CN101466485A - 金属棒的蠕变成形以及应力消除 - Google Patents

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CN101466485A CNA2007800220156A CN200780022015A CN101466485A CN 101466485 A CN101466485 A CN 101466485A CN A2007800220156 A CNA2007800220156 A CN A2007800220156A CN 200780022015 A CN200780022015 A CN 200780022015A CN 101466485 A CN101466485 A CN 101466485A
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Abstract

热蠕变拉伸卷绕成形方法包括将金属棒(16)加热到处于适合其蠕变的温度范围内的成形温度，以不大于0.05英寸/英寸/秒的应变率给金属棒施加拉伸力，以及使金属棒卷绕模具(12)，所述模具优选地具有热绝缘和/或电气绝缘工作表面(34，36)。拉伸力典型地施加至0.5％到15.0％的应变。金属棒(16)最优选地为钛合金，所述钛合金的成形温度为其熔化温度的0.45到0.60。卷绕金属棒固定在适当位置，其温度保持在所述温度范围内典型地持续5到120分钟以便应力消除。优选地，金属棒(16)在整个过程中大体上保持在成形温度。围绕模具和金属棒的热绝缘层(62)减少了来自金属棒的热损失。

Description

金属棒的蠕变成形以及应力消除
技术领域
本发明涉及金属部件，更特别地是细长金属棒的热蠕变拉伸成形。更特别地，本发明涉及对通常难以拉伸卷绕成形的钛、钛合金和类似金属进行热拉伸卷绕成形。特别地，本发明涉及利用具有热绝缘、电气绝缘工作表面的模具对金属部件进行热拉伸卷绕成形。
背景技术
本发明涉及对在高温下形成的细长金属部件，尤其是通过挤压成形、锻压、辊压、机加工或其组合制造的钛合金制部件进行的热拉伸卷绕成形。钛合金由于其与相对轻质相结合的优异的机械和耐腐蚀性能而广泛用作航天材料。然而，众所周知的是，钛合金通常难以成形，并且需要加热到充分高的温度以便适当地形成这类部件。钛合金非常适合于在飞机的成型结构件中使用，但是这种结构件由于缺少形成这种成型构件的适用和经济可行的方法而受到极大限制。对这种部件的需要随着人们对例如高级飞机中的翼弦的轻质、高强度结构部件的希望而增加。
一种用于形成细长钛部件的现有方法称作＂冲击成形＂。这种方法包括在熔炉中将细长部件加热到预定温度，此时，将部件从熔炉中取出并放置在成形压力机的成形模上。压力机施加使部件产生局部变形的弯曲力。部件温度在成形过程中迅速降低，因此，成形阻力显著增大。因此，冲击成形需要反复加热循环以完成成形过程，这耗时并且昂贵。另外，由冲击成形引起的弯曲力矩使部件截面内的张应力位于中性轴以上，压应力位于中性轴以下，这在部件中分别产生裂缝和褶皱。部件内的相当大的应力梯度则使控制成形部件的几何结构变得很难。另外，由部件的复杂应力状况引起的局部变形加速内部显著残余应力的形成，需要利用昂贵夹具进行离线消除应力处理。冲击成形的缺陷在于缺少导向工具以不靠反复试验及误差法实现所需轮廓。同样难以保持例如沿着凸缘之间角度等的横截面的结构完整性。人们建议使用后热模精压(Post hot sizing)来提高成形部件的尺寸完整性。最后，冲击成形不能由计算机模拟进行检验。
