CN102367563B

CN102367563B - 一种钛合金薄壁零件热拉伸蠕变复合成形方法

Info

Publication number: CN102367563B
Application number: CN 201110308987
Authority: CN
Inventors: 李小强; 肖军杰; 李东升; 张超
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2011-10-13
Filing date: 2011-10-13
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2031-10-13
Also published as: CN102367563A

Abstract

一种钛合金薄壁零件热拉伸蠕变复合成形方法，它有八大步骤：一、设备及材料准备；二、电极夹板通电，待成形坯料加热；三、实时测量待成形坯料的温度，并实时调整电源的输出电压，使待成形坯料的加热速率达到5～25℃/s；四、当待成形坯料的温度达到600℃～750℃时，拉伸成形设备的钳口夹紧待成形坯料，以预定的应变速率进行预拉伸；五、当预应变量范围为0.1～4％后，在600℃～750℃下以预定的应变速率对成形坯料进行包覆成形至完全贴合模具；六、在目标温度600℃～750℃下以预定的应变速率对成形坯料进行补拉，直至终应变范围为0.1～8％；七、保温一段时间，使坯料内部发生应力松弛，实现蠕变成形；八、切断电源，待冷却后取下成形件，加工结束。

Description

一种钛合金薄壁零件热拉伸蠕变复合成形方法

技术领域

本发明涉及金属零件的成形方法，尤其涉及一种钛合金薄壁零件热拉伸蠕变复合成形方法，属于热加工技术领域。

技术背景

钛合金材料具有高比强度、高极限强度、以及具有和复合材料优良的冶金学方面的相容协调特性，电偶腐蚀小，因此，大型钛合金薄壁零件是航空航天领域耐高温、长寿命要求优先采用的先进轻量化高效结构，但是其精确成形难度大、过程复杂，通常采用热成形。如果采用传统的坯料加热方法，如火焰加热、喷灯加热、加热炉加热坯料等，则薄壁零件的散热速度快，温度不均匀，成形质量不稳定；采用模具整体加热即将模具和坯料一起放入加热炉内部进行加热，可以提高成形质量，但是，一般情况下，模具体积远大于待成形薄壁坯料的体积，绝大部分的热量加在了模具上。据估计，在热成形中，有超过80％的热量消耗在模具、压边圈、炉体等非成形部件上；对于超塑成形，这一数据则达到95％，因此，传统热成形工艺中，热量的有效利用率很低，造成了极大的能源浪费。而且在传统热成形工艺的加热过程中，模具与坯料接收热量的方式主要是热辐射和热传导，热量传输速度慢，如采用将模具和坯料一起放入加热炉内部进行加热，则炉体升温速率在100～150℃/h，加热时间长，并且根据工艺不同，加热时间一般在1～n(n＞1)小时，因此这种加热方法的热效率低，生产效率也很低，难以适应小批量、精确成形的制造需求。

发明内容

本发明目的是为了解决对钛合金薄壁零件进行热成形时，如只加热坯料，则薄板零件的成形质量差；如连同模具一起加热，则热量利用率低，浪费了大量的能源的问题，而提供一种钛合金薄壁零件热拉伸蠕变复合成形方法。

见图2，本发明一种钛合金薄壁零件热拉伸蠕变复合成形装置，包括：电源、拉伸成形设备、模具工装、电极夹板、热电偶、温度控制系统、成形机钳口、绝缘垫层和待成形坯料。(注：该成形装置另有专利申请，专门介绍)

本发明一种钛合金薄壁零件热拉伸蠕变复合成形方法，它包括以下步骤：

步骤一、设备及材料准备：将模具工装放置于拉伸成形设备上，将绝缘垫层放置在成形机钳口内隔热绝缘待成形坯料；

步骤二、通电加热：电极夹板夹紧待成形坯料，采用变压器将380V高压变为3V～36V的安全电压后给电极夹板通电，产生电流，对待成形坯料加热；

步骤三、通过热电偶实时测量待成形坯料的温度，并实时调整电源的输出电压，使待成形坯料的加热速率达到5～25℃/s，电源输出的电流、电压参数为：电压为3V～36V、电流为500A～5000A；

步骤四、当待成形坯料的温度达到600℃～750℃时，保持成形所需的目标温度，拉伸成形设备的钳口夹紧待成形坯料，以预定的应变速率进行预拉伸；

步骤五、预拉伸达到预应变后，拉伸成形设备的工作台带动模具工装上移，在目标温度下以预定的速率对成形坯料进行包覆成形，直至完全贴合模具；

步骤六、待成形坯料贴合模具后，在目标温度下以预定的应变速率对成形坯料进行补拉，直至终应变；

步骤七、成形坯料在贴膜、保持目标温度、终应变条件下，保温一段时间，使坯料内部发生应力松弛，实现蠕变成形；

步骤八、切断电源，停止对成形坯料供电，待冷却后取下成形零件，加工结束。

其中，步骤一中所述的绝缘垫层是石棉布、云母片、陶瓷纤维毡、石棉橡胶板材料；

其中，步骤四中所述的预定的应变速率是为1.0*10^-2～1.0*10^-4/s；

其中，步骤五中所述的达到预定的预应变是0.1～4％；以预定的速率对成形坯料进行包覆成形，该预定的速率是1.0*10^-2～1.0*10^-4/s；

其中，步骤六所述的“在目标温度下以一预定的应变速率对成形坯料进行补拉，直至终应变”；该目标温度是700℃，该预定的应变速率为1.0*10^-2～1.0*10^-4/s，该终应变为0.1～8％；

