CN109174990A - 钛合金热压加热机构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钛合金热压加热机构及方法，包括将钛合金件置于加热装置内，加热装置与挤压模具连接且加热装置的内腔与挤压模具上贯穿的挤压通道连通，保持向加热装置内通入保护加热气体Ar，Ar依次经过加热装置的内腔、挤压通道，吹扫杂质气体；加热装置工作对钛合金件进行加热，利用Ar的热量对挤压通道进行预热；钛合金件加热至符合挤压温度后，保持加热装置与挤压模具的连接并将钛合金件从加热装置内转移到挤压通道；拆除加热装置后对挤压通道内的钛合金件进行挤压。本发明的加热转移过程都在保护气体下进行，避免外界环境气体影响，保护气体对挤压通道起到预热作用，有效减小钛合金件与挤压通道的温差，防止钛合金件在挤压时内外层温差过大。

Description

钛合金热压加热机构及方法

技术领域

本发明属于无切削的金属机械加工技术领域，具体涉及一种钛合金热压加热机构及方法。

背景技术

钛在地壳中的储量比常见金属铜、铅、锌储量的总和还多，在可作为结构材料的金属中仅次于铝、铁、镁，居第四位。钛合金的密度小、比强度高，抗腐蚀性能、高温力学性能、抗疲劳和蠕变性能都很好，具有优良的综合性能，是一种新型的、很有发展潜力和应用前景的结构材料。

钛及钛合金在高温下的化学活性都很高，容易与氧、氮、氢、CO、CO₂、水蒸气、氨气等发生化学反应。含碳量大于0.2％时，会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时，与氮作用会形成硬质TiN；在600℃以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层；吸收的氢含量上升，也会形成脆化层。因此，钛及钛合金在热加工过程中，非常容易吸收氢氧氮碳而产生硬脆表层，深度可达0.10 mm～0.15 mm，硬化程度为20％～30％，造成后续加工困难。加热挤压加工时，一方面，将高温的钛合金坯件转移到模具的过程中容易被环境气体污染，另一方面，由于钛合金热导率低，与模具接触的表层温度下降，坯料内部高温及变形热不能及时传输到表层，这样表层与内层会产生较大的温度梯度，造成内外层的变形和组织不均匀，甚至变形困难以致挤压加工难以继续进行。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明要解决的技术问题是提供一种钛合金热压加热机构及方法，避免钛合金在加热和挤压过程中金属易被环境中气体污染和挤压过程中内外层温差大的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

钛合金热压加热方法，包括将钛合金件置于加热装置内加热，加热过程中保持向所述加热装置内通入保护加热气体Ar，所述加热装置与挤压模具连接且加热装置的内腔与挤压模具上开设的挤压通道连通，所述挤压通道贯穿挤压模具，所述保护加热气体Ar依次经过加热装置的内腔和挤压通道后排出，对挤压通道进行预热；钛合金件被加热至符合挤压条件的温度后，保持加热装置与挤压模具的连接并将钛合金件从加热装置内转移到挤压通道内；拆除加热装置与挤压模具的连接后对挤压通道内的钛合金件进行挤压。

进一步完善上述技术方案，在加热之前即完成所述加热装置与挤压模具的连接并保持向加热装置内通入保护加热气体Ar以吹扫加热装置和挤压通道内的杂质气体。

这样，先将加热装置和挤压通道内的杂质气体排除，使整个加热过程被保护加热气体Ar所保护。

进一步地，所述保护加热气体Ar被通入加热装置之前经过了加热装置的周围并被加热装置预加热。

这样，充分利用加热装置的热量，也避免加热装置的热量直接散失造成热量损失或温度污染。

本发明还涉及一种钛合金热压加热机构，包括加热装置和挤压模具，所述加热装置为下端敞口的竖向石英玻璃套管，所述石英玻璃套管的管壁为中空的结构，包括外壁和内壁，所述外壁和内壁的下端封闭连接，所述内壁的上端敞口，外壁的上端封闭并将所述内壁的上端敞口包在外壁内以使管壁的中空空间与内壁的内腔连通，所述外壁上开设有进气口，所述石英玻璃套管上套设有电感应加热线圈；所述进气口与内壁的上端敞口在竖向上具有高度差，进气口在下，所述电感应加热线圈在竖向上位于进气口与内壁的上端敞口之间；所述挤压模具上开设有竖向贯穿的挤压通道，所述石英玻璃套管可拆卸连接于挤压模具的上表面且石英玻璃套管的内腔与所述挤压通道连通。

