CN112222772A - 一种用于壁厚可变的钛合金半球型壳体的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于壁厚可变的钛合金半球型壳体的制备方法，钛合金半球型壳体上设有壁厚加厚部分与壁厚等厚部分，壁厚加厚部分的壁厚大于壁厚等厚部分的壁厚，该方法包括利用扩散连接工艺在等厚板材上扩散连接出壁厚加厚部分，然后在通过超塑成形工艺对已经具有壁厚加厚部分的板材进行加工，制备出钛合金半球型壳体的毛坯，通过采用扩散连接工艺在等厚板材上扩散连接出壁厚加厚部分，针对钛合金半球型壳体厚壁区进行局部厚度补偿，消除成形后钛合金半球型壳体毛坯无法包络最终零件的风险，提高超塑成形后机械加工的成功率，同时减少机械加工和材料成本投入，减小加工应力的产生。

Description

一种用于壁厚可变的钛合金半球型壳体的制备方法

技术领域

本发明涉及领域钛合金半球型零件加工技术领域，特别是涉及一种用于壁厚可变的钛合金半球型壳体的制备方法。

背景技术

钛合金具有比强度高、无磁性、耐腐蚀等特点，在航天、航空领域得到广泛的应用。传统的钛合金半球型壳体零件制备主要以锻造成形、冲压成形等方法为主，随着半球型壳体零件结构向轻量化、大型化的发展，对其制造技术提出了更为严苛的要求。传统制备工艺工装模具投入成本高、生产效率低、成品率低、受机床吨位限制等弊端逐渐显现出来，取而代之的是先进的超塑成形技术制备钛合金半球型壳体零件的方法。

超塑成形技术是利用材料特定温度下具有的优异的拉伸变形性能，在较小应力的作用力实现零件成形的过程。超塑成形技术尤其适合钛合金等难成形材料零件的制备，所需工装模具结构简单、数量少，对机床设备要求不高，成形后零件具有尺寸稳定、无残余应力，表面质量好等优点。目前主要通过对钛合金等厚板材的超塑成形制备出小加工余量的半球型壳体毛坯，再机械加工完成钛合金半球型壳体最终零件的制备。

超塑成形技术制备钛合金半球型壳体时，等厚板材在高压惰性气体驱动下自由胀形，钛合金材料相对均匀地拉伸减薄，最后贴合模具型面，成形后的半球型壳体毛坯壁厚较为均匀。对于壁厚差较小的半球型壳体最终零件，显然壁厚越均匀越能够满足后续机械加工的需求。而对于大壁厚差的半球型壳体最终零件，存在半球型壳体毛坯不能包络半球型壳体最终零件的风险。虽然通过增加板材厚度的方法可以整体增加半球型壳体毛坯壁厚，弥补零件厚壁区加工余量的不足，但同时会增加零件薄壁区机械加工量，降低生产效率、增加材料和加工成本，削弱采用超塑成形技术制备半球型壳体所具有的优势。此外，等厚板材超塑成形的半球型壳体毛坯壁厚较为均匀，而半球型壳体最终零件壁厚差较大，机械加工量存在显著差异，半球型壳体最终零件内部会产生不均衡的加工应力，对于尺寸较大的薄壁半球型壳体零件必然产生一定的形变，影响后续装配和使用。

因此，针对大壁厚差半球型壳体零件，超塑成形后半球型壳体毛坯存在的加工余量不足的问题，本发明提供了一种壁厚可变的钛合金半球型壳体毛坯的制备方法，改进超塑成形后半球型壳体毛坯的壁厚分布，均化加工余量，提高机械加工后半球型壳体零件的合格率。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了用于壁厚可变的钛合金半球型壳体的制备方法，通过采用扩散连接工艺在等厚板材上扩散连接出壁厚加厚部分，针对钛合金半球型壳体零件厚壁区进行局部厚度补偿，消除成形后钛合金半球型壳体毛坯无法包络最终零件的风险，提高超塑成形后机械加工的成功率，同时减少机械加工和材料成本投入，减小加工应力的产生。

