CN109108139B - 一种基于复合加热的钛基合金材料旋压成形方法 - Google Patents

一种基于复合加热的钛基合金材料旋压成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于复合加热的钛基合金材料旋压成形方法，其中首先使用火焰枪对坯料、芯轴和旋轮进行预热，再使用随动感应加热线圈将坯料加热至旋压温度，在旋压过程中使用红外热成像仪对温度进行监测，且使用火焰枪对旋轮后方已旋压区域的坯料进行加热保温。本发明将前端电磁感应热源加热和后端火焰源补热两种加热方式进行复合，且使用红外热成像仪进行温度监测，实现了旋压成形过程中的在线加热和精确控温，实施例结果表明，使用本发明的方法对钛基合金进行旋压成形，所得旋压件壁厚均匀，无开裂现象，成形质量高，旋压过程中不会出现失稳起皱等缺陷。

Description

一种基于复合加热的钛基合金材料旋压成形方法
技术领域
本发明涉及钛基合金材料塑性成形的技术领域，特别涉及一种基于复合加热的钛基合金材料旋压成形方法。
背景技术
钛基合金的密度仅为钢的60％左右，且具有强度高、抗腐蚀性好、温度适应范围广、无磁性、高韧性、可焊性好等优良特性，是一类新型轻质高性能结构材料。因此，钛基合金在航空、航天、兵器、化工、冶金、医疗、海水淡化、海洋石油开采、日常用品等领域具有广阔的应用前景。
然而，钛合金的难加工性限制了其广泛应用。旋压成形是薄壁回转类零件少无切削加工的先进制造技术，加工的产品精度高、质量轻、流线连续且性能优良，目前已广泛应用于航空、航天及兵器工业等国防领域。旋压成形工艺因其局部加载局部变形的特性十分适合用于成形钛基合金材料。在钛基合金材料旋压成形过程中，为了降低材料的变形抗力，提高成形效率和成形质量，常采用热旋成形工艺。
目前热旋成形工艺的加热方式以火焰加热为主，使用火焰喷枪分别加热芯轴、坯料和旋轮，具有加热方法简单、加热效率高和温度范围大等优点。但一些钛基合金材料，如钛合金、Ti2AlNb合金等成形温度区间狭窄，为保证成形质量，对变形温度范围和温度均匀性要求非常严格。而火焰加热方式存在加热温度波动大、加热精度低、加热效率不高等缺点，致使钛基合金材料在旋压成形过程中出现失稳起皱、开裂、壁厚不均等缺陷。另外，在旋压过程中，火焰加热的热源分布不合理会导致钛基合金出现已旋区抱模等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种基于复合加热的钛基合金材料旋压成形方法。本发明提供的方法将火焰加热和电磁感应加热复合，且旋压成形过程中使用红外热成像仪对温度进行监测，实现了旋压成形过程中在线加热和精确控温，使用本发明的方法对钛基合金进行旋压成形，所得旋压件成形质量好，生产效率高。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种基于复合加热的钛基合金材料旋压成形方法，包括以下步骤：
(1)将钛基合金坯料固定在旋压机的芯轴上，使用火焰枪预热所述旋压机的芯轴、旋轮和所述钛基合金坯料；使用红外热成像仪监控预热温度；
(2)将随动感应加热线圈固定在所述旋轮的支架上，使所述随动感应线圈可以随旋轮沿轴线运动，将所述随动感应加热线圈套在钛基合金坯料外部，且不与钛基合金坯料接触；开动旋压机，使钛基合金坯料随旋压机芯轴转动，使用所述随动感应加热线圈将钛基合金坯料加热至旋压温度；
(3)开始旋压，旋压过程中使用红外热成像仪监控旋轮前方待旋区的温度分布，并使用火焰枪对旋轮后方已旋压区域的坯料进行加热保温；
(4)若旋压一道次后的成形坯料达到壁厚要求，则旋压成形完成；若旋压一道次后的成形坯料未达到壁厚要求，则重复步骤(1)～(3)，直至成形坯料壁厚满足要求。
优选的，所述步骤(1)中的旋压机芯轴的预热温度为350～550℃，旋轮的预热温度为200～250℃，钛基合金坯料的预热温度为400～600℃。
优选的，所述步骤(1)中钛基合金坯料与旋压机芯轴为过渡配合。
优选的，所述步骤(2)中的旋压温度为800～1000℃。
优选的，所述步骤(3)中旋压时旋压机的芯轴转速为50～300转/分，进给比为0.3～3毫米/转，道次减薄率为10～40％。