尽管热拉伸卷绕成形的一般概念已经为人们已知了一段时间，但现有技术的方法不适合经济地形成由钛合金或难以成形的其它材料制成的部件。授权给Maloney的美国专利2,952,767公开了一种用于使细长棒拉伸卷绕成形的设备，所述细长棒通过电阻加热的方式加热并且卷绕由位于模具组件内的传统加热元件加热的金属模具。这种构造的主要问题是受热模具和金属部件在其彼此接触时发生于它们之间的电气短路效应，这造成部件局部过热和颈缩。
授权给Morris等的美国专利4,011,429注意到上述短路效应并且通过以并联方式电气连接模具和金属部件和使用相同电压对它们进行加热来通过电阻对模具和细长金属部件两者加热以解决上述问题。令人遗憾的是，这种构造不实用，因为并联加热模具和部件需要模具的复杂且受限制的昂贵构造。另外，这种方法需要将部件预先加热到远低于其成形温度的温度，而模具加热到成形温度，使得只有部件的接触部分在与模具接触时达到成形温度，这导致部件的接触部分和非接触部分之间不均匀的屈服强度。因为变形过程不均匀，所以极难保持成形部件的结构完整性以及将残余应力的形成减到最少。
本发明解决了这些和其它问题，如通过后续描述变得显而易见的那样。
发明内容
本发明提供了一种方法，包括将细长金属棒加热到处于适合金属棒蠕变的温度范围内的成形温度；以不大于0.05英寸/英寸/秒的应变率给受热金属棒施加拉伸力；和使受热金属棒卷绕模具以形成卷绕金属棒。
附图说明
图1是本发明的热蠕变拉伸成形设备的示意性顶部平面图，显示了位于模腔内的热绝缘和电气绝缘材料以及卷绕所述模具之前的金属棒。
图2是沿图1所示直线2-2剖开的剖视图，显示了模腔内的双层绝缘材料。
图3是与图2类似的剖视图，显示了插入模腔中的金属棒，并且绝缘材料使金属模具与金属棒隔开。
图4与图1类似，显示了从图1所示起始位置移动到图4所示完成位置以使细长棒卷绕模具工作表面的夹爪。
图5是与图3类似的视图，显示了处于打开位置的盖门和从模腔取出的拉伸卷绕成形金属棒。
图6是用于工业纯钛的示意性应力/温度图，其中，左边的数字表示标准化切应力，右边的数字表示20℃时的切应力，顶部数字表示以℃表示的温度，底部数字表示同系温度。
图7是示意图，显示了塑性变形区域，均匀变形区域和扩散变形区域。
图8是现有技术的金属棒的示意平面图，显示了由在热拉伸卷绕成形期间产生的应力引起的皱纹和裂纹。
图9与图8类似，显示了通过本发明的热拉伸卷绕方法形成的金属棒，显示出金属棒不会出现图8所示现有技术的金属棒的皱纹和裂纹。
图10是具有L形构造的金属棒的剖视图。
类似的数字在所有附图中表示类似的部件。
具体实施方式
在图1中通常以10表示本发明的热拉伸卷绕成形设备。设备10包括模具12和一对隔开的夹爪14，所述夹爪构造为夹紧显示为与其相应端部邻近的细长金属棒16的金属部件，以便使金属棒16在其被加热时拉伸并且使其卷绕模具12。设备10尤其对钛合金制棒材的热蠕变拉伸成形有用。夹爪14连接到相应的摆臂上，所述摆臂没有显示，但是在本领域众所周知。每个夹爪14通过导线或金属丝20与电源18连通以形成用于电阻加热金属棒16的电路。通过金属丝22与电源18电气连接的多个加热元件24可以插入模具12中以对其加热。模具12具有模腔分界面26，其限定了T形模腔28(图2)。表面26和腔室28具有弧形构造，其从模具12的第一端部30伸向模具12的第二端部32。绝缘的第一层或内层34和绝缘的第二层或外层36布置在腔室28内，其中，第一层34以从模具12的第一端部30到第二端部32的大体上连续方式与模具12的表面26邻接。第二层36同样以从第一端部30到第二端部32的大体上连续方式与第一层34邻接。层34和36与表面26相符，因此具有通常T形构造。第二层36限定了工作表面38，其在卷绕过程中与金属棒16抵接。如图2所示，金属棒16具有T形横截面，其具有与T形腔28和工作表面38相配合的构造。工作表面38限定了T形工作空间40，棒16在拉伸卷绕过程中布置在所述工作空间内。