(2)技术方案

第一方面，本发明的实施例提出了一种用于壁厚可变的钛合金半球型壳体的制备方法，所述钛合金半球型壳体上设有壁厚加厚部分与壁厚等厚部分，所述壁厚加厚部分的壁厚大于所述壁厚等厚部分的壁厚，所述方法包括步骤一：利用扩散连接工艺在等厚板材上扩散连接出所述壁厚加厚部分；步骤二：在通过超塑成形工艺对已经具有所述壁厚加厚部分的所述等厚板材进行加工出所述钛合金半球型壳体的毛坯；步骤三：对所述钛合金半球型壳体毛坯进行包络得到所述钛合金壳体零件。

进一步地，在所述步骤一之前，还包括根据所述钛合金壳体零件的外形尺寸、壁厚加厚部分的位置和大小，计算板坯、加厚板以及工艺板的初始外形尺寸。

进一步地，根据所述板坯、所述加厚板以及所述工艺板的初始外形尺寸对所述等厚板材进行加工，并在所述板坯上打磨待扩散连接表面直至表面粗糙度至Ra3.2以下。

进一步地，对所述板坯、所述加厚板和所述工艺板进行除油和酸洗处理。

进一步地，将所述加厚板焊接到所述板坯的待扩散连接表面上，将所述工艺板覆盖所述加厚板上并沿所述板坯的周向将所述工艺板焊接到所述板坯上，在所述板坯的周向形成一焊缝，所述焊缝上设有缺口，所述缺口上焊接有管接头，所述加厚板设于所述工艺板与所述板坯焊接后所形成的空间内。

进一步地，所述管接头用于连接外部真空系统对所述空间的内部进行抽真空，所述缺口包括所述焊缝的焊接起点与所述焊缝的焊接终点，且所述缺口的长度为10mm。

进一步地，所述加厚板包括第一加厚板)和第二加厚板，所述第一加厚板的外形尺寸小于所述第二加厚板的外形尺寸。

进一步地，对所述板坯、所述加厚板以及所述工艺板焊接一体后的结构的外表面喷涂隔离剂。

进一步地，所述超塑成形工艺包括将所述板坯、所述加厚板以及所述工艺板焊接一体后的结构装配到半球型壳体超塑成型模具中，并将所述半球型壳体超塑成型模具与所述板坯、所述加厚板以及所述工艺板焊接一体后的结构共同放置加热炉中，将所述管接头与所述外部真空系统连接，对所述板坯、所述加厚板以及所述工艺板焊接一体后的结构的所述空间的内部进行抽真空，然后开启所述加热炉进行升温。

进一步地，当所述半球型壳体超塑成型模具的温度达到预设值后，对所述半球型壳体超塑成型模具施加压力，并向所述半球型壳体超塑成型模具腔内通入预设压力的惰性气体，保持所述半球型壳体超塑成型模具的温度与压力超过预设时间后，依次卸载所述惰性气体的预设压力以及所述施加压力，得到所述钛合金半球型壳体毛坯。

(3)有益效果

综上，本发明通过采用扩散连接工艺在等厚板材上扩散连接出壁厚加厚部分，针对钛合金半球型壳体厚壁区进行局部厚度补偿，消除成形后钛合金半球型壳体毛坯无法包络最终零件的风险，提高超塑成形后机械加工的成功率，同时减少机械加工和材料成本投入，减小加工应力的产生，改进超塑成形后半球壳体毛坯的壁厚分布，均化加工余量，提高机械加工后半球壳体零件的合格率。

对于存在明显壁厚差的钛合金半球型壳体，采用本方法可以有效节约原始板材，提高材料利用率，可均衡钛合金半球壳体毛坯机械加工余量，加工过程中减小产生的内部应力，从而抑制加工后钛合金半球型壳体零件的形变。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的工艺板结构示意图。

图2是本发明的加厚板的结构示意图。

图3是本发明的板坯的结构示意图。

图4是本发明的板坯、加厚板与工艺板焊接后的结构示意图。

图5是本发明的变壁厚包络工具的结构示意图

图中：

1-工艺板；2-第一加厚板；3-第二加厚板；4-板坯；5-管接头；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1是本发明实施例的工艺板结构示意图，图2是本发明的加厚板的结构示意图，图3是本发明的板坯的结构示意图，图4是本发明的板坯、加厚板与工艺板焊接后的结构示意图，如图1至图4所示，该一种用于壁厚可变的钛合金半球型壳体的制备方法，钛合金半球型壳体上设有壁厚加厚部分与壁厚等厚部分，壁厚加厚部分的壁厚大于壁厚等厚部分的壁厚，该方法包括步骤一：利用扩散连接工艺在等厚板材上扩散连接出壁厚加厚部分；步骤二：在通过超塑成形工艺对已经具有壁厚加厚部分的等厚板材进行加工出钛合金半球型壳体的毛坯；步骤三：对钛合金半球型壳体毛坯进行包络得到钛合金壳体零件。