进一步完善上述技术方案，所述石英玻璃套管的内腔和所述挤压通道内配合有可竖向移动的升降杆，所述升降杆的顶端设有样品平台以用于承载运送钛合金件；所述升降杆由升降装置驱动。

进一步地，所述挤压通道朝向加热装置的一端具有向外逐渐扩大的渐变挤压段；所述渐变挤压段后边的挤压通道的内壁嵌入有若干温度传感器。

作为另一种挤压形式可选择地，所述挤压通道由型腔、第一通道和第二通道构成，所述第一通道和第二通道同轴并分别位于型腔的上下方，所述第一通道和第二通道与型腔连通并分别贯穿挤压模具的上下表面，型腔的内壁嵌入有若干温度传感器。

进一步地，所述石英玻璃套管的下端设有密封圈，所述挤压模具的上表面设有凹入的密封环槽，所述密封环槽的槽形与所述密封圈对应，所述渐变挤压段的上端开口位于所述密封环槽内，所述石英玻璃套管通过所述密封圈插入密封环槽与挤压模具连接以增加连接密封性。

本发明同时还涉及基于上述钛合金热压机构而进行的钛合金热压加热方法，具体为挤压通道具有渐变挤压段的钛合金热压机构，包括如下步骤：

1）将石英玻璃套管从挤压模具上拆除；

2）升降装置驱动升降杆和样品平台上升至设计的加热高度，在样品平台上放置钛合金件；

3）连接石英玻璃套管和挤压模具，同时石英玻璃套管的内腔与挤压通道连通；

4）从进气口持续通入保护加热气体Ar以吹扫石英玻璃套管和挤压通道内的杂质气体；

5）电感应加热线圈工作，对钛合金件进行加热，保护加热气体Ar仍保持持续通入，保护加热气体Ar从进气口进入石英玻璃套管的中空管壁内，上行过程中经过电感应加热线圈周围而被预加热，上行至外壁的上端封闭位置后从内壁的上端敞口处下行，经过钛合金件周围被进一步加热，继续下行经过并预热挤压通道；

6）钛合金件被加热至符合挤压条件的温度后，升降装置驱动升降杆和样品平台下降将钛合金件从石英玻璃套管内转移到挤压通道内，钛合金件落在挤压通道上部的渐变挤压段内；

7）快速拆除石英玻璃套管，随即从渐变挤压段的上方降下外接挤压头，对钛合金件实施挤压。

进一步地，步骤4）中从进气口持续通入保护加热气体Ar的时长应大于一分钟；步骤6）中钛合金件被加热至符合挤压条件的温度后，下降之前，还应保温以确保钛合金件的温度均匀性；样品平台下降至挤压通道的下部，仍位于挤压通道内以防止外部气体上行侵入；步骤7）的挤压过程中，通过温度传感器监测挤压过程中的温度变化以便调节挤压节奏。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明将加热装置与挤压模具可拆卸密封连接，缩短了从加热位置进入挤压模具内的传递距离，减少热损失；整个加热转移过程都是在保护气体下进行，避免了钛合金件在加热过程中受外界环境气体成分的影响；同时保护气体对挤压通道有较好的预热作用，可有效减小钛合金件与挤压通道的温差，防止钛合金件与模具接触时表面温度骤降，使挤压过程中整个钛合金件的温度、变形及组织更加均匀，避免挤压过程中内外层温差大造成的系列问题。

2、本发明利用升降装置驱动升降杆推送钛合金件，将钛合金件精确上升于加热中心、下降到挤压通道，将加热与挤压两个过程无缝连接，避免了加热后的钛合金件转移到模具内的过程中被环境气体污染的问题。

