CN113441645A - 钛合金封头及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钛合金封头及其制备方法和应用。该制备方法中，钛合金板坯包括主体板坯和设于主体板坯的底部的凸块；冲模包括上模和下模，上模具有半球形的成型面，下模具有用于容纳主体板坯的第一凹槽和用于容纳凸块的第二凹槽，第二凹槽设于第一凹槽的底壁且与第一凹槽连通，上模的成型面与下模的第一凹槽和第二凹槽配合，以形成成型腔；将钛合金板坯加热至Tβ‑20℃，然后置于冲模的成型腔中进行n1次冲压；在进行最后一次冲压的过程中，控制下模的第一凹槽处的温度为700℃～750℃，及控制第二凹槽处的温度比所述第一凹槽处的温度高50℃～80℃。该制备方法制得的钛合金封头具有一体成型的钛合金封头主体和钛合金封头的配件连接结构，具备完整的金属流线，且提高了制得的钛合金封头的综合力学性能。

Description

钛合金封头及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及钛合金技术领域，特别是涉及一种钛合金封头及其制备方法与应用。
背景技术
封头是指用于封闭容器端部使其内外介质隔离的元件，又称端盖，已经广泛应用在医疗、运输、石油化工、潜艇等诸多行业。其中，钛合金封头具有较高的比强度和优异的抗海水腐蚀性能。相比于钢铁材料，钛合金封头作为耐压材料时，能大幅度降低球壳的重量，增加有效载荷。因此，钛合金封头常被用于制备深潜器上的耐压球壳。
耐压球壳主要包括钛合金封头以及连接在钛合金封表面的配件。传统技术中，通常先采用模锻、冲压及旋压等加工工艺制备钛合金封头，再通过焊接或螺栓等方式在钛合金封头的表面连接配件，获得耐压球壳。然而，潜艇长时间处于深海中，潜艇上的耐压球壳需要承受较高的荷载和水流所形成的压力突变，而采用焊接及螺栓的方式在钛合金封头表面连接配件而成的耐压球壳中，钛合金封头和其与配件的连接处不具备完整的金属流线，耐压球壳上的配件连接处或焊接接头容易出现缝隙腐蚀，且力学性能较弱，容易断裂，严重影响了耐压球壳的使用寿命。
因此，现有技术仍有待发展。
发明内容
基于此，本发明提供了一种钛合金封头及其制备方法与应用。该钛合金封头的制备方法制得的钛合金封头包括钛合金封头主体与配件连接结构，配件连接处不易断裂，能提高制得的钛合金封头的组织均匀性和力学性能。
本发明的技术方案如下。
本发明的一方面提供了一种钛合金封头的制备方法，包括如下步骤：
提供钛合金板坯，所述钛合金板坯包括主体板坯和设于所述主体板坯的底部的凸块；
提供冲模，所述冲模包括上模和下模，所述上模具有半球形的成型面，所述下模具有用于容纳所述主体板坯的第一凹槽和用于容纳所述凸块的第二凹槽，所述第二凹槽设于所述第一凹槽的底壁且与所述第一凹槽连通，所述上模的所述成型面与所述下模的所述第一凹槽和所述第二凹槽配合，以形成成型腔；
将所述钛合金板坯加热至Tβ-20℃，然后置于所述冲模的所述成型腔中进行n1次冲压，得到钛合金封头；n1为大于1或小于等于(5)的整数；
其中，在进行最后一次冲压的过程中，控制所述下模的所述第一凹槽处的温度为700℃～750℃，及控制所述第二凹槽处的温度比所述第一凹槽处的温度高50℃～80℃。
在其中一些实施例中，所述钛合金板坯的制备步骤包括如下步骤：
将钛合金铸锭加热至Tβ+120℃保温45min～60min后，进行墩粗锻造，然后进行n2火次墩拔，获得钛合金模锻坯料；
