CN102963100B - 钛及钛合金制品包覆成型制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了一种钛及钛合金制品包覆成型制造方法，生产过程中所需设备包括式电炉、成型机、红外测温仪，选用钢或者纯钛进行包覆；选择单层或双层包覆；成型前进行坯料检验、防氧化和润滑、加热、成型前模具预热至200℃左右；加热好的包覆坯料迅速转移到压力机上进行成型，采用1~2火次进行成型；成形过程采用红外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，最后得到钛及钛合金成型制品。本发明制造的半球壳在较低的制造成本下满足了各项技术指标的要求；成型火次由以前2~3火次减少到1~2火次，使生产效率提高，生产成本降低；材料减薄率降低，材料利用率提升。

Description

钛及钛合金制品包覆成型制造方法

技术领域

本发明涉及一种金属材料热加工工艺，特别是一种钛及钛合金制品包覆成型制造方法。

背景技术

钛及钛合金由于具有密度小、比强度高、耐热性能好、耐蚀性能优良等特点，所以在航空、航天、航海、石油、化工、电力、医疗、体育等领域获得了广泛的应用。但是，钛及钛合金与其它金属及其合金相比，其热加工特性有众多不同，主要特点有：

（1）     变形抗力高；

（2）     冷作硬化倾向明显；

（3）     成型温度范围窄；

（4）     容易吸收有害气体；

（5）     容易粘在模具上；

（6）     易形成α硬脆层。

钛及钛合金以上的热加工特点中，特点（1）一般采用吨位较大设备和加强毛坯的防护润滑和模具润滑进行克服；特点（4）、（5）、（6）一般采用保护气氛加热炉进行加热或在毛坯表面涂覆保护涂层可以得到解决，但特点（2）和（3）则必须严格控制开始和终了成型温度。

钛合金通常在两相区进行成型，成型温度范围窄（约为碳钢的1/3）。针对此特点，需要增加成型火次，并要求锻工操作熟练、反应灵敏，做到从毛坯出炉、传送、成型的每个环节都要迅速、准确，尽量争取成型时间；所有操作工具和模具都要严格按照规定进行预热，尽量在较窄的成型温度范围内，争取较长的成型时间；此外，采用玻璃防护润滑剂也能起到毛坯和模具之间的隔热作用。

钛及钛合金制品热成型过程按温度传导可划分为3个阶段：

（1）     坯料转移过程：指坯料从出炉到坯料放置在下模上，该过程中坯料仅与周围空气进行热传导。

（2）     上下模闭模过程：指上模向下模运动直至接触到坯料，该过程坯料不但与周围空气进行热传导而且还与下模存有热传导。

（3）     成型过程：该过程为坯料在上下模作用下的成型过程，该过程中坯料不但与空气、上下模具进行热传导，本身还有变形发生，是变形-传热耦合过程。

对于厚度较厚、变形量较小的钛及钛合金制品，传统普通的锻造、冲压等热成型工艺可以基本满足成型需要，但对于厚度较薄、变形量较大的钛及钛合金制品传统工艺方法则基本不能满足热成型需要。钛及钛合金薄壁制品单位体积的散热面积大，在坯料出炉后的转移过程中，坯料表面温度和心部温度将大大降低；在闭模过程和成型过程中，坯料与模具的热传导速度远远大于坯料与空气的热传导速度，坯料与模具接触的区域温度会进一步大大降低。这些最终可能会导致实际成型温度低于合金最低终了成型温度，成型后制品的表面会出现大量裂纹、褶皱等缺陷，导致制品报废。

    在传热总时间无法有效缩短的情况下，对于变形量较大且制品厚度相对较厚的钛及钛合金制品，传统普通热成型工艺通常采用如下措施予以处理：

（1）进一步增加坯料投料厚度、放大加工余量进行热成型以主要减少坯料温降，而坯料产生的大部分裂纹也主要出现在增厚部分，该部分后续机加工掉，这导致成产成本大大提高，生产效率低下，制品合格率低。