更特别地，第一层和第二层34、36中的每一个最优选地由热绝缘和电气绝缘材料制成。可选地，如果希望的话，层34和36之一可以由热绝缘材料制成，另一个由电气绝缘材料制成。尽管人们希望在模具12和棒16之间提供热绝缘和电气绝缘，但是可以想到的是，可以根据环境只使用热绝缘层或电气绝缘层。
在示例性实施例中，层34和36由柔性耐火材料制成。这允许层34和36容易地与模腔的形状相符。另外，使用这种柔性层允许在卷绕过程之前在使所述层定位方面的多样性。例如，在将金属棒插入模腔中之前，所述层可以布置在模腔(如图显示)内部，卷绕金属棒的一部分或全部，或者仅悬置在模腔和金属棒之间，使得金属棒插入模腔可以将绝缘材料压制成希望的形状。层34和36典型地为耐火陶瓷毡。这样一种适当的陶瓷毡的名称为Kaowool。这种陶瓷毡典型地提供如上所述的热绝缘和电绝缘性质，并且由编织陶瓷纤维制成。当这些柔性毡在性质降低到一定程度使它们不再适用于本发明的目的时，它们还可以容易地从模腔或金属棒上去除。尽管这种陶瓷毡是一种适当的绝缘材料，但是可以使用其它适当的材料和/或涂层，它们提供本发明所需的热绝缘和/或电气绝缘性质并且能够抵抗卷绕过程中施加的热量和压力。
设备10还包括绝热盖62，其通常在棒16夹紧在处于起始位置的夹爪14之间时围绕模具12和金属棒16。盖62包括梯形顶壁64，该梯形顶壁64从前壁66伸向后壁68并且从第一侧壁70伸向第二侧壁72。盖62还包括底壁74(图2)，该底壁74具有与顶壁64大体上相同的形状。盖62包括门76，其包括顶壁64的一部分并且通过铰接件78铰接到顶壁64的其余部分上。铰接设计可以由可伸缩设计代替。门76还包括前壁66和一部分底壁74。门76可在如图1-4所示的闭合位置和图5所示的打开位置之间移动。每个壁64、66、68和74包括典型地由金属制成的外支撑壁80和热绝缘内层82。侧壁70和72还可以包括相应的支撑壁80和热绝缘层82，但是应当注意的是，壁70和72构造为允许金属棒16从其起始位置移动到完成位置。因此，侧壁70和72可以完全打开，部分地打开或者可在打开和闭合位置之间移动，使得在打开位置，金属棒16可以从起始位置移动到完成位置。因此，举例来说，侧壁70和72可以铰接到顶壁64上，以便在打开和闭合位置之间移动。侧壁还可以由陶瓷织物或毡制成的柔性幕代替。在示例性实施例中，顶壁64和底壁74的绝缘层82分别与模具12的上下表面邻接，而门76的绝缘层82在外面与模具12隔开以界定位于其间的空间，该空间限定了金属棒16的起始位置。盖62有助于独立控制模具12和金属棒16的加热。盖的描述和实例不限于铰接设计。例如，使用有或没有用于侧壁的陶瓷毡或织物制柔性幕的可伸缩滑动盖的其它方法和设计不脱离本发明的范围。
参照图1-4描述设备10的一般操作。参照图1，电源18工作以使电流流过金属棒16，从而将金属棒16电阻加热到希望的预定温度。当达到这种温度时，夹爪14施加如箭头A表示的向外拉伸力，即，纵向张力或拉紧力。同时，对模具12是否加热取决于特定环境。如果加热模具12，电源18可以工作以通过金属丝22和加热元件24电阻加热模具12。不管模具12是否加热，夹爪14随后向模具12移动以使棒16沿图3和4中箭头B所示方向移动到工作区40。可选或综合地，模具12可以移动以方便模具12和夹爪14之间的相对运动。夹爪14随后沿图4中箭头C所示方向移动以将棒16压靠在层36的工作表面38上，从而使棒16卷绕模具12以形成如图4所示成形部件的弧形构造。纵向拉伸力在棒卷绕模具12期间持续施加给金属棒16。因此，夹爪14从如图1所示设备10的卷绕前构造移动到如图4所示的卷绕后构造。
