CN101443138A - 用于长形金属棒材的蠕变成形及消除应力的方法和设备 - Google Patents

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CN101443138A CNA2007800168316A CN200780016831A CN101443138A CN 101443138 A CN101443138 A CN 101443138A CN A2007800168316 A CNA2007800168316 A CN A2007800168316A CN 200780016831 A CN200780016831 A CN 200780016831A CN 101443138 A CN101443138 A CN 101443138A
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Abstract

一种热蠕变拉伸卷绕成形方法，包括将金属棒材加热到在适合于其蠕变变形的温度范围内的成形温度，在不大于0.05英寸/英寸/秒的应变速率下向金属棒材施加拉伸力、以及围绕模具卷绕金属棒材，上述模具优选的是具有热绝缘和/或电绝缘的工作面。拉伸力通常施加到应变是在0.5％－15.0％范围内。金属棒材最优选的是钛合金，其成形温度是在其熔融温度的0.45－0.60范围内。卷绕的金属棒材保持在合适位置，且它的温度通常在所述温度范围内保温5至120分钟用于应力消除。优选地，金属棒材在整个过程中基本保持在成形温度。围绕模具和金属棒材的热绝缘层减少了金属棒材的热损失。

Description

用于长形金属棒材的蠕变成形及消除应力的方法和设备
发明背景
1.技术领域
本发明涉及金属部件、尤其是长形的金属棒材的热蠕变拉伸成形。更具体地说，本发明涉及难以拉伸卷绕成形的钛、钛合金及类似金属的热拉伸卷绕成形。尤其是，本发明涉及金属型材利用具有热绝缘和电绝缘工作表面的热拉伸卷绕成形。
2.背景技术
本发明涉及在高温下成形的长形金属部件的热拉伸卷绕成形，尤其是通过挤压、锻造、轧制、机加工或这些方法的组合而制造的由钛合金制成的部件。钛合金由于它们极好的机械和耐腐蚀性能并且重量较轻而作为航空航天材料广泛使用。然而，众所周知，钛合金一般难以成形，且需要加热到很高温度以便合适地成形这些部件。钛合金供在航空器的成型结构件(contoured structural members)内使用十分理想，但由于缺少合适的经济上可行的用以成形这些成型件的方法，这些结构件的成形很受限制。随着对重量轻而强度高的结构部件如先进飞机中的翼弦的需求的增加，对这些部件的需求增加。
目前可用于成形长形钛部件的一种方法通称为“冲击成形法”(bump forming)。这种方法包括将长形部件放在炉子中加热到预定温度，在达到预定温度时将部件从炉子中取出，并放在压型机的成形机组上。压型机施加弯曲力以造成部件的局部变形。在成形期间部件的温度快速下降，因而成形的阻力显著增加。因此，冲击成形法要求重复的加热周期，以便完成成形过程，这样耗费时间和资金。此外，由冲击成形所产生的弯曲力矩引起在中性轴线之上的这段部件产生拉伸应力并且在中性轴线之下产生压缩压力，上述拉伸应力和压缩应力分别在部件中产生裂纹和折皱。在部件内的相当大的应力梯度使得难以控制所成形的部件的几何形状。此外，由部件的复合应力状态所引起的局部变形促进了其中大量残留应力的生成，而这要求用价格高的夹具进行离线应力消除处理。冲击成形法受到缺乏能够不依靠试错法而得到所希望的外形的导向工具这一缺点的制约。它还难以保持例如沿着凸缘及类似物之间的角度的横断面的结构整体性。已经提出后热定径(post hot sizing)来改善成形的部件的尺寸整体性。最后，冲击成形法不适合于计算机模拟。