（2）增加成型火次以主要解决制品大变形量的问题。火次增加导致生产成本大大提高，生产效率低下，制品合格率低；同时，制品性能也会因火次的增加而降低。

对于变形量较大且制品厚度δ≤5mm的钛及钛合金制品，由于钛及钛合金机加工变形问题，则基本无法有效增加坯料厚度，坯料变形开始时的温度即很可能低于合金最低终了成型温度，热成型后的制品更容易产生裂纹且产生的裂纹很容易贯穿整个制品厚度，致使制品报废。所以，传统普通热成型方法基本无法实现该类制品的热成型。

因此，急需要一种新的钛及钛合金成型工艺方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种钛及钛合金制品包覆成型制造方法，解决厚度相对较薄、变形量较大的钛及钛合金半球壳、封头等制品热加工成型问题；对于厚度δ＞5mm厚度钛及钛合金制品，采用包覆成型以提高钛及钛合金制品材料利用率、制品合格率，减少热成型火次从而提高成型效率，使成本降低、生产效率提高；对于对于厚度δ≤5mm钛及钛合金半球壳、封头，采用包覆成型以实现普通成型方法无法实现的良好效果。

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明的钛及钛合金制品包覆成型制造方法，生产过程中所需设备包括电炉、压力成型机、红外测温仪，过程具体由以下步骤组成：

（1）包覆层设计

A、包覆材料选择：根据钛及钛合金力学性能，选用钢或者纯钛等进行包覆；

B、包覆层厚度选择：根据钛及钛合金制品厚度选择包覆层厚度，选择在5±2mm；

C、包覆层方式：选择在坯料板材厚度方向的两个面进行双层包覆，除厚度尺寸外，包覆板其余尺寸基本同坯料板材，以最大程度包覆坯料；

（2）成型前准备

A、坯料检验：板坯料表面首先要着色检验，以防止板坯料本身裂纹带入球壳毛坯；

B、防氧化和润滑：包覆层和板坯料涂覆润滑剂，以保护钛合金坯料不受氧化和增大成型过程中坯料和包覆层之间、包覆层与模具之间的润滑；

C、包覆层与坯料的连接：将包覆层和坯料进行点焊或者其它方式连接，以保证后续加热过程中或者成型过程中包覆层不脱落坯料；

（3）加热

A、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，以避免炉内炉渣等对钛合金表面的污染；

B、加热温度为相变点以下50±30℃，保温时间沿厚度方向按1±0.2min/mm计算；

C、成形前模具预热至200±50℃，以避免模具与包覆层温差过大，造成包覆层局部激冷；

（4）成型

A、加热好的包覆坯料迅速转移到压力成型机上进行成型，坯料转移时间：20±10s；

B、成型火次：采用1~2火次（钛合金2火次、纯钛1火次）进行成型；

C、成形过程采用红外测温仪对坯料表面测温，以保证成形时坯料温度不低于相变点以下温度200±50℃。

具体的，所述的润滑剂为防护玻璃润滑剂。

本发明的钛及钛合金包覆成型工艺是一种用金属材料板材来包覆钛及钛合金制品坯料，进而进行热成型的工艺方法。

湖南大学陶友瑞对的薄壁铝合金的包覆拉伸进行了相应的研究，其方法主要是用上下2层φ400×2mm的铁板、不锈钢板或者铝板来包覆一层φ400×0.8~1mm的FVS0812铝板进行拉伸成型。但钛及钛合金的包覆成型的特点与此并不完全相同。主要有：

（1）相比铝合金，钛及钛合金价格昂贵，塑性较差，生产工艺复杂，其热成型一般都是多火次成型，表面易产生裂纹、褶皱、错层等缺陷，造成材料利用率低，成本高。对厚度40≥δ≥10大直径钛及钛合金半球壳、封头类制品采用包覆成型，可以明显降低材料减薄率、提高材料利用率，减少成型火次、提高生产效率，明显降低生产成本。

