CN109719249A - 一种Ta1材料薄壁高筒件的胀形成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Ta1材料薄壁高筒件的胀形成形方法，包括下料坯料、加热保温、镦粗、冲孔、马架扩孔、平端面、预轧、胀形成形等步骤。本发明对下料坯料采用整体胀形的方式进行成形，单边余量可以减少至单边5mm～5.5mm，后续的加工余量小，加工的周期短，材料利用率高；采用本发明方法进行胀形成形后，锻件椭圆度可以控制在1mm～2mm以内，喇叭口可以控制在1mm～2mm以内，可以最大限度的减少机加量不均匀和减少局部应力释放的问题。

Description

一种Ta1材料薄壁高筒件的胀形成形方法

技术领域

本发明属于环形锻件的轧制成形技术领域，尤其涉及一种Ta1材料薄壁高筒件的胀形成形方法。

背景技术

钛及其合金已成为一种耐蚀结构材料。钛有许多明显优越的特性：密度小(4.5kg/m3)、熔点高(1660℃)、耐腐蚀性强、比强度高、塑性好，还可以过合金化及热处理的办法制造出力学性能高的各种合金，是较为理想的航天工程结构材料，因航空工业发展的需要，使钛工业以平均每年约8％的增长速度发展。使用最广泛的钛合金是Ti-6Al-4V(TC4)，Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工业纯钛(Ta1、TA2和TA3)。钛合金具有强度高而密度又小，机械性能好，韧性和抗蚀性能很好。但，钛合金的抗磨性差，工艺性能差，生产工艺复杂，切削加工困难，在热加工中，非常容易吸收氢氧氮碳等杂质。

Ta1是一种工业纯钛，材料强度不高，但塑性好，易于加工成行，Ta1材料环锻件产品常用于航空、航天、核电等领域，常规制造工艺生产的Ta1材料晶粒度一般在4级以下，很难达到6.5级以上，因此常常无法满足工业需要。

目前，随着轻量化构件在航空、航天、汽车、能源等领域的广泛应用，对轻质合金薄壁类零件的先进成形工艺提出了越来越高的要求。钛合金由于拥有轻质、强度高、耐腐蚀、耐高温等独特优点而被广泛应用于航天、航空、船舶、化工等领域。其中强力旋压成形应用较为广泛，材料旋压成形过程中，坯料变形处于三向压应力状态，可以提高材料的塑性能力。旋压前的坯料均为薄壁高筒件(外径φ1500～φ2700mm，高度850～950mm，壁厚30～50mm)，原成形方式为轧环成形，此种生产方法存在以下缺点：

1、轧环过程不可控因素过多，锻件坯料余量需单边留8mm～10mm，增加备料重量，材料利用率低，造成浪费，不符合可持续发展的要求；

2、轧环过程中不可避免的存在椭圆、喇叭口，粗加工时机加量不均匀，局部应力释放，会存在机加变形，过程中需调整加工，浪费工时。

关于钛合金胀形成形有一些文献报道，例如：

1、专利申请CN201410404243.1，公开了一种F22合金非等截面法兰环件锻造成形方法，包括锯切、镦粗、冲孔、胀形、轧制步骤，其中：所述镦粗步骤中，利用模具对棒材进行挤压，获得法兰环外形，通过调整轧制工艺、镦粗变形量，最终获得法兰环件。本发明的有益效果：通过模锻和轧制工艺的组合，提高了材料利用率和生产效率，最大限度地保证了锻件流线的完整性、并且机加工余量小。但是，该专利申请并不能解决锻件形成椭圆、喇叭口，局部应力释放和粗加工时机加量不均匀等问题。

2、专利申请CN201410378345.0，公开了一种钛合金大型异形环锻造成形方法，依次包括将所述钛合金棒材加热、镦粗、冲孔、扩孔、轧制步骤，其中：所述扩孔步骤包括利用倾斜的马杠扩孔、冲头胀形。有益效果：通过倾斜的马杠使环坯形成锥度，再通过冲头将一定锥度环坯胀形，最后轧制获得整体成形的锻件，减少了原材料浪费和机加工时，保持了锻件完整性和良好的综合性能。但是，该专利申请并不能解决锻件形成椭圆、喇叭口，局部应力释放等问题。

因此，研制出一种能够很好地解决上诉问题的Ta1材料薄壁高筒件胀形成形方法尤为重要。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供了一种Ta1材料薄壁高筒件的胀形成形方法。采用本发明方法进行胀形成形后，锻件椭圆度可以控制在1mm～2mm以内，喇叭口可以控制在1mm～2mm以内，单边余量可以减少至单边5mm～5.5mm，材料利用率高，减少原材料损耗，可以最大限度的减少机加量不均匀和减少局部应力释放的问题，锻件机加量均匀，应力释放均匀，锻件机加变形量少。