n2为大于或等于2的整数，且相邻的两火次墩拔步骤分别在Tβ+30℃～Tβ+50℃和Tβ-50℃～Tβ-20℃下进行；
将所述钛合金模锻坯料加热至Tβ+30℃～Tβ+50℃，将所述钛合金模锻坯料一体模锻成型，获得所述钛合金板坯。
在其中一些实施例中，在所述一体模锻成型的步骤中，镦粗变形量为40％～45％。
在其中一些实施例中，所述墩拔的步骤中，镦粗变形量为38％～42％。
在其中一些实施例中，在所述一体模锻成型的步骤之后，还包括如下步骤：
将一体模锻成型后的锻件进行热处理；
所述热处理的条件为：于680℃～780℃下保温4h～6h。
在其中一些实施例中，所述将钛合金铸锭加热至Tβ+120℃的步骤包括如下步骤：
先将所述钛合金铸锭加热至650℃～700℃，保温3h～5h，再以80℃/h～100℃/h的加热速度加热至Tβ+120℃。
在其中一些实施例中，在最后一次所述冲压的步骤之后，还包括如下步骤：
将冲压后的冲压件进行热处理；
所述热处理的条件为：于550℃～600℃下保温6～8h。
本发明的另一方面，提供一种钛合金封头，采用上述的钛合金封头的制备方法制得。
本发明还提供一种耐压球壳，所述耐压球壳包含如上所述的钛合金封头。
进一步地，本发明提供一种潜艇，所述潜艇包含如上所述的耐压球壳。
本发明的钛合金封头的制备方法，钛合金板坯包括主体板坯和设于主体板坯的底部的凸块；将钛合金板坯加热至Tβ-20℃，然后置于冲模的成型腔中进行n1次冲压；在冲压的过程中，钛合金板坯逐渐填满冲模的成型腔，钛合金板坯上的主体板坯外翻，使钛合金板坯的凸块进入下模中的第二凹槽，形成钛合金封头的配件连接结构，与此同时，主体板坯进入下模中的第一凹槽，形成钛合金封头的主体结构。且，在进行最后一次热冲压的步骤的过程中，控制下模的第一凹槽处的温度为700℃～750℃，且控制下模中的第二凹槽的温度比第一凹槽的温度高50℃～80℃；从而加速进入第二凹槽内部的金属的流动性，使钛合金封头主体和钛合金封头的配件连接结构一体成型，具备完整的金属流线，且获得较为均匀的组织结构，提高了制得的钛合金封头的综合力学性能。
进一步地，在上述制备方法中，钛合金板坯的制备步骤中，将钛合金铸锭加热至Tβ+120℃保温45min～60min后，进行墩粗锻造，然后进行n2火次墩拔，控制相邻的两火次墩拔步骤分别在Tβ+30℃～Tβ+50℃和Tβ-50℃～Tβ-20℃下进行，从而在相变温度以上和相变温度以下交替进行墩拔，破碎了钛合金铸锭原始的粗大晶粒，使钛合金铸锭中的组织充分细化，获得组织细化均匀的合金模锻坯料。
本发明还提供了采用上述的钛合金封头的制备方法制得钛合金封头，该钛合金封头包括钛合金封头主体与配件连接结构，且钛合金封头主体与配件连接结构一体成型，具备完整的金属流线，且组织均匀性和力学性能较好。该钛合金封头用于制备耐压球壳时，能提高耐压球壳的使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例1中采用的钛合金板坯的俯视图；
图2为本发明实施例1中采用的钛合金板坯在A-A线的剖面图；
图3为本发明实施例1中制得的钛合金封头的剖视图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。
具体实施方式中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
