CN107448771A - 一种大容积钛合金高压无缝气瓶以及制作方法 - Google Patents

Abstract

一种大容积钛合金高压无缝气瓶以及制作方法，一种大容积钛合金高压无缝气瓶，包括气瓶瓶体、盲端端塞、开孔端塞和垫圈，所述的气瓶瓶体由大口径钛合金管材制成，钛合金无缝管以Ti为基体，按质量百分比包括 Al5~6.5%，Nb2.5~5%，Zr1~3%，Mo0.5~1.5%，其余的杂质元素的总含量不大于0.15%。经选材、探伤、成型、固溶热处理、开口加工、试验、抛光、组装而成，该种气瓶采用钛合金无缝管热旋压收口成型结构，制造简单，结构强度高，具有优良的使用安全可靠性。

Description

一种大容积钛合金高压无缝气瓶以及制作方法

技术领域

本发明属于高压无缝气瓶的技术领域，涉及一种大容积钛合金无缝气瓶，尤其是一种海洋腐蚀等特殊环境用大容积钛合金无缝气瓶。

背景技术

气瓶具有耐压性、可重复性、易移动性等特点，广泛的应用于航空航天、交通运输、海洋作业等领域。近年来，随着科学技术的不断进步，相关领域对气瓶的容重比、寿命等要求更为苛刻，钛合金由于密度小、强度高、耐腐蚀性好等优点，在航空航天、远洋船舰等工业中获得了广泛的应用。钛合金高压气瓶的出现解决了气瓶耐腐蚀、比强度大、耐高压等问题，在海洋环境条件下拥有优异的性能，已出色的应用于远洋船舰工业中。

现阶段钛合金气瓶主要为有缝结构，通过焊接成型，其制造工艺一般是通过粗加工成型分别制得筒体、封头，再经过筒体、封头的精密加工及电子束组对焊接成为一体的气瓶。这种工艺方法的缺点是：机械加工难度大、坯料利用率低，生产制造周期长，制造成本高，而且产品焊缝相对较多，焊缝处容易出现缺陷，质量控制难度大且产品使用安全性差。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种海洋腐蚀等特殊环境用大容积钛合金高压无缝气瓶以及制作方法，该种气瓶采用钛合金无缝管热旋压收口成型结构，制造简单，结构强度高，具有优良的使用安全可靠性。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种大容积钛合金高压无缝气瓶，包括气瓶瓶体、盲端端塞、开孔端塞和垫圈，所述气瓶瓶体为无缝直圆筒一体结构，其两端为椭球形封头，椭球形封头的尾端设有开口缩颈直段，盲端端塞通过垫圈设置在一个开口缩颈直段的内螺纹开口内，开孔端塞通过垫圈设置在另一个开口缩颈直段的内螺纹开口内，所述的气瓶瓶体由大口径钛合金管材制成，钛合金无缝管以Ti为基体，按质量百分比包括Al5~6.5%，Nb2.5~5%，Zr1~3%，Mo0.5~1.5%，其余的杂质元素的总含量不大于0.15%。

一种大容积钛合金高压无缝气瓶的制作方法，包括以下步骤：

步骤一、按照设计尺寸选择以Ti为基体，按质量百分比包括 Al5~6.5%，Nb2.5~5%，Zr1~3%，Mo0.5~1.5%，其余杂质元素的总含量不大于0.15%的大口径钛合金管材，备用；

步骤二、对步骤一的大口径钛合金管材进行超声探伤，该管材不应有超过气瓶瓶体设计壁厚5%的缺陷存在；

步骤三、对探伤合格的大口径钛合金管材进行两端旋压收口成型，得到两端为椭球形封头，椭球形封头的尾端设有开口缩颈直段的初级气瓶瓶体；

步骤四、对初级气瓶瓶体进行950~1050℃固溶热处理，使瓶体屈服强度≥700MPa、抗拉强度≥800MPa、-50℃冲击功≥50J；

步骤五、对初级气瓶瓶体两端瓶口端面及开口缩颈直段内的内螺纹进行精密加工，保证与盲端端塞、开孔端塞的配合精度，得到次级气瓶瓶体；

步骤六、对次级气瓶瓶体进行水压强度试验，试验前后进行100%超声探伤及渗透检测；

步骤七、采用直径不大于1.0mm的钢丸与切丸，以约4:1的重量比混合进行次级气瓶瓶体内、外表面抛丸处理；

步骤八、对抛丸处理后的气瓶瓶体采用浸渍方法进行气瓶内、外表面常温磷化处理；

步骤九、采用纯钛锻棒机械加工两端开口相匹配的盲端端塞和开孔端塞，将盲端端塞、开孔端塞和垫圈对气瓶瓶体进行装配，装配完成后在公称压力下进行气瓶气密性试验，试验合格得到大容积钛合金高压无缝气瓶。