尽管热拉伸卷绕成形的总体构想业已问世一段时间，但已知的现有技术方法不适合于经济地成形用难以成形的钛合金或其它材料制成的部件。授予Maloney的美国专利2,952,767公开了一种用于拉伸卷绕成形长形棒材的设备，所述长形棒材通过电阻加热进行加热，并围绕金属模具卷绕，上述金属模具通过模具组件内常规加热元件加热。用这种配置的主要问题是当加热的模具和金属部件相互接触时，在它们之间产生的电分流效应，该效应导致部件的局部过热和缩颈。
授予Morris等人的美国专利4,011,429注意到上述分流效应，并设法通过并联地电连接模具和金属部件，用电阻加热模具和长形金属部件二者并用相同电压加热它们来克服这个问题。遗憾的是，这种配置不实用，因为模具和部件的并联加热要求复杂和价格过高的模具配置。此外，这种方法要求将部件预加热到一定温度，该温度显著低于部件的成形温度，而同时将模具加热到成形温度，因此，只有部件在与模具接触的接触部分升高到成形温度，这样导致在部件的接触部分和不接触部分之间产生不均匀的屈服强度。由于变形过程不均匀，所以要保持所成形的部件的结构整体性并减少残留应力的生成是极其困难的。
本发明解决这些和另一些问题，如通过下述说明而将显现的那样。
发明概述
本发明提供一种方法，所述方法包括以下步骤：将长形的金属棒材加热到成形温度，所述成形温度在适合于金属棒材蠕变成形的温度范围内；在不大于0.05英寸/英寸/秒的应变速率下向加热的金属棒材施加拉伸力；以及围绕模具卷绕加热的金属棒材，以便形成卷绕的金属棒材。
附图简介
图1是本发明的热蠕变拉伸成形设备的示意顶部平面图，同时，其中示出模腔内的热绝缘和电绝缘材料和在围绕模具卷绕之前的金属棒材。
图2是沿着图1的线2-2上所取的剖视图，其中示出模腔内的两层热绝缘材料。
图3是类似于图2的剖视图，其中示出插入模腔中的金属棒材，用绝缘材料将金属模具与金属棒材分开。
图4是类似于图1的视图，其中示出夹头已从图1的开始位置移动到图4的完成位置，以便围绕模具的工作表面卷绕长形的棒材。
图5是类似于图3的视图，其中示出覆盖的力处于打开位置并且拉伸卷绕成形的金属棒材从模腔中取出。
图6是工业级纯钛的示意应力/温度图，此处左面数字表示标准化的剪切应力，右面数字表示在20℃下的剪切应力，顶部数字表示温度(℃)，且底部数字表示同系温度。
图7是示出塑性变形区、均匀变形区和扩散变形区的示意图。
图8是现有技术金属棒材的示意平面图，其中示出由热拉伸卷绕成形期间所产生的应力引起的皱折和断裂。
图9是类似于图8的视图，其中示出通过本发明的热拉伸卷绕方法所成形的金属棒材，其表明金属棒材没有图8的现有技术金属棒材的皱折和断裂。
图10是金属棒材具有L形配置的剖视图。
各附图中同样的标号指代同样的部件。
发明详细说明
本发明的热拉伸卷绕成形设备在图1中总体地用标号10表示。设备10包括模具12和一对间隔开的夹头14，所述夹头14设置用于夹紧一金属型材，示出的所述型材为长形的金属棒材16，上述夹头14邻近棒材16的相应端部夹紧，以便当加热时拉伸所述金属棒材16并围绕模具12卷绕棒材16。设备10对用钛合金制成的棒材的热蠕变拉伸成形尤其有用。夹头14附接到相应的摆臂上，所述摆臂未示出，但在该技术领域中是公知的。每个夹头14都通过导体或电线20与电源18连通，以便形成以电阻方式加热金属棒材16的电路。通过电线22电连接到电源18上的多个加热元件24可以插入模具12中用于加热模具12。模具12具有一模腔边界表面26，所述模腔边界表面26限定T形模腔28(图2)。表面26和模腔28具有拱形构造，所述拱形构造从模具12的第一端30延伸到模具12的第二端32。绝缘层的第一或内层和第二或外层34，36设置在模腔28内，同时第一层34以基本上连续的方式从模具12的第一端30到模具12的第二端32贴着模具12的表面26。第二层36同样以基本上连续的方式从第一端30到第二端32贴着第一层34。第一和第二层34和36顺应表面26，并因此具有大体T形的构造。第二层36限定工作表面38，所述工作表面38在卷绕期间贴着金属棒材16。如图2所示，金属棒材16具有T形横断面，所述T形横断面具有与T形模腔28和工作表面38匹配的构造。工作表面38限定T形工作空间，在拉伸卷绕过程期间棒材16设置在所述T形空间中。
