

本次产品为模锻成型，相比常规模锻工艺，采用此种工艺，基本忽略了上模制造，简化了下模制造，使模具加工时间减少2周，生产效率提高50%；模具费用的降低、锻造设备吨位的降低，可使成本降低45%以上。