为了能够达到上述所述目的，本发明采用以下技术方案：

一种Ta1材料薄壁高筒件的胀形成形方法，包括以下步骤：

(1)下料坯料：根据坯料尺寸将Ta1棒材原材料进行下料坯料，锯切得到Ta1坯料；

(2)加热保温：将锯切好的Ta1坯料加热至1020±10℃并保温处理；

(3)镦粗、冲孔：将上述保温处理好的Ta1坯料进行镦粗、冲孔，获得矩形环坯1；

(4)马架扩孔、平端面：将上述矩形环坯1进行马架扩孔、平端面，获得矩形环坯2；

(5)预轧：将上述矩形环坯2进行预轧，获得矩形环坯3；

(6)胀形成形：将上述矩形环坯3进行胀形成为锻件，获得所述Ta1材料薄壁高筒件。

进一步地，在步骤(1)，所述Ta1棒材的主要化学元素含量按质量百分比如下：0.042％的Fe、0.012％的C、0.0037％的N、0.005％的H、0.049％的O，余量元素为Ti和不可避免的杂质，且杂质总量≤0.20，单一杂质含量≤0.05。

进一步地，在步骤(1)，所述坯料尺寸为φ1000×652。

进一步地，在步骤(2)，所述保温的时间为：棒材的有效厚度×8min/10mm。

进一步地，在步骤(3)，所述镦粗、冲孔的变形量为27～32％；所述矩形环坯1的尺寸为φ880×φ280×890。

进一步地，在步骤(4)，所述马架扩孔的变形量为40～55％；所述矩形环坯2的尺寸为φ1250×φ950×870。

进一步地，在步骤(5)，所述预轧工序的轧制力为635～660T；所述矩形环坯3的尺寸为φ2737×φ2600×860。

进一步地，在步骤(5)及(6)，所述预轧变形量为55～65％、所述胀形成形的变形量为10～20％。

进一步地，在步骤(6)，所述锻件的晶粒度≥6.5；所述Ta1材料薄壁高筒件的尺寸为φ2775×φ2650×860。

进一步地，在步骤(1)～(6)，每个步骤完成后坯料温度不低于850℃。

本申请坯料的胀形成形原理为：坯料通过保温处理后，在镦粗、冲孔、马架扩孔、平端面和预轧的处理步骤过程中，坯料的径向整体进行受力，使坯料的径向向外挤压，坯料整体进行长大，因为受力方向为径向且整体均匀变形，使得坯料椭圆度、喇叭口情况的尺寸良好，对于薄壁件可以达到减少单边余量的目的，从而减少原材料损耗。

本发明所用Ta1棒材的主要化学元素含量(重量百分比)的技术指标符合以下要求：Fe≤0.07％、C≤0.06％、N≤0.03％、H≤0.007％、O≤0.08％，余量元素为Ti和不可避免的杂质，且杂质总量≤0.4，单一杂质含量≤0.1。

按照GB/T6394-2002《金属平均晶粒度测定方法》检测，本发明TA1材料薄壁高筒件的晶粒度为≥6.5级。

由于本发明采用了以上技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明对下料坯料采用整体胀形的方式进行成形，单边余量可以减少至单边5mm～5.5mm，后续的加工余量小，加工的周期短，材料利用率高，减少原材料损耗。

(2)采用本发明方法进行胀形成形后，锻件椭圆度可以控制在1mm～2mm以内，喇叭口可以控制在1mm～2mm以内，可以最大限度的减少机加量不均匀和减少局部应力释放的问题。

(3)本发明方法进行胀形成形的TA1材料薄壁高筒件具有优良的内部组织和性能，完全满足了该合金锻件的使用要求。

(4)本申请方法处理方法使得Ta1材料薄壁高筒件机加量均匀，应力释放均匀，锻件机加变形量少。

(5)本发明侧重点在于通过胀形的方法保证锻件成形，获得锻件尺寸状态达到最好，即锻件椭圆度≤2mm，在前期制坯过程中保证锻件的性能，为后续处理做好准备，使得锻件在后续胀形过程中得以顺利进行，最终达到前期备料及设计锻件尺寸时锻件单边余量可以减少至单边5mm，从而减少备料、机加量等损耗，达到降低成本的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实例或现有技术中的技术方案，下面将对实施实例或现有技术描述中所需要的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为本申请所述锻件胀形的结构示意图；