3、本发明利用升降杆上的样品平台，挤压时在挤压通道下端形成阻挡，防止外部气体上行侵入，进一步减少了外界气体和温度对加热挤压过程的影响。

4、本发明的适用性强，作为一种创新挤压加热方式，可以供其它的金属材料的保护加热和挤压工艺参考。

附图说明

图1-具体实施例一的钛合金热压加热机构的结构示意图；

图2-单独表示具体实施例的加热装置的示意图；

图3-具体实施例一中钛合金件下降到挤压通道内并拆除了加热装置的示意图；

图4-具体实施例二的钛合金热压加热机构的结构示意图；

图5-具体实施例二中钛合金件下降到挤压通道内并拆除了加热装置的示意图；

其中，加热装置1，挤压模具2，挤压通道21，型腔211，第一通道212，第二通道213，渐变挤压段214，密封环槽22，石英玻璃套管3，外壁31，进气口311，进气管312，内壁32，密封圈33，电感应加热线圈4，钛合金件5，温度传感器6，升降杆7，样品平台71。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

实施例一

根据挤压形式的不同，实施一的钛合金热压加热机构用于将加热后的钛合金件挤压出所需要的外形。参见图1-3，具体实施例一的钛合金热压加热机构，包括加热装置1和挤压模具2，所述加热装置1为下端敞口的竖向石英玻璃套管3，具有耐热和绝缘性能，所述石英玻璃套管3的管壁为中空的结构，包括外壁31和内壁32，所述外壁31和内壁32的下端封闭连接且连接有密封圈33，所述内壁32的上端敞口，所述外壁31的上端封闭并将所述内壁32的上端敞口包在外壁31内以使管壁的中空空间与内壁32的内腔连通，所述外壁31的下部开设有进气口311并连接一体成型的进气管312以便于外接，所述石英玻璃套管3的外壁31上套设有电感应加热线圈4；所述进气口311与内壁32的上端敞口在竖向上是具有高度差的，所述电感应加热线圈4在竖向上应位于进气口311与内壁32的上端敞口之间的位置；所述挤压模具2开设有竖向贯穿的挤压通道21，挤压通道21用于挤压钛合金件5时使之经挤压变形为需要的形状，所以挤压通道21由型腔211、第一通道212和第二通道213构成，型腔211的形状按设计要求，图示中仅为示意性的，第一通道212和第二通道213同轴并分别位于型腔211的上下方，与型腔211连通并分别贯穿挤压模具2的上下表面，第一通道212和第二通道213的长度根据实际中型腔211与钛合金件5的挤压变形比例设定，型腔211的内壁32嵌入有若干温度传感器6；所述挤压模具2的上表面设有凹入的密封环槽22，所述密封环槽22的槽形与所述密封圈33对应，所述第一通道212的上端开口位于所述密封环槽22内，或者说在挤压模具2的上表面，所述密封环槽22环设于第一通道212上端开口的外侧。所述石英玻璃套管3通过所述密封圈33插入挤压模具2的密封环槽22与挤压模具2可拆卸连接，也保证连接的密封性，同时石英玻璃套管3的内腔与挤压通道21连通。

其中，所述石英玻璃套管3的内腔和所述挤压通道21内配合有可竖向移动的升降杆7，所述升降杆7的顶端固定设有水平的样品平台71以用于承载运送钛合金件5，所述样品平台71略小于第二通道213的内径；本实施例中，第一通道212的内径与第二通道213对应，石英玻璃套管3的内壁32的内径大于第一通道212的内径；型腔211的任意内腔横截面外形应大于（超出）第一通道212和第二通道213的内径从而不阻碍升降杆7和样品平台71的竖向移动；所述升降杆7由升降装置（图中未示出）驱动。