本发明一实施方式提供了一种钛合金封头的制备方法，包括如下步骤S10～S30。
步骤S10、提供钛合金板坯，钛合金板坯包括主体板坯和设于主体板坯的底部的凸块。
步骤S20、提供冲模，冲模包括上模和下模，上模具有半球形的成型面，下模具有用于容纳主体板坯的第一凹槽和用于容纳凸块的第二凹槽，第二凹槽设于第一凹槽的底壁且与所述第一凹槽连通，上模的成型面与下模的第一凹槽和所述第二凹槽配合，以形成成型腔。
步骤S30、将钛合金板坯加热至Tβ-20℃，然后置于冲模的成型腔中进行n1次冲压，得到钛合金封头；n1为大于1或小于等于5的整数；
其中，在进行最后一次冲压的过程中，控制下模的第一凹槽处的温度为700℃～750℃，及控制第二凹槽处的温度比所述第一凹槽处的温度高50℃～80℃。
在本发明的钛合金封头的制备方法中，在冲压的过程中，钛合金板坯逐渐填满冲模的成型腔，钛合金板坯上的主体板坯外翻，使钛合金板坯的凸块进入下模中的第二凹槽，形成钛合金封头的配件连接结构，与此同时，主体板坯进入下模中的第一凹槽，形成钛合金封头的主体结构。且，在进行最后一次热冲压的步骤的过程中，控制下模的第一凹槽处和第二凹槽的温度，从而加速进入第二凹槽内部的金属的流动性，使钛合金封头主体和钛合金封头的配件连接结构一体成型，具备完整的金属流线，且获得较为均匀的组织结构，提高了制得的钛合金封头的力学强度。
需要说明的是，步骤S10中，主体板坯和凸块形状没有特定的要求，主体板坯可以是圆台状，也可以是圆柱状；凸块可以是台状、圆柱状或其他异性结构。
可理解，步骤S20中，冲模的上模和下模是配套的，上模和下模合模后形成的成型腔的形状结构即为成型产品的形状结构。在本发明中，上模具有半球形的成型面，则下模的第一凹槽也具有半球形的成型面，第二凹槽的形状没有特定的要求，上模和下模合模后，上模的成型面与下模的第一凹槽和第二凹槽配合，形成的成型腔的的形状结构即为成型产品的的形状结构。
进一步地，在本发明的钛合金封头的制备方法中，钛合金板坯上的凸块可以是一个，也可以是多个，相应地，当步骤S10提供钛合金板坯有多个凸块时，步骤S20提供具有与凸块数量相应的多个第二凹槽的冲模，从而形成具有多个配件连接结构的钛合金封头。
在其中一些实施例中，步骤S10中，钛合金板坯的制备步骤包括如下步骤S11～S12。
步骤S11、将钛合金铸锭加热至Tβ+120℃保温45min～60min后，进行墩粗锻造，然后进行n2火次墩拔，获得钛合金模锻坯料。
n2为大于或等于2的整数，且相邻的两火次墩拔步骤分别在Tβ+30℃～Tβ+50℃和Tβ-50℃～Tβ-20℃下进行。
步骤S12、将步骤S12获得的钛合金模锻坯料加热至Tβ+30℃～Tβ+50℃，将钛合金模锻坯料进行一体模锻成型，获得钛合金板坯。
通过控制相邻的两火次墩拔步骤分别在Tβ+30℃～Tβ+50℃和Tβ-50℃～Tβ-20℃下进行，从而在相变温度以上和相变温度以下交替进行墩拔，破碎了钛合金铸锭原始的粗大晶粒，进一步使钛合金铸锭中的组织充分细化，获得组织细化均匀的合金模锻坯料。
具体地，步骤S12中一体模锻成型步骤采用的模具有主体型腔和设于主体型腔底部的凸型腔；且主体型腔和凸型腔连通，如此，钛合金模锻坯料在模锻的过程中，进入主体型腔和凸型腔，从而一体形成具有主体板坯和凸块的钛合金板坯。
可理解，步骤S12中采用的模具中的主体型腔和凸型腔的形状没有特定的要求，依据所需的钛合金板坯的形状制定。