更具体地说，第一和第二层34和36中每一层最优选的是用热绝缘和电绝缘的材料制成。可供选择地，如果需要的话，第一和第二层34和36的其中之一可以用热绝缘材料形成，而另一层可以用电绝缘材料形成。尽管优选的是在模具12和棒材16之间提供热绝缘和电绝缘层，但可以设想，视环境而定，可以只用一层热绝缘层或只用一层电绝缘层。
在示例性实施例中，第一和第二层34和36用挠性耐火材料形成。这使第一和第二层34和36能很容易地顺应模腔的形状。此外，使用这些挠性层可提供在卷绕过程之前设置各层的通用性。例如，在金属棒材插入模腔之前，可以将各层设置在模腔内(如图2所示)，卷绕金属棒材的一部分或全部，或者简单地悬置在模腔和金属杆件之间，以便金属棒材向模腔中的插入将绝缘材料压成所希望的形状。第一和第二层34和36通常是耐火陶瓷表面层。一种这样合适的陶瓷表面层以商品名称Kaowool销售。这类陶瓷表面层通常提供上述热绝缘和电绝缘两种性能，并用编织的陶瓷纤维形成。这种挠性表面层当退化变质到一定程度以致它们不再对本发明的目的有用时，也很容易从模腔中或者金属棒材上取出。尽管这类陶瓷表面层是理想的绝缘材料的一种形式，但其它合适的材料和/或涂层也可以利用，所述合适的材料和/或涂层提供本发明所需的热绝缘和/或电绝缘性能，并能承受在卷绕过程期间所用的热和压力。
设备10还包括热绝缘覆盖层62，当棒材16夹紧在夹头14之间处于它的开始位置时，覆盖层62总体上包围模具12和金属棒材16。覆盖层62包括一梯形顶壁64，所述顶壁64从前壁66延伸到后壁68并且从第一侧壁70延伸到第二侧壁72。覆盖层62还包括底壁74(图2)，所述底壁74具有与顶壁64基本上相同的形状。覆盖层62包括门76，所述门76包括一部分顶壁64，并通过铰接件78铰接式连接到顶壁64的其余部分上。铰接式设计也可以用可伸缩的设计代替。门76还包括前壁66和一部分底壁74。门76可在如图1-4所示的关闭位置和图5所示的打开位置之间移动。每个壁64，66，68和74都包括通常用金属制成的外支承壁80和热绝缘内层82。侧壁70和72也可以包括各自的支承壁80和热绝缘层82，不过应该注意，壁70和72的设置使得金属棒材16能从开始位置移动到其完成位置。因此，侧壁70和72可以是完全打开、部分打开或者可以在打开位置和关闭位置之间活动，以便在打开位置中金属棒材16可以从开始位置移动到完成位置。因此，例如，侧壁70和72可以铰接式连接到顶壁64上，以便在这种打开位置和关闭位置之间移动。各侧壁也可以用陶瓷织物或表面层的挠性隔层代替。在示例性实施例中，顶壁64和底壁74的绝缘层82分别贴着模具12的上表面和下表面，而门76的绝缘层82向外与模具12间隔开，以便限定它们之间的空间，所述空间限定金属棒材16的开始位置。覆盖层62有助于单独控制加热模具12和金属棒材16的能力。覆盖层的说明和图示不限于铰接式设计。例如，在本发明的范围内不排除侧壁利用带或不带陶瓷表面层或织物的挠性绝缘层的可收缩的滑动式覆盖层的其它方法和设计。
设备10的一般操作参照图1-4加以说明。参见图1，操纵电源18以便使电流流过金属棒材16来将金属棒材16以电阻方式加热到所需的预定温度。一旦达到这个预定温度，夹头14就施加如箭头A所示的向外拉伸力，也就是说纵向拉力或张力。其间，视具体环境而定，模具12可以加热或者可以不加热。如果模具12需要加热，则可以操纵电源18，以便通过电线22和加热元件24以电阻方式加热模具12。无论模具12是否加热，然后都将夹头14移向模具12，以便将金属棒材如图3和4中箭头B所示移到工作空间40中。可供选择地或者作为组合要素，可以移动模具12以便有助于模具12和夹头14之间的相对运动。然后如图4中箭头C所示移动夹头14，以便迫使金属棒材16贴着层36的工作表面38来围绕模具12卷绕金属棒材16，以便形成如图4中所示的成形部件的拱形构造。在围绕模具12卷绕金属棒材16期间，向金属棒材16持续施加纵向拉伸力。因此，夹头14从图1所示的设备10的卷绕前形态移动到图4所示的卷绕后形态。