图2为本申请所述Ta1坯料的结构示意图；

图3为本申请所述矩形环坯1的结构示意图；

图4为本申请所述马架扩孔的结构示意图；

图5为本申请所述预轧工序的结构示意图；

附图中：1-锻件坯料；2-胀形模具；3-棱锥；4-上砧；5-马杠；6-锻件；7-马架；8-锥辊；9-芯辊；10-主辊；11-抱辊1；12-抱辊2。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或代替，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。

实施例1

一种Ta1材料薄壁高筒件的胀形成形方法，包括以下步骤：

(1)下料坯料：根据坯料尺寸将Ta1棒材原材料进行下料坯料，锯切得到Ta1坯料；所述Ta1棒材的主要化学元素含量按质量百分比如下：0.042％的Fe、0.012％的C、0.0037％的N、0.005％的H、0.049％的O，余量元素为Ti和不可避免的杂质，且杂质总量≤0.20，单一杂质含量≤0.05；所述坯料尺寸为φ1000×652；

(2)加热保温：将锯切好的Ta1坯料加热至1020±10℃并保温处理；所述保温的时间为：棒材的有效厚度×8min/10mm；

(3)镦粗、冲孔：将上述保温处理好的Ta1坯料进行镦粗、冲孔，获得矩形环坯1；所述镦粗、冲孔的变形量为27％；所述矩形环坯1的尺寸为φ880×φ280×890；

(4)马架扩孔、平端面：将上述矩形环坯1进行马架扩孔、平端面，获得矩形环坯2；所述马架扩孔的变形量为40％；所述矩形环坯2的尺寸为φ1250×φ950×870；

(5)预轧：将上述矩形环坯2进行预轧，获得矩形环坯3；所述预轧工序的轧制力为635T；所述矩形环坯3的尺寸为φ2737×φ2600×860；

(6)胀形成形：将上述矩形环坯3进行胀形成为锻件，获得所述Ta1材料薄壁高筒件；所述锻件的晶粒度≥6.5；所述Ta1材料薄壁高筒件的尺寸为φ2775×φ2650×860。

进一步地，在步骤(5)及(6)，所述预轧变形量为62％、所述胀形成形的变形量为12.9％；在步骤(1)～(6)，每个步骤完成后坯料温度不低于850℃。

实施例2

一种Ta1材料薄壁高筒件的胀形成形方法，包括以下步骤：

(1)下料坯料：根据坯料尺寸将Ta1棒材原材料进行下料坯料，锯切得到Ta1坯料；所述Ta1棒材的主要化学元素含量按质量百分比如下：0.042％的Fe、0.012％的C、0.0037％的N、0.005％的H、0.049％的O，余量元素为Ti和不可避免的杂质，且杂质总量≤0.20，单一杂质含量≤0.05；所述坯料尺寸为φ1000×652；

(2)加热保温：将锯切好的Ta1坯料加热至1020±10℃并保温处理；所述保温的时间为：棒材的有效厚度×8min/10mm；

(3)镦粗、冲孔：将上述保温处理好的Ta1坯料进行镦粗、冲孔，获得矩形环坯1；所述镦粗、冲孔的变形量为32％；所述矩形环坯1的尺寸为φ880×φ280×890；

(4)马架扩孔、平端面：将上述矩形环坯1进行马架扩孔、平端面，获得矩形环坯2；所述马架扩孔的变形量为40～55％；所述矩形环坯2的尺寸为φ1250×φ950×870；

(5)预轧：将上述矩形环坯2进行预轧，获得矩形环坯3；所述预轧工序的轧制力为660T；所述矩形环坯3的尺寸为φ2737×φ2600×860；

(6)胀形成形：将上述矩形环坯3进行胀形成为锻件，获得所述Ta1材料薄壁高筒件；所述锻件的晶粒度≥6.5；所述Ta1材料薄壁高筒件的尺寸为φ2775×φ2650×860。

进一步地，在步骤(5)及(6)，所述预轧变形量为61％；所述胀形成形的变形量为15％；在步骤(1)～(6)，每个步骤完成后坯料温度不低于850℃。

实施例3

一种Ta1材料薄壁高筒件的胀形成形方法，包括以下步骤：

(1)下料坯料：根据坯料尺寸将Ta1棒材原材料进行下料坯料，锯切得到Ta1坯料；所述Ta1棒材的主要化学元素含量按质量百分比如下：0.042％的Fe、0.012％的C、0.0037％的N、0.005％的H、0.049％的O，余量元素为Ti和不可避免的杂质，且杂质总量≤0.20，单一杂质含量≤0.05；所述坯料尺寸为φ1000×652；