需要说明的是，步骤S10中的钛合金板坯中，主体板坯和底部的凸块相对位置可以根据钛合金封头实际应用时，其配件在钛合金封头的位置，根据模拟获得钛合金封头的设计图，从而依据设计图中的尺寸、并预留机加余量制备出步骤S12中采用的模具。
在其中一些实施例中，步骤S11中，在将钛合金铸锭加热至Tβ+120℃的步骤包括如下步骤：
先将钛合金铸锭加热至650℃～700℃，保温3h～5h，再以80℃/h～100℃/h的加热速度加热至Tβ+120℃。
在其中一些实施例中，按照质量百分数计，步骤S11中的钛合金铸锭包括：2％～6.5％Al、0.5％～1％V、1％～3.5％Mo、0.5％～1.5％Cr、0.5％～2.5％Zr、1％～2.5％Sn、0.2％～1％Fe以及余量Ti。
在其中一些实施例中，步骤S11中，墩拔的步骤中，镦粗变形量为38％～42％。
在其中一些实施例中，墩拔的步骤中，步骤S12中，模锻的步骤中，镦粗变形量为40％～45％。
在其中一些实施例中，步骤S12中，在所述模锻的步骤之后，还包括如下步骤：
将一体模锻成型后的锻件进行热处理；
热处理的条件为：于680℃～780℃下保温4h～6h。
通过热处理，均匀锻件内部组织，消除锻造过程中锻件中的残余应力，防止锻件变形。
在其中一些实施例中，步骤S12中，在一体模锻成型的步骤之后，还包括如下步骤：
将模锻成型得到的成型件进行机加工。
将模锻成型得到的成型件经机加后去除表面氧化皮、毛刺及凹凸面，使板坯表面光滑无缺陷。
在其中一些实施例中，步骤S30中，在最后一次冲压的步骤之后，还包括如下步骤：
将冲压后的冲压件进行热处理；热处理的条件为：于550℃～600℃下保温6～8h。
通过热处理，消除冲压过程中钛合金板坯中的残余应力。
本发明一实施方式还提供一种钛合金封头，采用上述的钛合金封头的制备方法制得。
该钛合金封头包括钛合金封头主体与配件连接结构，且钛合金封头主体与配件连接结构具备完整的金属流线，组织均匀性和力学性能较好。该钛合金封头用于制备耐压球壳时，能提高耐压球壳的使用寿命。
进一步地，还提供一种耐压球壳，该耐压球壳包含如上的钛合金封头。
上述钛合金封头中钛合金封头主体与配件连接结构具备完整的金属流线，组织均匀性和力学性能较好。如此，耐压球壳中的配件直接通过钛合金封头中的配件连接结构与钛合金封头主体连接，连接处具备完整的金属流线，能提高耐压球壳的使用寿命。
本发明进一步提供一种潜艇，该潜艇包含如上所述的耐压球壳。
该潜艇能承受较高的荷载和水流所形成的压力突变。
本发明的潜艇对形态及大小没有特定要求。可以是全自动或一两人操作、作业时间数小时的小型民用潜水探测器，也可以是核潜艇。
进一步地，上述潜艇为深水潜艇。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
具体实施例
以下为具体实施例。
实施例1
(1)钛合金封头板坯工装模具设计：依据实际所需的钛合金封头尺寸，通过模拟得到钛合金封头中主体与配件连接结构的相对位置，获得钛合金板坯的设计图。然后依据设计图、并预留机加余量制备出封头板坯工装模具。
具体的，封头板坯工装模具包含主体圆台型腔和设于主体型腔底部的圆台状凸型腔，且主体型腔和凸型腔连通。主体型腔直径为1700mm，圆台状凸型腔直径为160mm，圆台凸型腔的中心点距离主体型腔中心点130mm。
(2)钛合金板坯的制备：