本发明在缩径过程中使用水粉状玻璃防护润滑剂。

本发明有益效果是：

1）采用大口径钛合金管材旋压成型，筒体与椭球形封头为整体结构，圆滑过渡，克服了有缝气瓶的结构不连续和焊接缺陷，从结构上保证气瓶瓶体应力分布的均匀性，提高结构整体性能和使用安全性；

2）该种气瓶具有良好的强度和冲击韧性，气瓶综合力学性能优良，可满足对气瓶容重比的更高要求；

3）该种气瓶容积大、耐高压、耐腐蚀，公称水容积≥200L，工作压力≥30MPa，适用于海洋腐蚀等特殊环境。

附图说明

图1为本发明大容积钛合金高压无缝气瓶的轴截面结构示意图；

图2为本发明大容积钛合金高压无缝气瓶的盲端端塞的轴截面结构示意图；

图3为本发明大容积钛合金高压无缝气瓶的开孔端塞的轴截面结构示意图；

其中：1、盲端端塞；2、垫圈；3、气瓶瓶体；4、开孔端塞；5、椭球形封头；6、开口缩颈直段；7、内螺纹。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明涉及一种大容积钛合金高压无缝气瓶，所述气瓶包括气瓶瓶体3、盲端端塞1、开孔端塞4和紫铜垫圈2。所述瓶体3为无缝直圆筒一体结构，材料选用高强度大口径钛合金无缝管，两端经热旋压成型为椭球形封头5，旋压部位变径增厚，椭球形封头5的尾部设有开口缩颈直段6，开口缩颈直段6内一端设置盲端端塞1，一端设置开孔端塞4，并通过内螺纹7、紫铜垫圈2与瓶体3相连。

本发明所述一种大容积钛合金高压无缝气瓶的制作方法，是采用以下关键步骤完成的：

（1）选用优质钛合金无缝管为原材料，其化学成分在Ti的基础上，主要添加元素（按质量百分比）如下： Al-5~6.5%，Nb-2.5~5%，Zr-1~3%，Mo-0.5~1.5%，其余N、H、O等杂质元素的总含量不大于0.15%。

（2）按照设计尺寸等选取钛合金无缝管，并采用在线自动超声探伤和管端手工检测相结合的方式进行超声探伤，钛合金无缝管不应有超过瓶体设计壁厚5%的缺陷存在。

（3）对探伤合格的钛合金无缝管进行两端旋压收口成型，在缩径过程中，使用专用水粉状玻璃防护润滑剂，形成封闭膜层隔热、保温，加之润滑管坯与旋轮接触位置减少摩擦生热，更好的控制旋压温度，同时防氧化、防吸氢，防粘轮，降低氧化皮厚度，改良成型表面质量。

（4）对钛合金高压无缝气瓶瓶体进行950~1050℃固溶热处理，获得良好的综合力学性能，满足使用时对气瓶容重比的更高要求。在实施例获得的钛合金无缝气瓶瓶体上取样进行拉伸、冲击试验。

（5）对气瓶两端瓶口端面及内螺纹进行精密加工，保证与端塞的配合精度。

（6）对气瓶进行水压强度试验，试验前后进行100%超声探伤及渗透检测，合格级别均为NB/T 47013各标准规定的I级。

（7）采用直径不大于1.0mm的钢丸与切丸，以约4:1的重量比混合进行气瓶瓶体内、外表面抛丸处理，提高表面质量，消除应力集中。

（8）采用浸渍方法进行气瓶内、外表面常温磷化处理，提升表面硬度、耐磨性、耐蚀性等性能，从而进一步提高气瓶使用安全可靠性。

（9）采用纯钛锻棒和紫铜机械加工两端端塞及垫圈并进行装配，在公称压力下进行气瓶气密性试验。

本发明所述大容积钛合金高压无缝气瓶，公称水容积≥200L，额定工作压力≥30MPa，其疲劳性能优良，在海洋腐蚀等特殊环境下的设计使用寿命达30年。

实施例1

一种大容积钛合金高压无缝气瓶的制作方法，包括以下步骤：

步骤一、按照设计尺寸选择以Ti为基体，按质量百分比包括 Al5%，Nb2.5%，Zr1%，Mo0.5%，其余杂质元素的总含量不大于0.15%的大口径钛合金管材，备用；