层34和/或36的电气绝缘性质防止在本发明背景技术部分讨论过的棒16和模具12之间的电流短路。另外，层34和/或36的热绝缘性质最小化或消除了棒16中的热点的产生，否则，所述热点会由模具12在其受热时，尤其是不均匀受热时产生。热绝缘性质还允许在不加热模具12或者在与已知现有技术的构造相比充分降低的水平下加热模具12。
更特别地参考图6-7描述所述方法。图6是用于颗粒尺寸为0.1mm的工业纯钛的应力/温度图，其中，左边的数字表示标准化切应力(σs/μ)，右边的数字表示20℃下的切应力(MN/m2)，顶部数字表示以℃表示的温度，底部数字表示同系温度(T/Tm)，其中，T是以°K表示的金属温度，Tm是以°K表示的金属熔化温度。图6来源于由Pergamon出版社出版，第一版(1982年10月)，Harold J.Frost和Michael F.Ashby编写的名称为变形原理图(Deformation-Mechanism Maps)：金属和陶瓷的塑性和蠕变的书中第50页的图6.10。由Frost和Ashby研究的图中显示，在特定情况下，钛可以通过塑性变形、扩散变形或者通过不涉及塑性变形或扩散变形的蠕变成形进行变形。这种蠕变主要存在于图6中以84表示的区域内。
申请人已经确定，为了克服现有技术方法中的应力问题，制造高质量的热拉伸卷绕成形钛合金棒，棒应当在与这种蠕变相关的特定条件下进行处理。如图7所示，塑性变形(块86)包括引起成形困难的较差金属流动和加工硬化。另一极端方面，扩散流动变形(块88)包括引起蠕变断裂的快速蠕变。另外，扩散变形期间的氧化和表面污染导致α相(α-case)钛产品。相反，特定参数范围内的蠕变成形(块90)消除了塑性变形和扩散变形的消极效果并且导致制造希望的高质量产品所需的均匀变形。
更特别地，金属棒16加热到0.45Tm到0.60Tm(°K)(大约650-925℃或1202-1690℉)的成形温度，并且以小于0.05英寸/英寸/秒的受控应变率预拉伸到0.5％到3.0％的应变，同时将金属棒16的温度保持在所述范围内。应变率优选地为0.00005到0.005英寸/英寸/秒。应变定义为棒16(或其一部分)的拉伸长度和初始长度之差除以所述棒或一部分的初始长度。对于Ti-6Al-4V，优选的钛合金来说，成形温度为1250-1450℉。金属棒16随后在相同的条件下围绕层34、36和模具面26蠕变拉伸卷绕成形。上述过程使金属棒16内的残余应力最小化。然而，当拉伸卷绕步骤制造出图4所示的弯曲金属棒16时，夹爪14将金属棒16抵靠层34、36和模具面26保持这种弯曲形状，同时金属棒16的温度连续保持5到120分钟的固定时间，从而消除在拉伸和卷绕过程期间产生的所有残余应力。特定固定时间取决于形成棒16的金属的应力松驰性质。在取决于特定环境的固定时间期间可以施加或不施加纵向拉伸力。
最优选地，金属棒16在整个蠕变预拉伸、蠕变拉伸卷绕成形以及固定时间内保持在大体上均匀温度(成形温度)。当金属棒16加热到成形温度时，金属棒的温度在这些步骤期间典型地从成形温度改变至多30℃，优选地至多15℃。虽然可以仅通过加热金属棒16在这些步骤中的每一个内保持金属棒16的温度，但是使用保温盖62大大有利于这一过程，同时减少了能量消耗。使用具有热绝缘性质的一个或多个层34、36同样有助于防止金属棒16的热损失，因此有助于在所述过程期间，尤其是当层34、36完全卷绕金属棒16时保持金属棒的温度。在某些情况下，在给定固定时间内保持大体上均匀温度可以在不额外加热金属棒16的情况下单独通过由盖62和/或层34、36提供的储热性能实现。即使模具12不单独受热或加热到远低于棒16的成形温度的温度，也将典型地保持棒16的均匀温度。
