CN112453299A - 航空航天钛合金板材应变诱发式半固态多点模压成形工艺 - Google Patents

航空航天钛合金板材应变诱发式半固态多点模压成形工艺 Download PDF

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Abstract

航空航天钛合金板材应变诱发式半固态多点模压成形工艺，先对原始钛合金板料进行冷锻加工，获得聚集应变能钛合金板材；然后将聚集应变能钛合金板材放入感应加热炉进行加热和保温处理，然后采用应变诱发熔体活化法制备半固态钛合金板材；再将半固态钛合金板材放置在多点模具中，调整多点模具的基本体阵列的成形面形状，使用压力机推动多点模具的上模具体，对半固态钛合金板材进行半固态多点模压热成形得到半固态成形钛合金板材；最后对半固态成形钛合金板材进行板材等温热处理，然后进行精加工获得最终的钛合金零件；本发明提高了加工效率和成形质量，缩短了工时；成形范围比较宽，可实现柔性制造。

Description

航空航天钛合金板材应变诱发式半固态多点模压成形工艺
技术领域
本发明属于钛合金零件热成形技术领域，具体涉及航空航天钛合金板材应变诱发式半固态多点模压成形工艺。
背景技术
随着制造业的发展，具有良好力学性能的钛合金板材的需求量越来越大，钛及钛合金因密度小、比强度高、耐腐蚀、耐高温、无磁、焊接性能好等优良综合功能，广泛应用于飞机起落架部件、框、梁、机身蒙皮、隔热罩、压气机盘、叶片、鼓筒、高压压气机转子和压气机机匣等部件。航天飞行器在超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀等极端条件下工作，除需要高超的结构设计技术外，还依赖材料所具有的优异特性和功能。钛合金在制造燃料储箱、火箭发动机壳体、火箭喷嘴导管、人造卫星外壳等方面得到了典型应用。由于钛合金材料优异的性能，某些航空飞行器的重点部位也采用钛合金材料制造。
钛合金板材的现有热成形方法是首先对坯料进行初步成形，然后在模具里将材料加热至800-900℃进行热冲压再成形。其中在模具中加热后的热冲压过程易出现多种缺陷如：材料内部组织无法形成球化组织、易发生回弹变形、热处理的效果不佳等；此外，在热加工过程中，整体工时长，生产效率低，无法完成高效生产；在航空薄壁结构件中，不同的零件具有不同的型面，针对每一种型面都需要单独的模具，这样导致单个压力机生产的零件形状单一。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种航空航天钛合金板材应变诱发式半固态多点模压成形工艺，半固态成形的显微组织(颗粒状、非枝晶状)在固液两相区具有很好的流动性，成形性好，提高了加工效率和成形质量，缩短了工时；多点模压成形将整体模具离散化，改变基本体的包络面形状成形不同的型面，成形范围比较宽，可实现柔性制造，并且不仅可以进行中厚板成形，采用压边技术也能进行薄板多点成形，通过分段多点成形工艺能够实现大尺寸零件的成形。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
航空航天钛合金板材应变诱发式半固态多点模压成形工艺，包括以下步骤：
1)板材初步成形：先准备用于航空航天的厚度为t0的原始钛合金板料1-1，使用压力机对原始钛合金板料1-1进行冷锻加工，使壁厚减薄为t1，通过冷加工过程获得聚集应变能钛合金板材1-2；
2)半固态板材制备：将聚集应变能钛合金板材1-2放入感应加热炉进行加热和保温处理，然后采用应变诱发熔体活化法制备半固态坯料，控制加热温度为钛合金的半固态温度段1000℃以上，并保温5～30min，以获得固相分数在40％～60％之间且具有平均晶粒尺寸50μm、形状因子0.7微观组织的半固态钛合金板材1-3；
3)板材多点模压：将步骤2)获得的半固态钛合金板材1-3放置在多点模具1-4中；调整多点模具1-4的基本体1-4-2阵列的成形面形状，以适合最终成形的成品板材的形状；使用压力机推动多点模具1-4的上模具体1-4-1，对半固态钛合金板材1-3进行半固态多点模压热成形，获得半固态成形钛合金板材1-7，将钛合金板材的壁厚从t1减薄到t2，达到t2<t0/3；
4)板材等温热处理：对步骤3)获得的半固态成形钛合金板材1-7在1100℃以上保温30min，然后在水冷下获得马氏体组织，获得钛合金板材初步成形件1-10，在对钛合金板材初步成形件1-10进行精加工，则获得钛合金板材成形件1-11，完成钛合金板材的半固态多点模压。
所述的步骤3)中多点模具1-4由上模具体1-4-1和其上连接的基本体1-4-2阵列组成。
所述的步骤3)中改变多点模具1-4的基本体1-4-2阵列成形面形状，能够获得不同的零件形状，适用于多种板材的成形。
相对现有技术，本发明的有益效果为：
1.本发明为航空航天用钛合金板材提供了一种新的成形方法。