步骤二、对步骤一的大口径钛合金管材进行超声探伤，该管材不应有超过气瓶瓶体设计壁厚5%的缺陷存在；

步骤三、对探伤合格的大口径钛合金管材进行两端旋压收口成型，得到两端为椭球形封头，椭球形封头的尾端设有开口缩颈直段的初级气瓶瓶体；

步骤四、对初级气瓶瓶体进行950~1050℃固溶热处理，使瓶体屈服强度≥700MPa、抗拉强度≥800MPa、-50℃冲击功≥50J；

步骤五、对初级气瓶瓶体两端瓶口端面及开口缩颈直段内的内螺纹进行精密加工，保证与盲端端塞、开孔端塞的配合精度，得到次级气瓶瓶体；

步骤六、对次级气瓶瓶体进行水压强度试验，试验前后进行100%超声探伤及渗透检测；

步骤七、采用直径不大于1.0mm的钢丸与切丸，以约4:1的重量比混合进行次级气瓶瓶体内、外表面抛丸处理；

步骤八、对抛丸处理后的气瓶瓶体采用浸渍方法进行气瓶内、外表面常温磷化处理；

步骤九、采用纯钛锻棒机械加工两端开口相匹配的盲端端塞和开孔端塞，将盲端端塞、开孔端塞和垫圈对气瓶瓶体进行装配，装配完成后在公称压力下进行气瓶气密性试验，试验合格得到大容积钛合金高压无缝气瓶。

在实施例获得的钛合金无缝气瓶瓶体上取样进行拉伸、冲击试验，具体性能如下表所示：

实施例2

一种大容积钛合金高压无缝气瓶的制作方法，包括以下步骤：

步骤一、按照设计尺寸选择以Ti为基体，按质量百分比包括 Al6.5%，Nb5%，Zr3%，Mo1.5%，其余杂质元素的总含量不大于0.15%的大口径钛合金管材，备用；

步骤二、对步骤一的大口径钛合金管材进行超声探伤，该管材不应有超过气瓶瓶体设计壁厚5%的缺陷存在；

步骤三、对探伤合格的大口径钛合金管材进行两端旋压收口成型，得到两端为椭球形封头，椭球形封头的尾端设有开口缩颈直段的初级气瓶瓶体；

步骤四、对初级气瓶瓶体进行950~1050℃固溶热处理，使瓶体屈服强度≥700MPa、抗拉强度≥800MPa、-50℃冲击功≥50J；

步骤五、对初级气瓶瓶体两端瓶口端面及开口缩颈直段内的内螺纹进行精密加工，保证与盲端端塞、开孔端塞的配合精度，得到次级气瓶瓶体；

步骤六、对次级气瓶瓶体进行水压强度试验，试验前后进行100%超声探伤及渗透检测；

步骤七、采用直径不大于1.0mm的钢丸与切丸，以约4:1的重量比混合进行次级气瓶瓶体内、外表面抛丸处理；

步骤八、对抛丸处理后的气瓶瓶体采用浸渍方法进行气瓶内、外表面常温磷化处理；

步骤九、采用纯钛锻棒机械加工两端开口相匹配的盲端端塞和开孔端塞，将盲端端塞、开孔端塞和垫圈对气瓶瓶体进行装配，装配完成后在公称压力下进行气瓶气密性试验，试验合格得到大容积钛合金高压无缝气瓶。

在实施例获得的钛合金无缝气瓶瓶体上取样进行拉伸、冲击试验，具体性能如下表所示：

实施例3

一种大容积钛合金高压无缝气瓶的制作方法，包括以下步骤：

步骤一、按照设计尺寸选择以Ti为基体，按质量百分比包括 Al5.9%，Nb3.5%，Zr2%，Mo1%，其余杂质元素的总含量不大于0.15%的大口径钛合金管材，备用；