所述过程因此制造处于最终形态的热蠕变拉伸卷绕金属棒16(图9)，在成形部件内基本上没有弹性回复并且基本上没有不希望的拉伸或压缩应力，其分别在图8所示现有技术的金属棒96内引起以夸大方式显示的裂纹92和皱纹94。因为所述方法实际上消除了金属棒16内的残余应力，所以不需要对金属棒16进行离线后续成形应力消除处理，因此充分减少了制造时间和成本。在与本申请同时提交并在此引入作为参考的名称为＂Method And Apparatus For Hot FormingElongated Metallic Bars(用于热成形细长金属棒的方法和设备)＂的未审结的专利申请中详细描述了本发明的其它方面。
参考图10和随后的表格描述蠕变成形三个挤压件的成形参数和结果。图10显示了＂L形＂挤压件或挤出棒材98，其具有第一支腿100和由此垂直伸出的第二支腿102。棒98表示随后讨论的三个试验挤压件中的每一个，更特别地为挤压件1，挤压件2和挤压件3。棒98′沿第一支腿100具有总宽度W1，沿支腿102具有总厚度T1。支腿100具有厚度T2，支腿102具有宽度W2。每个试验挤压件由Ti-6Al-4V制成。对于每个试验挤压件，成形之前的宽度为1.610英寸，厚度T1为2.260英寸，宽度W2为0.350英寸，厚度T2为0.780英寸。用于每个挤压件的棒98的横截面面积为1.791平方英寸。本发明的范围不限于上面实例所给出的形状或尺寸。总宽度与总厚度之比典型地为1:1到10:1。
表1：成形条件
 
参数 挤压件1 挤压件2 挤压件3
方法 改进的现有技术 本发明 本发明
模具温度℉ 1300 环境温度 环境温度
部件温度℉
 
预加热成形   13001250 13001300 13501350
模具绝缘 无 陶瓷绒毛&硅石护层 陶瓷绒毛&硅石护层
成形张力预拉伸平均应变率(英寸/英寸/秒)后成形固定    忽略不计无<3×10-4无       25T1.5％<3×10-415分钟   18T1.0％<1×10-430分钟  
金属运动 最多0.5″在成形部分的端部附近             最小<0.125″在成形部分的端部             最小<0.125″在成形部分的端部            
如表1所示，挤压件1通过改进的现有技术方法利用加热到挤压件1的大约成形温度的模具制成。使用陶瓷毛毡作为加热期间模具和挤压件1之间的隔离物，从而防止挤压件1的短路效应(shuntingeffect)。随后切断穿过挤压件1用于电阻加热的电流，并且将陶瓷毛毡隔离物在进行卷绕方法之前去除掉。
挤压件2和3利用面向陶瓷毛绒硅石护层的未受热模具形成。两者在卷绕过程之前和期间通过电阻加热到成形温度。在完成成形之后，这些挤压件固定在适当位置，同时在陶瓷毛毡下方继续进行电阻加热。从表1可以看出，通过改进的现有技术制成的挤压件1显示出在应力消除之后在部件内产生非常大的运动，而挤压件2和3由于预拉伸和后成形而显示出最小运动。
表2：成形前后的性质
Figure A200780022015D00131
Figure A200780022015D00141
如根据表2所确定的，在挤压件的成形和未成形部分处的拉伸性质实际上没有差异。另外，挤压件的成形和未成形部分之间的微观结构、α相和结构均匀性方面实际上没有差异。因此，与初始挤压和退火棒材相比，蠕变成形在性质或微观结构方面实际上不产生变化。
在上文中，为简洁、清楚和理解起见使用了一些术语。这不意味着超出现有技术要求的不必要的限制，因为这种术语用于说明目的并且应当概括地理解。
而且，本发明的描述和举例说明是实例，本发明不限于所显示或描述的精确细节。