层34和/或36的电绝缘性能防止金属棒材16和模具12之间的电分流，所述电分流已在本发明的背景部分中述及。此外，层34和/或36的热绝缘性能减少或消除了金属棒材16中过热点的形成，如果没有本发明的层34和/或36的热绝缘性能，所述过热点可能在模具12加热时并且尤其是如果加热不均匀时引发。热绝缘性能也可使得无论是不加热模具12还是在比已知现有技术配置显著减少的水平下加热模具12的条件下都可以使用模具12。
参照图6-7详细说明本发明的方法。图6是具有粒径为0.1mm的工业级纯钛的示意应力/温度图，此处左边的数字代表标准化的剪切应力(σs/μ)，右边的数字代表20℃下的剪切应力(MN/m2)，顶部数字代表温度(℃)，而底部数字代表同系温度(T/Tm)，此处T是金属的温度(°K)，而Tm是金属的熔融温度(°K)。图6取自Harold J.Frost和Michael F.Ashby所著书名为“变形机制图：金属和陶瓷的塑性和蠕变(Deformation-Mechanism Maps：The Plasticity and Creep ofMetals and Ceramics)”，Pergamon出版社，第一版(1982.10)的第50页处的图6.10。Frost和Ashby所研究出的图表明，有一些特定的条件，在所述特定条件下这种钛可以通过塑性变形、通过扩散变形或者通过不包括塑性变形或扩散变形的蠕变变形进行变形。这种蠕变变形主要是在图6中标号84所表示的区域中发生。
申请人已确定，为了生产克服了现有技术方法中应力问题的高质量热拉伸卷绕成形的钛合金棒材，棒材应在与这种蠕变变形有关的特定条件下加工。如图7所示，塑性控制式的变形(框图86)造成导致成形困难的不良金属流动和工件硬化。在另一个极端，扩散流控制式的变形(框图88)造成导致蠕变断裂的快速蠕变变形。此外，在扩散变形期间的氧化作用和表面污染导致α-表面层(α-case)的钛产品。作为对比，在特定参数内的蠕变变形(框图90)消除了塑性变形和扩散变形的副作用，并导致生产所期望的高质量产品所需的均匀变形。
更具体地说，金属棒材16加热到0.45至0.60Tm(°K)(约625-925℃或1202-1690℉)的成形温度范围内，并在小于0.05英寸/英寸/秒(in/in/sec)的受控应变速率下预拉伸到应变为0.5％至3％，而同时将金属棒材16的温度保持在上述范围内。应变速率优选的是在0.00005至0.005in/in/sec范围内。应变定义为金属棒材16(或其局部)的经过拉伸的长度和原始长度之间的差值分别除以棒材或局部的原始长度。对于Ti-6Al-4V，这是优选的钛合金，成形温度范围为1250-1450℉。然后在同样条件下围绕层34，36和模具表面26蠕变拉伸卷绕成形金属棒材16。上述过程使金属棒材16内的残留应力减至最小。然而，一旦拉伸卷绕成形步骤产生图4的弯曲金属棒材16，则夹头14保持金属棒材16以这种弯曲型材压住层34，36和模具表面26，而同时将金属棒材16的温度持续保持保温时间范围为5至120分钟，以便消除任何可能在拉伸卷绕过程期间生成的残留应力。具体的保温时间取决于形成棒材16的金属的应力张弛特性。视具体环境而定，在保温期间，可以施加或者可以不施加纵向拉伸力。