合金铸锭包括以下重量百分比的组分：2％～6.5％Al、0.5％～1％V、1％～3.5％Mo、0.5％～1.5％Cr、0.5％～2.5％Zr、1％～2.5％Sn、0.2％～1％Fe以及余量Ti。将Φ380mm的钛合金铸锭加热至700℃，保温5小时，再以100℃/h加热速度加热至Tβ+120℃，保温60min，然后将铸锭坯料取出至快锻机进行一火次开坯锻造，锻造成方坯，墩粗变形量为50％；再将方坯在Tβ+50℃进行一火次墩拔锻造，镦粗变形量为45％，然后将方坯在Tβ-20℃进行二火次墩拔锻造，火次镦粗变形量为42％，然后将方坯坯料在Tβ+50℃进行三火次墩拔锻造，镦粗变形量为40％，最后将方坯在Tβ-50℃进行四火次墩拔锻造，镦粗变形量为38％，最终获得Φ800mm的钛合金模锻坯料。
将步骤(1)中提供的封头板坯工装模具模锻模具放置在快锻机下砧，将步骤(1)中提供的Φ800mm的钛合金模锻坯料加热至Tβ+30℃，取出置于模具中心位置，镦粗成上表面平整，下表面带凸起的圆形封头板粗坯，其中镦粗变形量为45％。然后将封头板粗坯炉置于780℃下，保温4h后出炉，空冷至室温。最后将钛合金封头板粗坯进行初步机加，车削封头板坯外周、正反面，铣削圆柱形凸起部位以去除表面氧化皮、毛刺及凹凸面，得到光滑无缺陷的钛合金板坯，该钛合金板坯包括上圆台和下圆台凸起，圆台凸起的中心点距离上圆台中心点130mm，其俯视图如图1所示，在A-A线的剖面图如图2所示，
(3)钛合金封头的制备：
将步骤(2)获得的钛合金板坯加热至Tβ-20℃，置于冲模中经4火次冲压后。其中每一火冲压完毕后直接转入电加热炉中，经加热至Tβ-20℃保温后进行下一次冲压。其中，冲模包括上模和下模，上模具有半球形的成型面，下模具有用于容纳主体板坯的第一凹槽和用于容纳凸块的第二凹槽，所述第二凹槽设于所述第一凹槽的底壁且与所述第一凹槽连通，所述上模的所述成型面与所述下模的所述第一凹槽和所述第二凹槽配合，以形成成型腔。第一凹槽为半球形，第二凹槽为圆台型。
最后一次冲压前，将下模的第一凹槽处加热至700℃，下模的第二凹槽处局部加热至750℃，然后进行冲压，封头板坯中圆台凸起进入下模的第二凹槽中，并将的第二凹槽填满，最终获得内直径1093、厚度40mm的钛合金封头半成品。然后将获得钛合金封头半成品随炉冷却至550℃，保温6～8h后出炉空冷至室温。最后将封头半成品切边处理及表面机械加工，去除内外表面氧化皮、压痕、裂纹和褶皱等缺陷，进行精加工，获得钛合金封头，其剖视如图3所示。钛合金封头包括内直径为1115mm、厚18mm的钛合金封头主体、及钛合金封头主体底部的直径为120mm圆台凸起。
(4)根据GB/T228.1-2010对钛合金封头的力学性能进行测试，包括屈服强度测试和抗拉强度。结果如表1所示。
实施例2
实施例2与实施例1基本相同，不同之处仅在于：步骤(3)中，下模的第一凹槽处加热至750℃，下模的第二凹槽处局部加热至830℃。
其他工艺步骤和条件与实施例1相同。
实施例3
实施例3与实施例1基本相同，不同之处仅在于：步骤(2)中，将Φ380mm的钛合金铸锭加热至700℃，保温5小时，再以100℃/h加热速度加热至Tβ+120℃，保温60min，然后将铸锭坯料取出至快锻机进行一火次开坯锻造，锻造成方坯，墩粗变形量为50％；再将方坯在Tβ+50℃进行一火次墩拔锻造，镦粗变形量为45％，然后将方坯在Tβ+20℃进行二火次墩拔锻造，火次镦粗变形量为42％，然后将方坯坯料在Tβ+50℃进行三火次墩拔锻造，镦粗变形量为40％，最后将方坯在Tβ+20℃进行四火次墩拔锻造，镦粗变形量为38％，最终获得Φ800mm的钛合金模锻坯料。