本发明还提供基于实施例一的钛合金热压机构而进行的钛合金热压加热方法，包括如下步骤：

1）连接石英玻璃套管3和挤压模具2并保证石英玻璃套管3的内腔与挤压通道21连通；升降装置驱动升降杆7和样品平台71下降退出挤压模具2的第二通道213；

2）在样品平台71上放置钛合金件5；

3）升降装置驱动升降杆7和样品平台71上升，经过挤压通道21至钛合金件5与电感应加热线圈4的高度对应；

4）从进气管312持续通入保护加热气体Ar以吹扫石英玻璃套管3和挤压通道21内的杂质气体，持续时长为五分钟；

5）仍保持保护加热气体Ar的持续通入；电感应加热线圈4工作，对钛合金件5进行加热，保护加热气体Ar经过并预热挤压通道21；

6）钛合金件5被加热至符合挤压条件的温度后，升降装置驱动升降杆7和样品平台71下降将钛合金件5从石英玻璃套管3内转移到挤压通道21内，样品平台71下降至第二通道213内，可防止外部气体上行侵入其上方的挤压通道21内；

7）快速拆除石英玻璃套管3；随即从第一通道212的上端开口降入外接挤压头（图中未示出），对挤压模具2内的钛合金件5实施挤压，同时，样品平台71作为挤压过程中的下部支撑使用，挤压过程中，通过温度传感器6监测挤压过程中的温度变化以便调节挤压节奏。

实施例二

根据挤压形式的不同，实施二的钛合金热压加热机构用于将加热后的钛合金件进行缩径挤压以得到需要的组织结构。

参见图4、图5，具体实施例二的钛合金热压加热机构与实施例一的区别在于挤压通道的结构不同，实施例二的挤压通道21朝向加热装置1的一端（即上端）具有向外逐渐扩大的渐变挤压段214；另外由于有效的挤压通道部分的粗糙度要求很高，没有必要设置得过长，所以本实施例的挤压通道21的下端也设置为向外逐渐扩大的渐变段形式，这样也方便升降杆7的进入，上下两渐变段中间的挤压通道部分的内壁嵌入所述的若干温度传感器6。

样品平台71略小于两渐变段中间的挤压通道部分的内径，石英玻璃套管3的内壁32的内径大于渐变挤压段214上端口部直径。

基于实施例二的钛合金热压机构而进行的钛合金热压加热方法，包括如下步骤：

1）将石英玻璃套管3从挤压模具21上拆除；

2）升降装置驱动升降杆7和样品平台71上升至设计的加热高度（此高度应与石英玻璃套管3和挤压模具2连接后，电感应加热线圈4的高度对应）；在样品平台71上放置钛合金件5；

3）连接石英玻璃套管3和挤压模具2，同时石英玻璃套管3的内腔与挤压通道21连通；

4）从进气管312持续通入保护加热气体Ar以吹扫石英玻璃套管3和挤压通道21内的杂质气体，持续时长为三分钟；

5）仍保持保护加热气体Ar的持续通入；电感应加热线圈4工作，对钛合金件5进行加热，保护加热气体Ar从进气口311进入石英玻璃套管3的中空管壁内，上行过程中经过电感应加热线圈4周围而被预加热，上行至外壁31的上端封闭位置后从内壁32的上端敞口处下行，经过钛合金件5周围被进一步加热，继续下行经过并预热挤压通道21；这样可充分利用电感应加热线圈4的热量，保护加热气体Ar通过钛合金件5时与其表面发生热交换，也就可以通过保护加热气体Ar的通入流量流速来适当调节控制钛合金件5的加热升温过程；

6）钛合金件5被加热至符合挤压条件的温度后，保温一段时间以确保钛合金件5的温度均匀，升降装置驱动升降杆7和样品平台71下降将钛合金件5从石英玻璃套管3内转移到挤压通道21内，钛合金件5落在挤压通道21上部的渐变挤压段214内，实际操作时通过合理匹配钛合金件5的体积尺寸以及渐变挤压段214的锥度尺寸即可实现；样品平台71下降至挤压通道21下端渐变段的下部，但不完全退出挤压通道21下端的渐变段以防止外部气体上行侵入，减少外界气体和温度对加热挤压过程的影响；