最优选的是，在整体蠕变预拉伸、蠕变拉伸卷绕成形和保温期间，都使金属棒材16保持在基本上均匀的温度(成形温度)下。一旦金属棒材16加热到成形温度，则在所有这些步骤中它的温度通常从成形温度变动不大于30℃，优选的是不大于15℃。尽管可以通过简单地加热金属棒材16以在这些步骤的每一步骤中保持金属棒材16的温度，然而使用热覆盖层62十分有助于这种过程，而同时降低了能耗。使用具有热绝缘性能的一层或多层34，36也有助于防止金属棒材16的热量损失，并因此帮助在过程期间保持它的温度，尤其是当层34，36完全地围绕金属棒材16而卷绕时。在某些情况下，对规定的保温时间保持基本上均匀的温度可以在不另外加热金属棒材16的情况下仅通过由覆盖层62和/或层34，46所提供的保热而实现。即使在模具12不单独加热或者加热到一显著低于金属棒材16的成形温度的温度时，通常也能保持金属棒材16的均匀温度。
因此，该方法产生热蠕变拉伸卷绕成形的金属棒材16，其最终形状(图9)基本上没有回弹并且在成形的部件内基本上没有不希望有的拉伸力或压缩应力，所述拉伸应力或压缩应力可能分别引起断裂和皱折，如图8的现有技术金属棒材96中以夸张的方式所示出的那样。由于该方法实际上消除了金属棒材16内的残留应力，所以不需要金属棒材16的离线后成形应力消除处理，因此显著减少了制造时间和费用。本发明的其它方面在标题为“热成形长形金属棒材的方法和设备”的共同待批的专利申请中更详细说明，该申请与本发明同时递交并包括在本文中作为参考。
蠕变成形三个挤压件的成形参数和结果参照图10进行说明并列于下表中。图10示出L形挤压件或挤压的棒材98，所述棒材98具有第一腿部100和第二腿部102，该第二腿部102垂直于第一腿部100延伸。棒材98代表下面说明的三种试验的挤压件的每一个，更具体地说代表挤压件1、挤压件2和挤压件3。棒材98沿着第一腿部100具有总宽度W1，并且沿着第二腿部102具有总厚度T1。第一腿部100具有厚度为T2，而第二腿部102具有宽度W2。每个试验的挤压件都用Ti6AL-4V形成。对每个试验的挤压件来说，在成形之前W1为1.610英寸，厚度T1为2.260英寸，宽度W2为0.350英寸而厚度T2为0.780英寸。每个挤压件的棒材98的截面积为1.791平方英寸。本发明的范围不限于上面为举例说明所给出的形状和尺寸。总宽度与总厚度的比值通常是在1:1至10:1范围内。
表1：成形条件
 
参数 挤压件1 挤压件2 挤压件3
技术 改进的现有技术 本发明 本发明
模具温度℉ 1300 室温 室温
部件温度℉预加热成形       13001250 13001300 13501350
模具绝缘层 无 陶瓷绒和石英护套 陶瓷绒和石英护套
成型拉力预拉伸平均应变速率(in/in/sec)后成型保温   忽略不计无<3×10-4不保温   25T1.5％<3×10-415分钟   18T1.0％<1×10-430分钟  
金属运动 高达0.5″成形部分的端部附近               极小在成形部分端部处<0.125″         极小在成形部分端部处<0.125″        
如表1所示，挤压件1用经过改进的现有技术方法形成，同时使用加热到接近挤压件1的成形温度的模具。在加热期间利用陶瓷绒作为模具和挤压件1之间的阻挡层，以便防止挤压件1的分流效应。然后切断穿过挤压件1供电阻加热的电流，并在即将进行卷绕过程之前除去陶瓷绒阻挡层。
挤压件2和3用未加热的模具面对陶瓷绒和石英护套而成形。挤压件2和3二者在卷绕过程之前和过程期间通过电阻加热加热到成形温度。在成形完成之后，将这些挤压件保持在合适位置，而同时在陶瓷绒表面层下继续电阻加热。如从表1中可以看出的，通过改进的现有技术成形的挤压件1显示出在应变消除之后部件中的显著运动，而挤压件2和3由于预拉伸和成形后保温而显示极小运动。
表2：成形之前和之后的性能
如从表2可以确定的，在挤压件的成形部分和未成形部分处，抗拉强度实际上没有差别。此外，在挤压件的成形部分和未成形部分之间的显微结构、结构的α表面层和均匀性实际上没有差别。因此，与原始的经过挤压和退火的棒材相比，蠕变成形在性能和显微结构上实际上没有变化。
在上面说明中，为了简便、清楚和有助理解起见，使用了某些术语。这些术语不是意味着加一些超出现有技术要求的不必要的限制，因为这些技术语是用于说明的目的，并且应作广义解释。