本发明通过采用扩散连接工艺在等厚板材上扩散连接出壁厚加厚部分，针对钛合金半球型壳体厚壁区进行局部厚度补偿，消除成形后钛合金半球型壳体毛坯无法包络最终零件的风险，提高超塑成形后机械加工的成功率，同时减少机械加工和材料成本投入，减小加工应力的产生，改进超塑成形后半球壳体毛坯的壁厚分布，均化加工余量，提高机械加工后半球壳体零件的合格率。

作为一种优选实施方式，如图1至图3所示，在步骤一之前，还包括根据钛合金半球型壳体零件的外形尺寸、壁厚加厚部分的位置和大小，计算板坯4、加厚板以及工艺板1的初始外形尺寸。通过确定钛合金半球型壳体零件的壁厚加厚部分的位置和大小，对于存在明显壁厚差的钛合金半球型壳体，可以有效节约原始板材，提高材料利用率。本发明采用高压水切割等方法对等厚板材进行加工得到计算板坯、加厚板以及工艺板的初始外形尺寸。

作为另一种优选实施方式，如图1至图3所示，根据板坯4、加厚板以及工艺板1的初始外形尺寸对等厚板材进行加工，并在板坯4上打磨待扩散连接表面直至表面粗糙度至Ra3.2以下。将表面粗糙度至Ra3.2以下，使的待扩散连接表面平整无缺陷，便于加厚板与工艺板的覆盖与焊接。

作为其他可选实施方式。

优选地，如图1至图3所示，对板坯4、加厚板和工艺板1进行除油和酸洗处理。保障对板坯、加厚板和工艺板表面不应存在水渍、残留酸印，保证表面清洁度，便于后续三者的焊接。

优选地，如图4所示，将加厚板焊接到板坯1的待扩散连接表面上，将工艺板1覆盖加厚板上并沿板坯4的周向将工艺板1焊接到板坯4上，在板坯4的周向形成一焊缝，焊缝上设有缺口，缺口上焊接有管接头5，加厚板设于工艺板1与板坯4焊接后所形成的空间内。

优选地，如图4所示，管接头5用于连接外部真空系统对该空间的内部进行抽真空，缺口包括焊缝的焊接起点与焊缝的焊接终点，且缺口的长度为10mm。用抽真空的方法检查气密性，验证板坯4、加厚板和工艺板1三者焊接密封，保障后续在加热之前能够通过抽真空将加厚板设于工艺板1与板坯4焊接后所形成的空间内处于真空状态，便于后续加热成型过程中不受内部空气压力的作用而导致表面不平整或成型精度不够。

优选地，如图2所示，加厚板包括第一加厚板2和第二加厚板3，第一加厚板2的外形尺寸小于第二加厚板3的外形尺寸。

优选地，如图4所示，对板坯4、加厚板以及工艺板1焊接一体后的结构的外表面喷涂隔离剂。

优选地，超塑成形工艺包括将板坯4、加厚板以及工艺板1焊接一体后的结构装配到钛合金半球型壳体超塑成型模具中，并将钛合金半球型壳体超塑成型模具与板坯4、加厚板以及工艺板1焊接一体后的结构共同放置加热炉中，将管接头5与外部真空系统连接，对板坯4、加厚板以及工艺板1焊接一体后的结构的所述空间的内部进行抽真空，然后开启加热炉进行升温。