7）电感应加热线圈4停止工作，保护加热气体Ar停止通入，快速拆除石英玻璃套管3；随即从渐变挤压段214的上方降下外接挤压头，对钛合金件5实施挤压，将钛合金件5挤过两渐变段中间的挤压通道部分以使其发生形变得到需要的组织结构；挤压过程中，通过温度传感器6监测挤压过程中的温度变化以便调节挤压节奏，更好地控制和完成钛合金件5的挤压变形。

可见，本发明将加热装置1与挤压模具2可拆卸密封连接，缩短了加热后转移到挤压模具2内的传递距离，减少热损失；整个过程都是在保护气体下进行，避免了钛合金件5在加热过程中受外界环境气体成分的影响，保护气体对挤压通道21有较好的预热作用，有效减小钛合金件5与挤压通道21的温差，防止钛合金件5与模具接触时表面温度骤降，使挤压过程中整个钛合金件5的温度、变形及组织更加均匀，避免挤压过程中内外层温差大造成的系列问题。利用升降装置驱动升降杆7推送钛合金件5，将钛合金件5精确上升于加热中心、下降到挤压通道21，将加热与挤压两个过程无缝连接，避免了加热后的钛合金件5转移到模具内的过程中被环境气体污染的问题。

实施时，所述电感应加热线圈4也可以是套在石英玻璃套管3的内壁32上，位于管壁内，或是设在石英玻璃套管3的外壁31的内侧，其加热和预热效果基本不变，还可以更好地避免电感应加热线圈4的热量散失造成热量损失或温度污染，但是石英玻璃套管3及其内部的电感应加热线圈4的制造就要相对复杂一些。

实施时，钛合金热压加热过程也不是必须基于上述钛合金热压加热机构形式，本发明同时还提供了一种钛合金热压加热方法，包括将钛合金件置于加热装置内，所述加热装置与挤压模具连接且加热装置的内腔与挤压模具上开设的挤压通道连通，所述挤压通道贯穿挤压模具，保持向加热装置内通入保护加热气体Ar，所述保护加热气体Ar依次经过加热装置的内腔和挤压通道后排出，吹扫加热装置和挤压通道内的杂质气体，持续保持向加热装置内通入保护加热气体Ar，加热装置工作对钛合金件进行加热，利用保护加热气体Ar的热量对挤压通道进行预热；钛合金件被加热至符合挤压条件的温度后，保持加热装置与挤压模具的连接并将钛合金件从加热装置内转移到挤压通道内；拆除加热装置与挤压模具的连接后利用外接挤压装置对挤压通道内的钛合金件进行挤压。

其中，所述保护加热气体Ar被通入加热装置之前经过了加热装置的周围并被加热装置预加热。这样，充分利用加热装置的热量，也避免加热装置的热量直接散失造成热量损失或温度污染。

上述的各技术方案，适用性强，都涉及了将加热装置1与挤压模具2连接以减少移动过程中被环境气体污染的可能性、缩短转移路径以减少热损失，通过加热装置1的内腔与挤压通道的连通，使保护加热气体Ar可以保护加热过程、转移过程，并能预热挤压通道，减少挤压时钛合金件5的内外层温度差，将加热后的钛合金件5在挤压通道内实施及时挤压，或是通过结构体现上述功能的实现。本领域的技术人员可充分体会其中原理，并可有效运用到类似其它金属材料的保护加热和挤压工艺中。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.钛合金热压加热方法，包括将钛合金件置于加热装置内加热，加热过程中保持向所述加热装置内通入保护加热气体Ar，其特征在于：所述加热装置与挤压模具连接且加热装置的内腔与挤压模具上开设的挤压通道连通，所述挤压通道贯穿挤压模具，所述保护加热气体Ar依次经过加热装置的内腔和挤压通道后排出，对挤压通道进行预热；钛合金件被加热至符合挤压条件的温度后，保持加热装置与挤压模具的连接并将钛合金件从加热装置内转移到挤压通道内；拆除加热装置与挤压模具的连接后对挤压通道内的钛合金件进行挤压。

2.根据权利要求1所述钛合金热压加热方法，其特征在于：在加热之前即完成所述加热装置与挤压模具的连接并保持向加热装置内通入保护加热气体Ar以吹扫加热装置和挤压通道内的杂质气体。