由于半球壳、封头类制品最易出现裂纹的部位出现在变形量较大的外球面，所以，如果半球壳、封头类制品坯料厚度较厚，包覆层可以采用外球面的单层包覆；如果半球壳、封头类制品坯料厚度较薄，包覆层可以采用内外双层包覆。此时，包覆层厚度小于坯料厚度，包覆层厚度在5mm左右。

（2）由于钛及钛合金变形温度范围窄等特点，δ≤5mm以下的钛及钛合金薄壁的半球壳、封头类制品热成型，普通成型工艺很难胜任，必须采用包覆成型。此时包覆层必须是双层包覆，且包覆层厚度应不小于坯料厚度。

与普通成型工艺方法相比，包覆成型工艺方法具有以下特点：

（1）保温。由于具有包覆层的保护，成型坯料不与空气、模具等温度较低介质直接接触，从而在坯料转移以及成型过程中可以大幅度减少坯料温降，尤其是减少坯料表面温降，这样实际上就提高了坯料的实际成型温度，使坯料塑性提高，可以有效防止裂纹产生。该特点可以使热成型起到近似等温锻造成型的作用，从而可以降低坯料减薄率，提高材料利用率，提高产品合格率。

（2）协调变形。包覆层与模具直接接触，二者接触面变形量最大，摩擦力最大，但模具本身不变形，所以接触面所有变形均由包覆层独立完成，此部位极易产生裂纹。由于包覆层与模具接触和包覆层与坯料接触条件不一致，所以包覆层与坯料之间会产生相对滑动，从而起到协调变形的作用，从而降低坯料产生裂纹的可能性，另外，这也有利于坯料减薄率的降低。

（3）防止裂纹产生和阻碍裂纹扩展。与模具接触部位，由于模具不变形且温度较低，会造成坯料表面温度骤冷，所以该部位极易产生裂纹。普通成型时，坯料与模具直接接触，所以接触面极易产生裂纹；但包覆成型是包覆层与模具接触，故即使产生裂纹也是从包覆层开始，而坯料本身并不产生裂纹，相当于将裂纹的产生由坯料转嫁给包覆层。如果裂纹在包覆层产生后并扩展，则裂纹很有可能穿透整个包覆层，但由于包覆层和坯料并非一个整体，所以，裂纹穿透整个包覆层后并不会继续扩展至坯料本身，包覆层与坯料中间的空气或润滑剂会起到阻碍裂纹扩展的作用。相反，如果没有包覆层，坯料本身如果产生裂纹则会在强大的拉应力下迅速扩展，造成裂纹很深，甚至穿透坯料，造成坯料报废。

（4）性能提高。与普通成型工艺方法相比，在变形量相同的情况下，减少热成型火次可减少钛及钛合金制品在炉中高温区的停留时间，可以细化钛合金材料晶粒组织或避免钛合金材料晶粒组织由于高温停留时间过长而长大，从而使钛及钛合金制品的强度、塑性等性能指标得到提高。

通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

采用本发明所述的钛及钛合金制品包覆成型制造工艺方法制造的半球壳在较低的制造成本下满足了各项技术指标的要求。

首先，成型火次由以前2~3火次减少到1~2火次，使生产效率提高，生产成本降低。

其次，由于与模具接触部位的包覆层变形量较大，而钛及钛合金制品坯料变形量相对较小，加之二者的协调变形作用，所以材料减薄率降低，材料利用率提升，使生产成本进一步降低。

最后，对于δ=5mm左右的薄壁钛及钛合金制品，可大幅提高制品制造合格率。

生产实践表明，此项工艺是非常成功的，相比普通成型工艺方法，成型火次的减少使生产效率提高33~50%；成型火次的减少、材料利用率和制品合格率的提高使成产成本降低50%以上。