(2)加热保温：将锯切好的Ta1坯料加热至1020±10℃并保温处理；所述保温的时间为：棒材的有效厚度×8min/10mm；

(3)镦粗、冲孔：将上述保温处理好的Ta1坯料进行镦粗、冲孔，获得矩形环坯1；所述镦粗、冲孔的变形量为28％；所述矩形环坯1的尺寸为φ880×φ280×890；

(4)马架扩孔、平端面：将上述矩形环坯1进行马架扩孔、平端面，获得矩形环坯2；所述马架扩孔的变形量为45％；所述矩形环坯2的尺寸为φ1250×φ950×870；

(5)预轧：将上述矩形环坯2进行预轧，获得矩形环坯3；所述预轧工序的轧制力为640T；所述矩形环坯3的尺寸为φ2737×φ2600×860；

(6)胀形成形：将上述矩形环坯3进行胀形成为锻件，获得所述Ta1材料薄壁高筒件；所述锻件的晶粒度≥6.5；所述Ta1材料薄壁高筒件的尺寸为φ2775×φ2650×860。

进一步地，在步骤(5)及(6)，所述预轧变形量为60％；所述胀形成形的变形量为16％；在步骤(1)～(6)，每个步骤完成后坯料温度不低于850℃。

实施例4

一种Ta1材料薄壁高筒件的胀形成形方法，包括以下步骤：

(1)下料坯料：根据坯料尺寸将Ta1棒材原材料进行下料坯料，锯切得到Ta1坯料；所述Ta1棒材的主要化学元素含量按质量百分比如下：0.042％的Fe、0.012％的C、0.0037％的N、0.005％的H、0.049％的O，余量元素为Ti和不可避免的杂质，且杂质总量≤0.20，单一杂质含量≤0.05；所述坯料尺寸为φ1000×652；

(2)加热保温：将锯切好的Ta1坯料加热至1020±10℃并保温处理；所述保温的时间为：棒材的有效厚度×8min/10mm；

(3)镦粗、冲孔：将上述保温处理好的Ta1坯料进行镦粗、冲孔，获得矩形环坯1；所述镦粗、冲孔的变形量为31％；所述矩形环坯1的尺寸为φ880×φ280×890；

(4)马架扩孔、平端面：将上述矩形环坯1进行马架扩孔、平端面，获得矩形环坯2；所述马架扩孔的变形量为50％；所述矩形环坯2的尺寸为φ1250×φ950×870；

(5)预轧：将上述矩形环坯2进行预轧，获得矩形环坯3；所述预轧工序的轧制力为650T；所述矩形环坯3的尺寸为φ2737×φ2600×860；

(6)胀形成形：将上述矩形环坯3进行胀形成为锻件，获得所述Ta1材料薄壁高筒件；所述锻件的晶粒度≥6.5；所述Ta1材料薄壁高筒件的尺寸为φ2775×φ2650×860。

进一步地，在步骤(5)及(6)，所述预轧变形量为59％；所述胀形成形的变形量为17.6％；在步骤(1)～(6)，每个步骤完成后坯料温度不低于850℃。

实施例5

一种Ta1材料薄壁高筒件的胀形成形方法，包括以下步骤：

(1)下料坯料：根据坯料尺寸将Ta1棒材原材料进行下料坯料，锯切得到Ta1坯料；所述Ta1棒材的主要化学元素含量按质量百分比如下：0.042％的Fe、0.012％的C、0.0037％的N、0.005％的H、0.049％的O，余量元素为Ti和不可避免的杂质，且杂质总量≤0.20，单一杂质含量≤0.05；所述坯料尺寸为φ1000×652；

(2)加热保温：将锯切好的Ta1坯料加热至1020±10℃并保温处理；所述保温的时间为：棒材的有效厚度×8min/10mm；

(3)镦粗、冲孔：将上述保温处理好的Ta1坯料进行镦粗、冲孔，获得矩形环坯1；所述镦粗、冲孔的变形量为30％；所述矩形环坯1的尺寸为φ880×φ280×890；

(4)马架扩孔、平端面：将上述矩形环坯1进行马架扩孔、平端面，获得矩形环坯2；所述马架扩孔的变形量为48％；所述矩形环坯2的尺寸为φ1250×φ950×870；

(5)预轧：将上述矩形环坯2进行预轧，获得矩形环坯3；所述预轧工序的轧制力为645T；所述矩形环坯3的尺寸为φ2737×φ2600×860；

(6)胀形成形：将上述矩形环坯3进行胀形成为锻件，获得所述Ta1材料薄壁高筒件；所述锻件的晶粒度≥6.5；所述Ta1材料薄壁高筒件的尺寸为φ2775×φ2650×860。