优选的，所述步骤(3)中加热保温的温度为400～600℃。
优选的，所述步骤(3)中使用红外热成像仪监控旋轮前方待旋区的温度分布具体为：
当旋轮前端钛基合金坯料的温度高于设定的最高温度时，所述红外热成像仪将测得的温度信息反馈给控温系统，控温系统根据所得的温度信息调低随动感应加热线圈的输出功率，从而将温度保持在旋压温度范围内；
当旋轮前端钛基合金坯料的温度低于设定的最低温度时，所述红外热成像仪将测得的温度信息反馈给控温系统，控温系统根据所得的温度信息升高随动感应加热线圈的输出功率，从而将温度保持在旋压温度范围内。
优选的，所述旋压机的旋轮所用钢的材质为H13热作模具钢或W18Cr4V高速钢；
所述旋压机的芯轴所用钢的材质为H13热作模具钢或K403高温合金。
优选的，所述火焰枪采用氧气-丙烷火焰或氧气-乙炔火焰。
优选的，所述钛基合金坯料包括Ti2AlNb、Ti55、TA15或TC4。
本发明提供了一种基于复合加热的钛基合金材料旋压成形方法，其中首先使用火焰枪对坯料、芯轴和旋轮进行预热，再使用随动感应加热线圈将坯料加热至旋压温度，在旋压过程中使用红外热成像仪对温度进行监测，且使用火焰枪对旋轮后方已旋压区域的坯料进行加热保温。本发明提供的方法使用随动感应加热线圈对坯料进行加热，随动感应加热线圈加热速度快，电路可靠，温度控制精度高，坯料变形区受热均匀，且能降低钛基合金坯料氧化和吸氢；本发明在旋压成形过程中使用红外热成像仪对温度进行监测，可以使坯料的旋压温度保持稳定；本发明在旋压成形过程中使用火焰加热对已旋压区域进行保温，可以提高已旋区的变形协调性，提高旋压件的成形质量、生产效率，改善模具寿命，避免出现已旋区拉裂、失稳起皱、旋压后脱模困难等问题。
本发明将前端电磁感应热源加热和后端火焰源补热两种加热方式进行复合，实现了旋压成形过程中的在线加热和精确控温，实施例结果表明，使用本发明的方法对钛基合金进行旋压成形，所得旋压件壁厚均匀，无开裂现象，成形质量好，旋压过程中不会出现失稳起皱、已旋区抱模等缺陷。
附图说明
图1为本发明钛基合金材料正向旋压成形过程的示意图；
图2为本发明钛基合金材料反向旋压成形过程的示意图；
图1～2中：1-钛基合金坯料，2-旋压机主轴，3-芯轴，4-旋轮，5-随动感应加热线圈，6-火焰枪，7-红外热成像仪；
图3为本发明实施例中成形件的母线及壁厚测量点选取示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于复合加热的钛基合金材料旋压成形方法，包括以下步骤：
(1)将钛基合金坯料固定在旋压机的芯轴上，使用火焰枪预热所述旋压机的芯轴、旋轮和所述钛基合金坯料；使用红外热成像仪监控预热温度；
(2)将随动感应加热线圈固定在所述旋轮的支架上，使所述随动感应线圈可以随旋轮沿轴线运动，将所述随动感应加热线圈套在钛基合金坯料外部，且不与钛基合金坯料接触；开动旋压机，使钛基合金坯料随旋压机芯轴转动，使用所述随动感应加热线圈将钛基合金坯料加热至旋压温度；
(3)开始旋压，旋压过程中使用红外热成像仪监控旋轮前方待旋区的温度分布，并使用火焰枪对旋轮后方已旋压区域的坯料进行加热保温；
(4)若旋压一道次后的成形坯料达到壁厚要求，则旋压成形完成；若旋压一道次后的成形坯料未达到壁厚要求，则重复步骤(1)～(3)，直至成形坯料壁厚满足要求。
本发明将钛基合金坯料固定在旋压机的芯轴上，使用火焰枪预热所述旋压机的芯轴、旋轮和所述钛基合金坯料；使用红外热成像仪监控预热温度。在本发明中，所述钛基合金坯料优选包括Ti2AlNb、Ti55、TA15或TC4；所述钛基合金坯料优选为筒形坯料；本发明优选将钛基合金筒形坯料套在芯轴上并固定，所述钛基合金坯料与旋压机芯轴优选为过渡配合；所述旋压机芯轴的预热温度优选为350～550℃，更优选为400～500℃；所述旋轮的预热温度优选为200～250℃，更优选为220～230℃，所述钛基合金坯料的预热温度优选为400～600℃，更优选为450～550℃。