附图说明

图1是钛合金半球壳示意图。

图2是钛合金包覆（冲压）成型模具等零部件组成示意图。

图3是包覆好坯料示意图。

图4是钛合金包覆（冲压）成型过程第1火冲压后示意图。

图5是钛合金包覆（冲压）成型过程第2火冲压后示意图。

图6是钛合金包覆（冲压）成型后零件示意图。

图中，1为上模（即冲头），2为压边圈，3为包覆层，4为坯料，5为下模。

具体实施方式

下面结合附图对本专利进一步解释说明。但本专利的保护范围不限于具体的实施方式。

本发明已应用于Φ550×24规格的TC4钛合金半球壳的制造，方案如下：

（1）   包覆层设计

A. 包覆板材料：纯钛板。

B.  包覆层厚度：δ=5mm。

C. 包覆位置及数量：坯料厚度方向两个面进行2层包覆。

（2）   成型前准备

A. 成型坯料和包覆板表面涂覆防护玻璃润滑剂。

B.  坯料和包覆板边部点焊连接。

（3）   加热

A. 加热设备：电炉加热。

B.  模具加热温度：200℃。

C. 坯料加热温度：950℃，保温时间：25min。

（4）   成型

A. 成型火次：2火次。

B.  过程中采用红外测温仪进行工件表面测温，确保工件温度≥800℃。

采用此种方法成功制造出满足技术性能指标要求的半球壳毛坯，与普通冲压成型方法对比如表1所示。由表1可见，包覆冲压成型与普通冲压成型对比，其生产成本降低50%以上，生产效率提高60%以上。

表1    TC4合金半球壳成型结果对比

实施例2：

本发明已应用于Φ200×2mm规格的TC4钛合金封头的制造。

（1）   包覆层设计

A. 包覆板材料：纯钛板。

B.  包覆层厚度：δ=4mm。

C. 包覆位置及数量：坯料厚度方向两个面进行2层包覆。

（2）   成型前准备

A. 成型坯料和包覆板表面涂覆防护玻璃润滑剂。

B.  坯料和包覆板边部点焊连接。

（3）   加热

A. 加热设备：电炉加热。

B.  模具加热温度：200℃。

C. 坯料加热温度：950℃，保温时间：10min。

（4）   成型

A. 成型火次：2火次。

B.  过程中采用红外测温仪进行工件表面测温，确保工件温度≥800℃。

本产品采用普通工艺基本无法成型，即使成功也基本为偶然现象，合格率在10%以下，采用本发明的包覆冲压成型后，合格率可达80%以上。

Claims (1)

1.一种钛及钛合金制品包覆成型制造方法，其特征是：生产过程中所需设备包括电炉、压力成型机、红外测温仪，过程具体由以下步骤组成：

（1）包覆层设计

A、包覆材料选择：根据钛及钛合金力学性能，选用钢或者纯钛进行包覆；

B、包覆层厚度选择：根据钛及钛合金制品厚度选择包覆层厚度，选择在5±2mm；

C、包覆层方式：选择在坯料板材厚度方向的两个面进行双层包覆，除厚度尺寸外，包覆板其余尺寸基本同坯料板材，以最大程度包覆坯料；

（2）成型前准备

A、坯料检验：板坯料表面首先要着色检验，以防止板坯料本身裂纹带入球壳毛坯；

B、防氧化和润滑：包覆层和板坯料涂覆润滑剂，以保护钛合金坯料不受氧化和增大成型过程中坯料和包覆层之间、包覆层与模具之间的润滑；所述的润滑剂为防护玻璃润滑剂；

C、包覆层与坯料的连接：将包覆层和坯料进行点焊连接，以保证后续加热过程中或者成型过程中包覆层不脱落坯料；

（3）加热

A、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，以避免炉内炉渣对钛合金表面的污染；

B、加热温度为相变点以下50±30℃，保温时间沿厚度方向按1±0.2min/mm计算；

C、成形前模具预热至200±50℃，以避免模具与包覆层温差过大，造成包覆层局部激冷；

（4）成型

A、加热好的包覆坯料迅速转移到压力成型机上进行成型，坯料转移时间：20±10s；

B、成型火次：采用钛合金2火次、纯钛1火次进行成型；

C、成形过程采用红外测温仪对坯料表面测温，以保证成形时坯料温度不低于相变点以下温度150℃。