其他工艺步骤和条件与实施例1相同。
对比例1
对比例1与实施例1基本相同，不同之处仅在于：步骤(3)中，将步骤(2)获得的钛合金板坯加热至Tβ-20℃，置于冲模中经5火次冲压后。其中每一火冲压完毕后直接转入电加热炉中，经加热至Tβ-20℃保温后进行下一次冲压。
其余步骤及条件与实施例1相同。
表1
Figure BDA0003163148430000101
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种钛合金封头的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供钛合金板坯，所述钛合金板坯包括主体板坯和设于所述主体板坯的底部的凸块；
提供冲模，所述冲模包括上模和下模，所述上模具有半球形的成型面，所述下模具有用于容纳所述主体板坯的第一凹槽和用于容纳所述凸块的第二凹槽，所述第二凹槽设于所述第一凹槽的底壁且与所述第一凹槽连通，所述上模的所述成型面与所述下模的所述第一凹槽和所述第二凹槽配合，以形成成型腔；
将所述钛合金板坯加热至Tβ-20℃，然后置于所述冲模的所述成型腔中进行n1次冲压，得到钛合金封头；n1为大于1或小于等于5的整数；
其中，在进行最后一次冲压的过程中，控制所述下模的所述第一凹槽处的温度为700℃～750℃，及控制所述第二凹槽处的温度比所述第一凹槽处的温度高50℃～80℃。
2.根据权利要求1所述的钛合金封头的制备方法，其特征在于，所述钛合金板坯的制备步骤包括如下步骤：
将钛合金铸锭加热至Tβ+120℃保温45min～60min后，进行墩粗锻造，然后进行n2火次墩拔，获得钛合金模锻坯料；
n2为大于或等于2的整数，且相邻的两火次墩拔步骤分别在Tβ+30℃～Tβ+50℃和Tβ-50℃～Tβ-20℃下进行；
将所述钛合金模锻坯料加热至Tβ+30℃～Tβ+50℃，将所述钛合金模锻坯料一体模锻成型，获得所述钛合金板坯。
3.根据权利要求2所述的钛合金封头的制备方法，其特征在于，在所述一体模锻成型的步骤中，镦粗变形量为40％～45％。
4.根据权利要求2所述的钛合金封头的制备方法，其特征在于，所述墩拔的步骤中，镦粗变形量为38％～42％。
5.根据权利要求2～4任一项所述的钛合金封头的制备方法，其特征在于，在所述一体模锻成型的步骤之后，还包括如下步骤：
将一体模锻成型后的锻件进行热处理；
所述热处理的条件为：于680℃～780℃下保温4h～6h。
6.根据权利要求2～4任一项所述的钛合金封头的制备方法，其特征在于，所述将钛合金铸锭加热至Tβ+120℃的步骤包括如下步骤：
先将所述钛合金铸锭加热至650℃～700℃，保温3h～5h，再以80℃/h～100℃/h的加热速度加热至Tβ+120℃。
7.根据权利要求1～4任一项所述的钛合金封头的制备方法，其特征在于，在最后一次所述冲压的步骤之后，还包括如下步骤：
将冲压后的冲压件进行热处理；
所述热处理的条件为：于550℃～600℃下保温6～8h。
8.一种钛合金封头，其特征在于，采用权利要求1～7任一项所述的钛合金封头的制备方法制得。
9.一种耐压球壳，其特征在于，所述耐压球壳包含如权利要求8所述的钛合金封头。
10.一种潜艇，其特征在于，所述潜艇包含如权利要求9所述的耐压球壳。
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