进一步地，在步骤(5)及(6)，所述预轧变形量为58％、胀形成形的变形量为19％；在步骤(1)～(6)，每个步骤完成后坯料温度不低于850℃。

对比例1

按照专利申请CN201410404243.1(发明名称：一种F22合金非等截面法兰环件锻造成形方法)中的实施例进行。

对比例2

按照专利申请CN201410378345.0(发明名称：一种钛合金大型异形环锻造成形方法)中的实施例进行。

采用本申请实施例1～5和对比例1～2所给出的方法对Ta1材料薄壁高筒件进行锻造成形处理，发现对比例1和2方法制得的锻件不可避免的存在椭圆、喇叭口和局部应力释放不均匀的问题，粗加工时还会出现机加量不均匀的问题，且单边余量需留出厚度大，增加备料重量，材料利用率低，造成浪费；而本申请实施例1～5方法均为出现上述问题，且单边余量可以减少至单边5mm～5.5mm，减少原材料损耗，可以最大限度的减少机加量不均匀和减少局部应力释放的问题，锻件机加量均匀，应力释放均匀。

综上所述，采用本发明的方法进行胀形成形后，锻件椭圆度可以控制在1mm～2mm以内，喇叭口可以控制在1mm～2mm以内，单边余量可以减少至单边5mm～5.5mm，材料利用率高，减少原材料损耗，可以最大限度的减少机加量不均匀和减少局部应力释放的问题，锻件机加量均匀，应力释放均匀，锻件机加变形量少。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在没有背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同腰间的含义和范围内的所有变化囊括在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种Ta1材料薄壁高筒件的胀形成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)下料坯料：根据坯料尺寸将Ta1棒材原材料进行下料坯料，锯切得到Ta1坯料；

(2)加热保温：将锯切好的Ta1坯料加热至1020±10℃并保温处理；

(3)镦粗、冲孔：将上述保温处理好的Ta1坯料进行镦粗、冲孔，获得矩形环坯1；

(4)马架扩孔、平端面：将上述矩形环坯1进行马架扩孔、平端面，获得矩形环坯2；

(5)预轧：将上述矩形环坯2进行预轧，获得矩形环坯3；

(6)胀形成形：将上述矩形环坯3进行胀形成为锻件，获得所述Ta1材料薄壁高筒件。

2.根据权利要求1所述的一种Ta1材料薄壁高筒件的胀形成形方法，其特征在于：在步骤(1)，所述Ta1棒材的主要化学元素含量按质量百分比如下：0.042％的Fe、0.012％的C、0.0037％的N、0.005％的H、0.049％的O，余量元素为Ti和不可避免的杂质，且杂质总量≤0.20，单一杂质含量≤0.05。

3.根据权利要求1所述的一种Ta1材料薄壁高筒件的胀形成形方法，其特征在于：在步骤(1)，所述坯料尺寸为φ1000×652。

4.根据权利要求1所述的一种Ta1材料薄壁高筒件的胀形成形方法，其特征在于：在步骤(2)，所述保温的时间为：棒材的有效厚度×8min/10mm。

5.根据权利要求1所述的一种Ta1材料薄壁高筒件的胀形成形方法，其特征在于：在步骤(3)，所述镦粗、冲孔的变形量为27～32％；所述矩形环坯1的尺寸为φ880×φ280×890。

6.根据权利要求1所述的一种Ta1材料薄壁高筒件的胀形成形方法，其特征在于：在步骤(4)，所述马架扩孔的变形量为40～55％；所述矩形环坯2的尺寸为φ1250×φ950×870。

7.根据权利要求1所述的一种Ta1材料薄壁高筒件的胀形成形方法，其特征在于：在步骤(5)，所述预轧工序的轧制力为635～660T；所述矩形环坯3的尺寸为φ2737×φ2600×860。

8.根据权利要求1所述的一种Ta1材料薄壁高筒件的胀形成形方法，其特征在于：在步骤(5)及(6)，所述预轧变形量为55～65％、所述胀形成形的变形量为10～20％。

9.根据权利要求1所述的一种Ta1材料薄壁高筒件的胀形成形方法，其特征在于：在步骤(6)，所述锻件的晶粒度≥6.5；所述Ta1材料薄壁高筒件的尺寸为φ2775×φ2650×860。

10.根据权利要求1所述的一种Ta1材料薄壁高筒件的胀形成形方法，其特征在于：在步骤(1)～(6)，每个步骤完成后坯料温度不低于850℃。