在本发明中，所述火焰枪优选采用氧气-丙烷火焰或氧气-乙炔火焰；所述旋压机的旋轮所用钢的材质优选为H13热作模具钢或W18Cr4V高速钢；所述旋压机的芯轴所用钢的材质优选为H13热作模具钢或K403高温合金；本发明对所述旋压机的具体结构没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的旋压机即可。
预热完成后，本发明将随动感应加热线圈固定在旋轮支架上，使所述随动感应线圈可以随旋轮沿轴线运动，将所述随动感应加热线圈套在所述钛基合金坯料外部，且不与所述钛基合金坯料接触；开动旋压机，使钛基合金坯料随旋压机芯轴转动，使用所述随动感应加热线圈将钛基合金坯料加热至旋压温度。在本发明中，所述随动感应加热线圈能够利用电磁感应产生涡流加热；所述随动感应加热线圈连接有控温系统，所述控温系统能够通过调节线圈的输出功率来调节加热温度。本发明对所述随动感应加热线圈没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的加热线圈，能够实现电磁感应加热即可。
在本发明的具体实施例中，使用随动感应加热线圈对坯料进行加热时，坯料随芯轴一起转动，而随动感应加热线圈随旋轮沿轴向运动(此时未开始旋压，进给比为0)，从而实现对坯料的快速、均匀的加热。
在本发明中，所述旋压加热的温度优选为800～1000℃。本发明针对的钛基合金具有塑性低、难变形的特点，而火焰加热由于受本身火焰能量所限和旋压机芯模吸热影响，对于成形温度要求高的钛基合金，火焰加热到成形温度比较困难，本发明随动感应加热线圈对进行感应加热，可实现对坯料的快速升温。
将坯料加热至旋压温度后，本发明启动旋压机开始旋压，旋压过程中使用红外热成像仪监控旋轮前方待旋区的温度分布，用火焰枪对旋轮后方已旋压区域的坯料进行加热保温。在本发明中，所述旋压时旋压机的芯轴转速优选为50～300转/分，更优选为100～250转/分，进给比优选为0.3～3毫米/转，更优选为0.5～2毫米/转，道次减薄率优选为10～40％，更优选为20～30％。
本发明在旋压过程中使用红外热成像仪监控旋轮前方待旋区的温度分布，所述红外热成像仪和随动感应加热线圈的控温系统连接，所述监控过程具体优选为：
当旋轮前端钛基合金坯料的温度高于设定的最高温度时，所述红外热成像仪将测得的温度信息反馈给控温系统，控温系统根据所得的温度信息调低随动感应加热线圈的输出功率，从而将温度保持在旋压温度范围内；
当旋轮前端钛基合金坯料的温度低于设定的最低温度时，所述红外热成像仪将测得的温度信息反馈给控温系统，控温系统根据所得的温度信息升高随动感应加热线圈的输出功率，从而将温度保持在旋压温度范围内。
在本发明中，所述设定的最高温度和最低温度优选根据钛基合金坯料的材质、塑性、变形抗力等性能进行确定。
本发明采用红外热成像仪监控旋轮前方待旋区的温度分布，并且通过控制进给比来确保感应加热速度和旋轮进给速度匹配，从而保证钛基合金旋压变形区不出现温度过低和过高的情况，使坯料的旋压温度保持稳定。在本发明中，钛合金的热加工温度区间狭窄，热导率低，且加热均匀性较差，本发明通过严格控制钛合金热成形的温度，可以显著提高成形件的质量和成形精度。
旋轮前进一段距离后，本发明用火焰枪对旋轮后方已旋压区域的坯料进行加热保温。在本发明中，所述加热保温的温度优选为400～600℃，更优选为450～550℃，进一步优选为500℃。本发明优选对已旋压区域的坯料保温至本道次结束。
在本发明中，利用感应加热坯料的方法具有速度快，加热温度高的优点，但是线圈的长度受限，加热区域比较窄，已旋区会降温较快，特别是初始加热的区域。在正向旋压过程中(图1所示)，已旋区的坯料在旋轮前进的过程中处于拉应力的状态，此时如果坯料的温度较低，材料塑性较差，容易出现已旋区拉裂缺陷进而导致坯料报废；在反向旋压过程中(图2所示)，已旋区坯料温度降低，在最终道次旋压时薄壁构件已旋区温度快速下降，而芯模温度较高，导致坯料收缩贴模，导致反向旋压时已旋区金属反向流动困难，容易致使已旋区失稳起皱，且旋压后脱模困难，折损模具寿命；本发明采取火焰加热对已旋压区的坯料进行保温，从而提高已旋区的变形协调性，有助于提高成形件的质量，避免了在旋压过程中出现上述问题；此外，通过火焰辅助加热可以降低坯料脱模的难度，提高生产效率和模具寿命。