步骤二、对步骤一的大口径钛合金管材进行超声探伤，该管材不应有超过气瓶瓶体设计壁厚5%的缺陷存在；

步骤三、对探伤合格的大口径钛合金管材进行两端旋压收口成型，得到两端为椭球形封头，椭球形封头的尾端设有开口缩颈直段的初级气瓶瓶体；

步骤四、对初级气瓶瓶体进行950~1050℃固溶热处理，使瓶体屈服强度≥700MPa、抗拉强度≥800MPa、-50℃冲击功≥50J；

步骤五、对初级气瓶瓶体两端瓶口端面及开口缩颈直段内的内螺纹进行精密加工，保证与盲端端塞、开孔端塞的配合精度，得到次级气瓶瓶体；

步骤六、对次级气瓶瓶体进行水压强度试验，试验前后进行100%超声探伤及渗透检测；

步骤七、采用直径不大于1.0mm的钢丸与切丸，以约4:1的重量比混合进行次级气瓶瓶体内、外表面抛丸处理；

步骤八、对抛丸处理后的气瓶瓶体采用浸渍方法进行气瓶内、外表面常温磷化处理；

步骤九、采用纯钛锻棒机械加工两端开口相匹配的盲端端塞和开孔端塞，将盲端端塞、开孔端塞和垫圈对气瓶瓶体进行装配，装配完成后在公称压力下进行气瓶气密性试验，试验合格得到大容积钛合金高压无缝气瓶。

在实施例获得的钛合金无缝气瓶瓶体上取样进行拉伸、冲击试验，具体性能如下表所示：

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种大容积钛合金高压无缝气瓶，其特征在于：包括气瓶瓶体（3）、盲端端塞（1）、开孔端塞（4）和垫圈，所述气瓶瓶体（3）为无缝直圆筒一体结构，其两端为椭球形封头（5），椭球形封头（5）的尾端设有开口缩颈直段（6），盲端端塞（1）通过垫圈设置在一个开口缩颈直段（6）的内螺纹开口内，开孔端塞（4）通过垫圈设置在另一个开口缩颈直段（6）的内螺纹开口内，所述的气瓶瓶体（3）由大口径钛合金管材制成，钛合金无缝管以Ti为基体，按质量百分比包括 Al5~6.5%，Nb2.5~5%，Zr1~3%，Mo0.5~1.5%，其余的杂质元素的总含量不大于0.15%。

2.如权利要求1所述的一种大容积钛合金高压无缝气瓶的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、按照设计尺寸选择以Ti为基体，按质量百分比包括 Al5~6.5%，Nb2.5~5%，Zr1~3%，Mo0.5~1.5%，其余杂质元素的总含量不大于0.15%的大口径钛合金管材，备用；

步骤二、对步骤一的大口径钛合金管材进行超声探伤，该管材不应有超过气瓶瓶体设计壁厚5%的缺陷存在；

步骤三、对探伤合格的大口径钛合金管材进行两端旋压收口成型，得到两端为椭球形封头，椭球形封头的尾端设有开口缩颈直段的初级气瓶瓶体；

步骤四、对初级气瓶瓶体进行950~1050℃固溶热处理，使瓶体屈服强度≥700MPa、抗拉强度≥800MPa、-50℃冲击功≥50J；

步骤五、对初级气瓶瓶体两端瓶口端面及开口缩颈直段内的内螺纹进行精密加工，保证与盲端端塞、开孔端塞的配合精度，得到次级气瓶瓶体；

步骤六、对次级气瓶瓶体进行水压强度试验，试验前后进行100%超声探伤及渗透检测；

步骤七、采用直径不大于1.0mm的钢丸与切丸，以约4:1的重量比混合进行次级气瓶瓶体内、外表面抛丸处理；

步骤八、对抛丸处理后的气瓶瓶体采用浸渍方法进行气瓶内、外表面常温磷化处理；

步骤九、采用纯钛锻棒机械加工两端开口相匹配的盲端端塞和开孔端塞，将盲端端塞、开孔端塞和垫圈对气瓶瓶体进行装配，装配完成后在公称压力下进行气瓶气密性试验，试验合格得到大容积钛合金高压无缝气瓶。

3.如权利要求2所述的一种大容积钛合金高压无缝气瓶的制作方法，其特征在于：在缩径过程中使用水粉状玻璃防护润滑剂。