Claims (20)

1.一种方法，包括步骤：
将细长金属棒加热到处于适合金属棒蠕变的温度范围内的成形温度；
给受热金属棒施加拉伸力；
使受热金属棒卷绕模具以形成卷绕金属棒；和
将所述卷绕金属棒固定在卷绕位置，同时将卷绕金属棒的温度保持在所述温度范围内至少5分钟。
2.如权利要求1所述的方法，其中，固定步骤包括将卷绕金属棒固定在卷绕位置，同时将卷绕金属棒的温度保持在所述温度范围内至少10分钟。
3.如权利要求2所述的方法，其中，固定步骤包括将卷绕金属棒固定在卷绕位置，同时将卷绕金属棒的温度保持在所述温度范围内至少20分钟。
4.如权利要求3所述的方法，其中，固定步骤包括将卷绕金属棒固定在卷绕位置，同时将卷绕金属棒的温度保持在所述温度范围内至少40分钟。
5.如权利要求4所述的方法，其中，固定步骤包括将卷绕金属棒固定在卷绕位置，同时将卷绕金属棒的温度保持在所述温度范围内至少60分钟。
6.如权利要求1所述的方法，其中，固定步骤包括使热绝缘体邻近卷绕金属棒定位以减少由此产生的热损失的步骤。
7.如权利要求6所述的方法，其中，卷绕步骤包括使受热金属棒围绕所述模具的模具面和布置在所述模具面和受热金属棒之间的热绝缘材料层卷绕的步骤。
8.如权利要求6所述的方法，其中，所述卷绕步骤包括使受热金属棒围绕延伸于模具的相对侧面之间的所述模具的模具面卷绕的步骤；并且还包括使第一和第二热绝缘层分别邻近所述模具的每个相对侧面定位的步骤。
9.如权利要求1所述的方法，其中，施加步骤包括以不大于0.05英寸/英寸/秒的应变率将拉伸力施加给受热金属棒的步骤。
10.如权利要求9所述的方法，其中，施加步骤包括以不大于0.05英寸/英寸/秒的应变率给受热金属棒施加拉伸力到0.5％至15.0％的应变的步骤。
11.如权利要求10所述的方法，其中，加热步骤包括将金属棒加热到处于0.45Tm到0.60Tm的温度范围内的成形温度的步骤，其中，Tm是金属棒的熔化温度。
12.如权利要求9所述的方法，其中，施加步骤包括以0.00005英寸/英寸/秒到0.005英寸/英寸/秒的应变率将拉伸力施加给受热金属棒的步骤。
13.如权利要求1所述的方法，其中，加热步骤包括将金属棒加热到处于650℃到925℃(1202℉-1690℉)的温度范围内的成形温度的步骤。
14.如权利要求1所述的方法，其中，加热步骤包括将钛制金属棒加热到处于1250℉-1450℉的温度范围内的成形温度的步骤。
15.如权利要求1所述的方法，其中，保持步骤包括将金属棒保持在位于成形温度的15.0℃范围内的温度下达到至少5分钟的步骤。
16.如权利要求1所述的方法，其中，保持步骤包括在施加、卷绕、固定和保持步骤期间将金属棒保持在处于成形温度的30.0℃范围内的温度的步骤。
17.如权利要求1所述的方法，其中，加热步骤包括将金属棒加热到在金属棒内大体上均匀的成形温度的步骤；还包括在施加和卷绕步骤期间将金属棒保持在大体上恒定温度的步骤。
18.如权利要求17所述的方法，还包括在固定和保持步骤期间将金属棒保持在大体上恒定温度的步骤。
19.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以电阻加热所述金属棒的步骤；其中，卷绕步骤包括使受热金属棒卷绕具有电气绝缘材料层的金属模具的外表面的步骤，所述电气绝缘材料层使金属模具的外表面与受热金属棒隔开以防止金属棒和金属模具之间的电气连通。
20.如权利要求1所述的方法，其中，卷绕步骤包括使受热金属棒卷绕在工作表面上的步骤，所述工作表面由热绝缘材料和电气绝缘材料中的至少一种制成。
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