若旋压一道次后的成形坯料达到壁厚要求，则旋压成形完成，关闭随动感应加热线圈的电源，关闭火焰枪，关闭旋压机，使成形件自然降温至200℃以下后脱模即可；若旋压一道次后的成形坯料未达到壁厚要求，则重复上述步骤，继续进行旋压，直至成形坯料壁厚满足要求。
下面结合实施例对本发明提供的一种基于复合加热的钛基合金材料旋压成形方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
坯料为Ti2AlNb合金筒形坯料，坯料的初始壁厚为6.0mm。
(1)将Ti2AlNb合金筒形坯料套在旋压机的芯轴上并固定；使用火焰枪预热旋压机的坯料、芯模和旋轮；旋压芯轴加热至450℃、旋轮加热至200℃，坯料加热至500℃；
火焰枪采用氧气-丙烷火焰；旋压机的旋轮所用钢的材质为H13热作模具钢，旋压芯轴采用K403铸造高温合金；Ti2AlNb合金坯料与旋压芯轴之间为过渡配合。
(2)随动电磁感应线圈固定在旋轮支架上，并会随着旋轮一同沿轴向运动；随动感应加热线圈套在Ti2AlNb合金坯料外部，且与坯料之间具有间隙；开动旋压机，使得芯轴转动，Ti2AlNb合金坯料与旋压机芯轴一起转动，随动电磁感应线圈将钛基合金坯料加热至旋压温度950℃。
(3)开始旋压，旋压时旋压机的芯轴转速为100r/min，进给比为1.0毫米/转，道次减薄率为25％；旋压过程中使用红外热成像仪实时监控旋轮前端待成形区域的温度；当旋轮前端坯料的温度高于1000℃时，红外热成像仪将测得的温度信息反馈给控温系统，控温系统根据所得的温度信息调低随动感应加热线圈的输出功率，从而控制温度的变化，使坯料温度保持在950℃左右；当旋轮前端坯料的温度低于900℃时，红外热成像仪将测得的温度信息反馈给控温系统，控温系统根据所得的温度信息升高随动感应加热线圈的输出功率，从而使坯料温度保持在950℃左右。
旋轮前进一段距离后，用火焰热源对已旋压区的坯料加热保温，使坯料的温度保持在500℃～600℃，直至本道次结束。
(4)一道次旋压完成后成形件的厚度为4.5mm，满足要求，停止旋压，关闭随动感应加热线圈的电源，关闭火焰枪，关闭旋压机，使成形件自然降温至200℃下后脱模。
对成形件进行观察，可以看出成形件壁厚均匀，没有开裂缺陷，说明本发明的方法成形精度很高。
实施例2
其他条件和实施例1相同，仅在步骤(3)完成后再次重复步骤(1)～(3)，重复旋压2次，总道次减薄率约为58％，成形件的壁厚为2.5mm。
对成形件进行观察，可以看出成形件壁厚均匀，没有开裂缺陷。
实施例3
钛基合金坯料为低塑性Ti55高温钛合金材料，坯料为筒形坯料，初始壁厚为10.0mm。
(1)将Ti55合金材料筒形坯料套在旋压机的芯轴上并固定；使用火焰枪预热旋压机的芯轴、旋轮和坯料，旋压芯轴加热至450℃、旋轮加热至250℃，钛基合金坯料预热至500℃。
火焰枪采用氧气-乙炔火焰；旋压机的旋轮所用钢的材质为W18Cr4V高速钢，旋压芯轴采用H13热作模具钢；Ti55合金坯料与旋压芯轴之间为过渡配合。
(2)开动旋压机，使得芯轴转动，Ti55合金坯料与旋压机芯轴一起转动。随动电磁感应线圈固定在旋轮支架上，并会随着旋轮以一定速度一同沿轴向运动；随动感应加热线圈套在Ti55合金坯料外部，且与坯料之间具有间隙；随动电磁感应线圈将钛基合金坯料加热至旋压温度850℃。
(3)开始旋压，旋压时旋压机的芯轴转速为100r/min，进给比为1.3毫米/转，道次减薄率为30％；旋压过程中使用红外热成像仪实时监控旋轮前端待成形区域的温度；当旋轮前端坯料的温度高于900℃时，红外热成像仪将测得的温度信息反馈给控温系统，控温系统根据所得的温度信息调低随动感应加热线圈的输出功率，从而控制温度的变化，使坯料温度保持在850℃左右；当旋轮前端坯料的温度低于800℃时，红外热成像仪将测得的温度信息反馈给控温系统，控温系统根据所得的温度信息升高随动感应加热线圈的输出功率，从而使坯料温度保持在850℃左右。
旋轮前进一段距离后，用火焰热源对已旋压区的坯料加热保温，使坯料的温度保持在400℃～500℃，直至本道次结束。
(4)一道次旋压完成后成形件的厚度为7.0mm，满足要求，停止旋压，关闭随动感应加热线圈的电源，关闭火焰枪，关闭旋压机，使成形件自然降温至200℃下后脱模。