2.本发明从原理上解决了航空航天用钛合金板材在热成形过程中的材料内部组织无法形成球化组织、易发生回弹变形、热处理的效果不佳等问题。
3.本发明方法简单可行，整个成形过程之后无需再加热，可以直接在半固态温度下进行等温热处理，避免了内部组织结构的变化，提升了整体成形性能指标，成形厚度较薄，生产效率高，成形的板材能够应用到航空航天器的机身和发动机等多个部件的蒙皮和内部结构的制造。
4.本发明使用多点模压成形工艺，可以实现使用一个模具加工多种型面的零件，节省加工设备成本，实现钛合金薄壁零件的柔性制造，扩大了零件加工的尺寸、形状和材料范围。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
图2为本发明中从原始钛合金板料1-1到钛合金板材成形件1-11的制造过程示意图。
图3为本发明中实施例中多点模具的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参照图1及图2，航空航天钛合金板材应变诱发式半固态多点模压成形工艺，包括以下步骤：
1)板材初步成形：先准备用于航空航天的厚度为t0的原始钛合金板料1-1，使用压力机对原始钛合金板料1-1进行冷锻加工，使壁厚减薄为t1，通过冷加工过程获得聚集应变能钛合金板材1-2；
2)半固态板材制备：将聚集应变能钛合金板材1-2放入感应加热炉进行加热和保温处理，然后采用应变诱发熔体活化法制备半固态坯料，控制加热温度为钛合金的半固态温度段1000℃以上，并保温5～30min，以获得固相分数在40％～60％之间且具有平均晶粒尺寸50μm、形状因子0.7微观组织的半固态钛合金板材1-3；
3)板材多点模压：将步骤2)获得的半固态钛合金板材1-3放置在多点模具1-4中；参照图3，多点模具1-4由上模具体1-4-1和其上连接的基本体1-4-2阵列组成；调整多点模具1-4的基本体1-4-2阵列的成形面形状，以适合最终成形的成品板材的形状；使用压力机推动多点模具1-4的上模具体1-4-1，对半固态钛合金板材1-3进行半固态多点模压热成形，获得半固态成形钛合金板材1-7，将钛合金板材的壁厚从t1减薄到t2，可达到t2<t0/3；改变多点模具1-4的基本体1-4-2阵列成形面形状，成形面变为模具样例二1-5和模具样例三1-6，可以获得不同的零件形状，如零件二1-8和零件三1-9，这种方法适用于多种板材的成形；
4)板材等温热处理：对步骤3)获得的半固态成形钛合金板材1-7在1100℃以上保温30min，然后在水冷下获得马氏体组织，获得钛合金板材初步成形件1-10，在对钛合金板材初步成形件1-10进行精加工，则获得钛合金板材成形件1-11，完成钛合金板材的半固态多点模压。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.航空航天钛合金板材应变诱发式半固态多点模压成形工艺，其特征在于：包括以下步骤：
1)板材初步成形：先准备用于航空航天的厚度为t0的原始钛合金板料(1-1)，使用压力机对原始钛合金板料(1-1)进行冷锻加工，使壁厚减薄为t1，通过冷加工过程获得聚集应变能钛合金板材(1-2)；
2)半固态板材制备：将聚集应变能钛合金板材(1-2)放入感应加热炉进行加热和保温处理，然后采用应变诱发熔体活化法制备半固态坯料，控制加热温度为钛合金的半固态温度段1000℃以上，并保温5～30min，以获得固相分数在40％～60％之间且具有平均晶粒尺寸50μm、形状因子0.7微观组织的半固态钛合金板材(1-3)；
3)板材多点模压：将步骤2)获得的半固态钛合金板材(1-3)放置在多点模具(1-4)中；调整多点模具(1-4)的基本体(1-4-2)阵列的成形面形状，以适合最终成形的成品板材的形状；使用压力机推动多点模具(1-4)的上模具体(1-4-1)，对半固态钛合金板材(1-3)进行半固态多点模压热成形，获得半固态成形钛合金板材(1-7)，将钛合金板材的壁厚从t1减薄到t2，达到t2<t0/3；
4)板材等温热处理：对步骤3)获得的半固态成形钛合金板材(1-7)在1100℃以上保温30min，然后在水冷下获得马氏体组织，获得钛合金板材初步成形件(1-10)，在对钛合金板材初步成形件(1-10)进行精加工，则获得钛合金板材成形件(1-11)，完成钛合金板材的半固态多点模压。
2.根据权利要求1所述的航空航天钛合金板材应变诱发式半固态多点模压成形工艺，其特征在于：所述的步骤3)中多点模具(1-4)由上模具体(1-4-1)和其上连接的基本体(1-4-2)阵列组成。
3.根据权利要求1所述的航空航天钛合金板材应变诱发式半固态多点模压成形工艺，其特征在于：所述的步骤3)中改变多点模具(1-4)的基本体(1-4-2)阵列成形面形状，能够获得不同的零件形状，适用于多种板材的成形。
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