优选地，如图5所示，当钛合金半球型壳体超塑成型模具的温度达到预设值后，对半球型壳体超塑成型模具施加压力，并向钛合金半球型壳体超塑成型模具腔内通入预设压力的惰性气体，保持钛合金半球型壳体超塑成型模具的温度与压力超过预设时间后，依次卸载所述惰性气体的预设压力以及施加压力，得到钛合金半球型壳体毛坯。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种用于壁厚可变的钛合金半球型壳体的制备方法，所述钛合金半球型壳体上设有壁厚加厚部分与壁厚等厚部分，所述壁厚加厚部分的壁厚大于所述壁厚等厚部分的壁厚，其特征在于，所述方法包括：

步骤一：利用扩散连接工艺在等厚板材上扩散连接出所述壁厚加厚部分；

步骤二：在通过超塑成形工艺对已经具有所述壁厚加厚部分的所述等厚板材进行加工，制备出所述钛合金半球型壳体的毛坯；

步骤三：所述钛合金半球型壳体毛坯包络所述钛合金壳体零件。

2.根据权利要求1所述的用于壁厚可变的钛合金半球型壳体的制备方法，其特征在于，在所述步骤一之前，还包括根据所述钛合金半球型壳体零件的外形尺寸、壁厚加厚部分的位置和大小，计算板坯(4)、加厚板以及工艺板(1)的初始外形尺寸。

3.根据权利要求2所述的用于壁厚可变的钛合金半球型壳体的制备方法，其特征在于，根据所述板坯(4)、所述加厚板以及所述工艺板(1)的初始外形尺寸对所述等厚板材进行加工，并在所述板坯(4)上打磨待扩散连接表面直至表面粗糙度至Ra3.2以下。

4.根据权利要求3所述的用于壁厚可变的钛合金半球型壳体的制备方法，其特征在于，对所述板坯(4)、所述加厚板和所述工艺板(1)进行除油和酸洗处理。

5.根据权利要求4所述的用于壁厚可变的钛合金半球型壳体的制备方法，其特征在于，将所述加厚板焊接到所述板坯(1)的待扩散连接表面上，将所述工艺板(1)覆盖所述加厚板上并沿所述板坯(4)的周向将所述工艺板(1)焊接到所述板坯(4)上，在所述板坯(4)的周向形成一焊缝，所述焊缝上设有缺口，所述缺口上焊接有管接头(5)，所述加厚板设于所述工艺板(1)与所述板坯(4)焊接后所形成的空间内。

6.根据权利要求5所述的用于壁厚可变的钛合金半球型壳体的制备方法，其特征在于，所述管接头(5)用于连接外部真空系统对所述空间的内部进行抽真空，所述缺口包括所述焊缝的焊接起点与所述焊缝的焊接终点，且所述缺口的长度为10mm。

7.根据权利要求5所述的用于壁厚可变的钛合金半球型壳体的制备方法，其特征在于，所述加厚板包括第一加厚板(2)和第二加厚板(3)，所述第一加厚板(2)的外形尺寸小于所述第二加厚板(3)的外形尺寸。

8.根据权利要求7所述的用于壁厚可变的钛合金半球型壳体的制备方法，其特征在于，对所述板坯(4)、所述加厚板以及所述工艺板(1)焊接一体后的结构的外表面喷涂隔离剂。

9.根据权利要求8所述的用于壁厚可变的钛合金半球型壳体的制备方法，其特征在于，所述超塑成形工艺包括将所述板坯(4)、所述加厚板以及所述工艺板(1)焊接一体后的结构装配到钛合金半球型壳体超塑成型模具中，并将所述钛合金半球型壳体超塑成型模具与所述板坯(4)、所述加厚板以及所述工艺板(1)焊接一体后的结构共同放置加热炉中，将所述管接头(5)与所述外部真空系统连接，对所述板坯(4)、所述加厚板以及所述工艺板(1)焊接一体后的结构的所述空间的内部进行抽真空，然后开启所述加热炉进行升温。

10.根据权利要求9所述的用于壁厚可变的钛合金半球型壳体的制备方法，其特征在于，当所述钛合金半球型壳体超塑成型模具的温度达到预设值后，对所述钛合金半球型壳体超塑成型模具施加压力，并向所述钛合金半球型壳体超塑成型模具腔内通入预设压力的惰性气体，保持所述钛合金半球型壳体超塑成型模具的温度与压力超过预设时间后，依次卸载所述惰性气体的预设压力以及所述施加压力，得到所述钛合金半球型壳体毛坯。

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