另外，本发明的说明和图示是例示性的，本发明不限于所示出或说明的那些确切细节。

Claims (20)

1.一种方法，包括以下步骤：
将长形的金属棒材加热到成形温度，所述成形温度在适合于金属棒材的蠕变变形的温度范围内；
在不大于0.05英寸/英寸/秒的应变速率下向经过加热的金属棒材施加拉伸力；以及
围绕模具卷绕经过加热的金属棒材，以便形成卷绕的金属棒材。
2.如权利要求1所述的方法，其中施加拉伸力的步骤包括在不大于0.05英寸/英寸/秒的应变速率下向经过加热的金属棒材施加拉伸力以致应变在0.5％-15.0％范围内。
3.如权利要求2所述的方法，其中加热步骤包括将钛合金形成的金属棒材加热到在0.45至0.60Tm范围内的成形温度，其中Tm是钛合金的熔点。
4.如权利要求2所述的方法，其中施加拉伸力步骤包括在卷绕步骤之前在不大于0.05英寸/英寸/秒的应变速率下向经过加热的金属棒材施加拉伸力以致应变在0.5％-3.0％范围内的步骤；并且其中施加拉伸力的步骤包括在卷绕步骤期间在不大于0.05英寸/英寸/秒的应变速率下向经过加热的金属棒材施加拉伸力以致应变在0.5％-15.0％的范围内的步骤。
5.如权利要求1所述的方法，其中加热步骤包括将钛合金形成的金属棒材加热到在0.45-0.60Tm范围内的成形温度，其中Tm是钛合金的熔点。
6.如权利要求1所述的方法，其中加热步骤包括将金属棒材加热到在650℃-925℃(1202℉-1690℉)的温度范围内的步骤。
7.如权利要求1所述的方法，其中加热步骤包括将钛合金形成的金属棒材加热到在1250℉-1450℉的温度范围内的步骤。
8.如权利要求1所述的方法，其中施加拉伸力步骤包括在0.00005英寸/英寸/秒至0.005英寸/英寸/秒范围内的应变速率下向经过加热的金属棒材施加拉伸力的步骤。
9.如权利要求1所述的方法，其中加热步骤包括使电流穿过金属棒材以电阻方式加热金属棒材的步骤。
10.如权利要求9所述的方法，还包括使金属棒材保温的步骤，所述保温的温度在整个金属棒材上始终基本上均匀且在施加拉伸力步骤和卷绕步骤中始终基本上恒定。
11.如权利要求9所述的方法，其中卷绕步骤包括围绕金属模具的模具表面卷绕经过加热的棒材的步骤，上述金属模具具有一层电绝缘材料将模具表面与经过加热的金属棒材分开，以便防止金属棒材和金属模具之间电连通。
12.如权利要求1所述的方法，还包括在卷绕步骤之后使卷绕的金属棒材保持贴着模具而同时使卷绕的金属棒材的温度保持在所述温度范围内至少5分钟的步骤。
13.如权利要求12所述的方法，还包括使卷绕的金属棒材的温度保持在所述温度范围内至少10分钟的步骤。
14.如权利要求13所述的方法，还包括使卷绕的金属棒材的温度保持在所述温度范围内至少20分钟的步骤。
15.如权利要求11所述的方法，还包括使金属棒材保持在一温度的步骤，该温度在施加拉伸力、卷绕、保持贴着模具和保温度的步骤中始终是在成形温度的30℃之内。
16.如权利要求1所述的方法，还包括围绕模具和金属棒材设置热绝缘层以便减少金属棒材热损失的步骤。
17.如权利要求1所述的方法，其中加热步骤包括加热金属棒材到一在整个金属棒材基本上均匀的温度的步骤。
18.如权利要求17所述的方法，还包括在施加拉伸力和卷绕步骤中始终保持该基本上均匀的温度的步骤。
19.如权利要求18所述的方法，其中卷绕步骤包括围绕模具的模具表面和一层热绝缘材料卷绕经过加热的金属棒材的步骤，上述热绝缘材料层设置在模具表面和经过加热的金属棒材之间，同时不单独加热模具表面。
20.如权利要求1所述的方法，其中卷绕步骤包括围绕工作表面卷绕经过加热的金属棒材的步骤，上述工作表面由热绝缘材料和电绝缘材料的至少其中之一形成。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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