其中，步骤七所述的保温一段时间是保温5～100Min；

其中，从步骤二至步骤七，坯料温度实现温度闭环形状控制。见图5和图2，一个电源1被连接在待成形坯料9的两端，由于待成形坯料9和拉伸成形设备2是绝缘的，这样可在坯料自身内形成电流，实现自阻加热。电源电流通过温度反馈信号，采用PLC控制。这里，一个常见的闭环PID控制系统自动调整待成形坯料9在成形过程中的温度变化，这个控制在整个成形周期内是自动可编程控制的。，

本发明与传统技术相比，优点在于：由于对待成形坯料通电，基于坯料电阻引发电流热效应，直接加热坯料并使坯料温度保持在热成形温度范围内，然后在拉伸成形设备预拉伸、包覆、补拉待成形坯料，使坯料贴合模具，保持目标温度，使坯料在线应力松弛，发生蠕变，达到减小回弹，提高零件成形精度的目的。该方法不仅避免了传统热成形、超塑性成形中整体式加热消耗在模具等其它部件上的热量损失，而且使加热过程非常迅速、坯料内部温度非常均匀，极大的提高了能量的利用率和加热效率。此外，坯料加热到目标温度后进行成形，温度不变，并且温度分布均匀，有利于坯料的粘塑性变形和蠕变成形，改善产品质量。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2是本发明方法所用的成形装置结构示意图。

图3是模具工装示意图。

图4是通电自阻加热拉伸成形工序流程示意图。

图4(a)是工序1通电加热示意图

图4(b)是工序2预拉伸示意图

图4(c)是工序3包覆成形示意图

图4(d)是工序4补拉示意图

图4(e)是工序5保温、松弛蠕变示意图

图5是该发明方法所用的温度闭环形状控制图。

图6是某钛合金材料的电热性能曲线。

图7是钛合金薄壁零件热拉伸蠕变复合成形方法的工艺路线图。

图中符号说明如下：

1 电源； 2 拉伸成形设备； 3 模具工装； 4 电极夹板； 5 热电偶； 6 温度控制系统； 7 成形机钳口； 8 绝缘垫层； 9 待成形坯料； 10 模具； 11 保温箱； 12垫板； 13 模具箱体侧壁夹缝； F1 预拉力； F2 补拉力； M 弯矩

具体实施方式

具体实施方式之一：下面结合图1至图6说明本发明的具体成形方法，使用的成形装置，见图2，包括电源1、拉伸成形设备2、模具工装3、电极夹板4、热电偶5、温度控制系统6、成形机钳口7、绝缘垫层8和待成形坯料9。

见图3，模具工装3包括模具10、保温箱11和垫板12，模具工装3放置在拉伸成形设备2中间部位的工作台上；待成形坯料9通过模具箱体侧壁夹缝13，且待成形坯料9两端置于成形机钳口7内，待成形坯料9和成形机钳口7之间置有绝缘垫层8石棉布，实现绝缘；电极夹板4分别连接在电源1的两端，可以实现通电加热待成形坯料9，

见图1，本发明一种钛合金薄壁零件热拉伸蠕变复合成形方法，它包括以下步骤：

步骤一、将模具工装3放置于拉伸成形设备2上，将绝缘垫层8放置在成形机钳口7内隔热绝缘待成形坯料9；

步骤二、电极夹板4夹紧待成形坯料9，接通电源1，采用变压器将380V高压变为3V～36V的安全电压后给电极夹板4通电，产生电流，对待成形坯料9加热；

步骤三、通过热电偶5实时测量待成形坯料9的温度，并实时调整电源1的输出电压，使待成形坯料9的加热速率达到5～25℃/s，电源1输出的电流参数为：电压为3V～9V、电流为1000A～4000A；