3.根据权利要求1所述钛合金热压加热方法，其特征在于：所述保护加热气体Ar被通入加热装置之前经过了加热装置的周围并被加热装置预加热。

4.钛合金热压加热机构，其特征在于：包括加热装置和挤压模具，所述加热装置为下端敞口的竖向石英玻璃套管，所述石英玻璃套管的管壁为中空的结构，包括外壁和内壁，所述外壁和内壁的下端封闭连接，所述内壁的上端敞口，所述外壁的上端封闭以使所述管壁的中空空间与内壁的内腔连通，所述外壁上开设有进气口，所述石英玻璃套管上套设有电感应加热线圈；所述进气口与内壁的上端敞口在竖向上具有高度差，进气口在下，所述电感应加热线圈在竖向上位于进气口与内壁的上端敞口之间；所述挤压模具上开设有竖向贯穿的挤压通道，所述石英玻璃套管可拆卸连接于挤压模具的上表面且石英玻璃套管的内腔与所述挤压通道连通。

5.根据权利要求4所述钛合金热压加热机构，其特征在于：所述石英玻璃套管的内腔和所述挤压通道内配合有可竖向移动的升降杆，所述升降杆的顶端固定设有样品平台以用于承载运送钛合金件；所述升降杆由升降装置驱动。

6.根据权利要求5所述钛合金热压加热机构，其特征在于：所述挤压通道朝向加热装置的一端具有向外逐渐扩大的渐变挤压段；所述渐变挤压段后边的挤压通道的内壁嵌入有若干温度传感器。

7.根据权利要求5所述钛合金热压加热机构，其特征在于：所述挤压通道由型腔、第一通道和第二通道构成，所述第一通道和第二通道同轴并分别位于型腔的上下方，所述第一通道和第二通道与型腔连通并分别贯穿挤压模具的上下表面，型腔的内壁嵌入有若干温度传感器。

8.根据权利要求6所述钛合金热压加热机构，其特征在于：所述石英玻璃套管的下端设有密封圈，所述挤压模具的上表面设有凹入的密封环槽，所述密封环槽的槽形与所述密封圈对应，所述石英玻璃套管通过所述密封圈插入密封环槽与挤压模具连接以增加连接密封性。

9.一种钛合金热压加热方法，其特征在于：本方法基于权利要求6或8所述的钛合金热压加热机构而进行，包括如下步骤：

1）将石英玻璃套管从挤压模具上拆除；

2）升降装置驱动升降杆和样品平台上升至设计的加热高度，在样品平台上放置钛合金件；

3）连接石英玻璃套管和挤压模具，同时石英玻璃套管的内腔与挤压通道连通；

4）从进气口持续通入保护加热气体Ar以吹扫石英玻璃套管和挤压通道内的杂质气体；

5）电感应加热线圈工作，对钛合金件进行加热，保护加热气体Ar仍保持持续通入，保护加热气体Ar从进气口进入石英玻璃套管的中空管壁内，上行过程中经过电感应加热线圈周围而被预加热，上行至外壁的上端封闭位置后从内壁的上端敞口处下行，经过钛合金件周围被进一步加热，继续下行经过并预热挤压通道；

6）钛合金件被加热至符合挤压条件的温度后，升降装置驱动升降杆和样品平台下降将钛合金件从石英玻璃套管内转移到挤压通道内，钛合金件落在挤压通道上部的渐变挤压段内；

7）快速拆除石英玻璃套管，随即从渐变挤压段的上方降下外接挤压头，对钛合金件实施挤压。

10.根据权利要求9所述一种钛合金热压加热方法，其特征在于：步骤4）中从进气口持续通入保护加热气体Ar的时长应大于一分钟；步骤6）中钛合金件被加热至符合挤压条件的温度后，下降之前，还应保温以确保钛合金件的温度均匀性；样品平台下降至挤压通道的下部，仍位于挤压通道内以防止外部气体上行侵入；步骤7）的挤压过程中，通过温度传感器监测挤压过程中的温度变化以便调节挤压节奏。