对成形件进行观察，可以看出成形件壁厚均匀，没有开裂缺陷。
实施例4
其他条件和实施例1相同，仅在步骤(3)完成后再次重复步骤(1)～(3)，重复旋压3次，总道次减薄率为76％，成形件的壁厚为2.4mm。
在成形件上选取A1、A2、A3和A4四条母线，每条母线上选取六个测量点(成形件上母线和测量点的选取示意图如图3所示)，对测量点处的壁厚进行测量，将测量结果列于表1中。
表1成形件壁厚测量结果
Figure BDA0001849156380000091
根据表1可以看出，各个测量点的壁厚相近，说明所得成形件壁厚均匀，且对成形件进行观察可以看出，成形件没有开裂缺陷。
由以上实施例可以看出，本发明提供的方法将前端电磁感应热源加热和后端火焰源补热两种加热方式进行复合，实现了旋压成形过程中的在线加热和精确控温，所得旋压件成形质量高，具有广阔的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于复合加热的钛基合金材料旋压成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将钛基合金坯料固定在旋压机的芯轴上，使用火焰枪预热所述旋压机的芯轴、旋轮和所述钛基合金坯料；使用红外热成像仪监控预热温度；所述旋压机芯轴的预热温度为350～550℃，旋轮的预热温度为200～250℃，钛基合金坯料的预热温度为400～600℃；
(2)将随动感应加热线圈固定在所述旋轮的支架上，使所述随动感应加热线圈可以随旋轮沿轴线运动，将所述随动感应加热线圈套在钛基合金坯料外部，且不与钛基合金坯料接触；开动旋压机，使钛基合金坯料随旋压机芯轴转动，使用所述随动感应加热线圈将钛基合金坯料加热至旋压温度；
(3)开始旋压，旋压过程中使用红外热成像仪监控旋轮前方待旋区的温度分布，并使用火焰枪对旋轮后方已旋压区域的坯料进行加热保温；所述加热保温的温度为400～600℃；
(4)若旋压一道次后的成形坯料达到壁厚要求，则旋压成形完成；若旋压一道次后的成形坯料未达到壁厚要求，则重复步骤(1)～(3)，直至成形坯料壁厚满足要求。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中钛基合金坯料与旋压机芯轴为过渡配合。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的旋压温度为800～1000℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中旋压时旋压机的芯轴转速为50～300转/分，进给比为0.3～3毫米/转，道次减薄率为10～40％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中使用红外热成像仪监控旋轮前方待旋区的温度分布具体为：当旋轮前端钛基合金坯料的温度高于设定的最高温度时，所述红外热成像仪将测得的温度信息反馈给控温系统，控温系统根据所得的温度信息调低随动感应加热线圈的输出功率，从而将温度保持在旋压温度范围内；当旋轮前端钛基合金坯料的温度低于设定的最低温度时，所述红外热成像仪将测得的温度信息反馈给控温系统，控温系统根据所得的温度信息升高随动感应加热线圈的输出功率，从而将温度保持在旋压温度范围内。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述旋压机的旋轮所用钢的材质为H13热作模具钢或W18Cr4V高速钢；所述旋压机的芯轴所用钢的材质为H13热作模具钢或K403高温合金。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述火焰枪采用氧气-丙烷火焰或氧气-乙炔火焰。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钛基合金坯料包括Ti2AlNb、Ti55、TA15或TC4。
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