步骤四、当待成形坯料9的温度达到600℃～750℃时，保持目标温度，拉伸成形设备2的钳口7夹紧待成形坯料9，以一定的应变速率进行预拉伸；

步骤五、预拉伸达到一定的预应变后，拉伸成形设备2的工作台带动模具工装3上移，在目标温度下以一定的速率对成形坯料进行包覆成形，直至完全贴合模具10；

步骤六、待成形坯料9贴合模具10后，在目标温度下以一定的应变速率对成形坯料进行补拉，直至终应变；

步骤七、成形坯料(9)在贴膜、保持目标温度、终应变条件下，保温一段时间，使坯料内部发生应力松弛，实现蠕变成形；

步骤八、切断电源(1)，停止对成形坯料(9)供电，待冷却后取下成形零件，加工结束。

图4(a)-图4(e)是各工序通电加热-预拉伸-包覆成形-补拉-保温、松弛蠕变的示意图。

其中，步骤七所述的保温一段时间是保温5～100Min；

其中，从步骤二至步骤七，坯料温度实现温度闭环形状控制。见图5和图2，一个电源1被连接在待成形坯料9的两端，由于待成形坯料9和拉伸成形设备2是绝缘的，这样可在坯料自身内形成电流，实现自阻加热。电源电流通过温度反馈信号，采用PLC控制。这里，一个常见的闭环PID控制系统自动调整待成形坯料9在成形过程中的温度变化，这个控制在整个成形周期内是自动可编程控制的。

模具10放置在保温箱11内部，共同组成模具工装3；待成形坯料9从保温箱侧壁夹缝13穿过，模具10位于待成形坯料9下面，待成形坯料9两端置于拉伸成形设备2的钳口7内，待成形坯料9和模具10、保温箱11和钳口7接触部分置有一层绝缘垫层8，实现待成形坯料9和周围环境的绝缘。

本发明方法在打开电源1进行加热时，电极夹板4直接接触在薄壁零件上，而待成形坯料9和模具10、保温箱11和钳口7接触部分置有一层绝缘垫层8，这样占很大电阻的模具没有参与通电回路，没有形成分流，这就大大减小了能量损失。在上述的回路中，待成形坯料9要远远大于回路其它部分的电阻，所以根据电学公式：

Q＝I²Rt，

Q：焦耳热；

I：电流；

R：电阻；

t：通电时间；

待成形坯料9产生大量焦耳热，使其能够在短时间内被加热到目标成形温度。

步骤三所述的电流参数根据待成形坯料9的截面尺寸、长度和电阻率数据进行计算选择，由通过热电偶5实时检测待成形坯料9的温度，并调整电源1的输出电流参数，使待成形坯料9的加热速度在5～25℃/s，控制待成形坯料9快速、高效的达到目标成形温度。

传统电流辅助加热技术有两大类：感应加热技术和自阻加热技术。自阻加热成形技术一般应用于工艺较简单的拉丝成形等工艺。应用于板材、型材等薄壁零件，在国内尚属空白。本发明中薄壁零件尺寸较大，对设备和工艺方法要求较高，方案实施具有一定难度。本方法通过采用电源1，实现对钛合金薄壁零件快速加热，给出一个具体实例：矩形薄壁零件长1000mm，截面尺寸150mm×1.5mm；电源输出参数为：输出电压为6V，输出电流为800A，薄壁零件从室温升至700℃，升温时间小于120s，保温30Min。试验结果见图6。本发明方法可以高效率、高质量的成形钛合金薄壁零件。

具体实施方式之二：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，步骤四所述的待成形坯料9温度达到685℃，其它与实施方式一相同。

具体实施方式之三：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，步骤四所述的待成形坯料9温度达到750℃，其它与实施方式一相同。

Claims

1.一种钛合金薄壁零件热拉伸蠕变复合成形方法,其特征在于：它包括以下步骤：

步骤二、通电加热：电极夹板夹紧待成形坯料，采用变压器将380Ｖ高压变为3Ｖ～36Ｖ的安全电压后给电极夹板通电，产生电流，对待成形坯料加热；

步骤三、通过热电偶实时测量待成形坯料的温度，并实时调整电源的输出电压，使待成形坯料的加热速率达到5～25℃/s，电源输出的电流、电压参数为：电压为3Ｖ～36Ｖ、电流为500Ａ～5000Ａ；

步骤五、预拉伸达到预定的预应变后，拉伸成形设备的工作台带动模具工装上移，在目标温度下以预定的速率对成形坯料进行包覆成形，直至完全贴合模具；

步骤八、切断电源，停止对成形坯料供电，待冷却后取下成形零件，加工结束；

其中，步骤四中所述的预定的应变速率是为1.0×10^-2～1.0×10^-4/s；

其中，步骤五中所述的达到预定的预应变是0.1～4%；以预定的速率对成形坯料进行包覆成形，该预定的速率是1.0×10^-2～1.0×10^-4/s；

其中，步骤六所述的目标温度是700℃，该预定的应变速率为1.0×10^-2～1.0×10^-4/s，该终应变为0.1～8%；

其中，步骤七所述的保温一段时间是保温5～100min。

2.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁零件热拉伸蠕变复合成形方法,其特征在于：该步骤一中所述的绝缘垫层是石棉布、云母片、陶瓷纤维毡或石棉橡胶板材料。

3.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁零件热拉伸蠕变复合成形方法,其特征在于：该步骤二至步骤七所述的成形过程中，采用PLC控制器，依据热电偶采集的温度反馈信号，实现了温度闭环形状控制。