CN114260401B - 钛合金深潜器载人舱球壳整体模锻成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种钛合金深潜器载人舱球壳整体模锻成形方法，包括设计锻件图；棒材下料，对棒材进行多次镦粗；第一火模锻，锻造温度Tβ‑(30～50℃)，变形量30％～55％；第二火模锻，锻造温度Tβ+(5～30℃)，变形量20％～50％；第三火模锻，锻造温度Tβ‑(30～50℃)，变形量10％～20％；热处理。通过模锻的方式使得具有三个瞭望孔的深潜器载人舱球壳一体成型，消除了焊缝，降低焊接风险和整体生产成本，且保证了瞭望孔与球壳之间的连接强度，防止出现薄弱环节。
Description
技术领域
本发明涉及潜器载人舱球壳制造技术领域，尤其是一种钛合金深潜器载人舱球壳整体模锻成形方法。
背景技术
深潜器载人舱球壳下半部分如图1所示，其的制造难点在于球壳上多个瞭望孔的成型，由于深潜器载人舱球壳的轮廓尺寸、厚度等比较大，形状不规则，锻造参数难以确定，模锻难度大，因此目前世界主流深潜器载人舱一般采用冲压成形，各个瞭望孔与半球的连接采用焊接的方式，或者瓜瓣拼焊成形的方法来加工制造。采用瓜瓣拼焊成形对材料尺寸和成形设备吨位等要求大幅降低，但对材料焊接性能及焊接技术要求极严格。采用半球整体冲压成形，各个瞭望孔与半球的连接采用焊接的方式时，因钛合金强度高、厚度大、焊缝长，难度极大，整个球壳结构中焊缝成为薄弱环节，难以满足深潜强度的要求。
CN201711349281.1公开了一种潜水器用高压壳体铝合金模锻件的制备方法，铝合金材质的强度、硬度、耐磨性等性能远远低于钛合金，这种模锻工艺只适合铝合金材质，无法用于钛合金材质的深潜器载人舱球壳制造。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种钛合金深潜器载人舱球壳整体模锻成形方法，提高钛合金深潜器载人舱球壳的强度，防止出现薄弱环节。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：钛合金深潜器载人舱球壳整体模锻成形方法，包括
设计锻件图；
棒材下料，对棒材进行多次镦粗；
第一火模锻，锻造温度Tβ-(30～50℃)，变形量30％～55％；
第二火模锻，锻造温度Tβ+(5～30℃)，变形量20％～50％；
第三火模锻，锻造温度Tβ-(30～50℃)，变形量10％～20％；
热处理。
进一步地，设计锻件图时，在零件图的基础上随形增加机加工余量，三个瞭望孔与下半球壳设计为整体锻件，且三个瞭望孔设计为盲孔。
进一步地，棒材镦粗的过程为：对上下砧进行预热，预热时间≥2小时，预热温度≥200℃，同时将棒材加热至Tβ-(30～50℃)；在Tβ-(30～50℃)的温度下进行4火镦粗，每火镦粗的下压量为20％～50％，压制速度小于或等于20mm/s。
进一步地，每火镦粗时，在坯料的上下表面盖保温棉。
进一步地，第一火模锻时，坯料在加热炉中的保温时间为0.5～1.2min/mm，锻后空冷；第二火模锻时，坯料在加热炉中的保温时间为0.3～0.5min/mm，锻后风冷；第三火模锻时，坯料在加热炉中的保温时间为0.5～1.2min/mm，锻后风冷。
进一步地，每火次模锻前将模具预热至250～350℃。
进一步地，第一火模锻、第二火模锻和第三火模锻中，坯料加热前涂玻璃润滑剂，锻前在模具内壁涂石墨润滑剂，坯料上下表面铺石墨纤维布和保温棉。
进一步地，热处理过程为：锻件于910℃入炉，保温180min，出炉空冷；锻件于530～550℃入炉，保温240min，出炉空冷。
进一步地，镦粗后的坯料尺寸为φ1170mm×200mm，重量990Kg。
本发明的有益效果是：通过模锻的方式使得具有三个瞭望孔的深潜器载人舱球壳一体成型，消除了焊缝，降低焊接风险和整体生产成本，且保证了瞭望孔与球壳之间的连接强度，防止出现薄弱环节。由于深潜器载人舱球壳的尺寸较大，形状较为复杂，通过三次模锻使锻件逐渐成型，降低了每次模锻的变形量、锻造应力和成型难度，通过严格控制每次模锻的锻造温度和变形量，保证了锻件的组织和性能满足设计要求。
附图说明
图1是本发明所要制备的深潜器载人舱球壳示意图。
图2是锻件图。
图3是凹模示意图。
图4是凸模示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明。
本发明的钛合金深潜器载人舱球壳整体模锻成形方法，包括
设计锻件图：在零件图的基础上随形增加机加工余量，单边加工余量可以是8mm，三个瞭望孔与下半球壳设计为整体锻件，如图2所示，且三个瞭望孔设计为盲孔，降低模锻难度，锻后再通过机加工的方式将盲孔加工为通孔。设计拔模斜度7°，使锻件顺利出模，锻件的外轮廓尺寸为1370mm×1225mm×657mm，水平净投影面积为1.228m2，锻件重量为890Kg。
设计模具：根据锻件的结构特征采用一套模具进行半球锻件一体化成型制造，模具包括如图3所示的凹模和如图4所示的凸模，模具型腔按照Ti62A材料的热收缩系数0.5％～1％进行加工，按照模具设计手册和800MN模锻压机要求进行导柱、顶杆、键槽等设计。
镦粗：由于锻件是壳体件，饼坯是理想的坯料形式，镦粗是最简单的棒料到饼坯的方法。具体地，Ti62A钛合金棒材下料，对棒材进行多次镦粗，具体过程为：对上下砧进行预热，预热时间≥2小时，预热温度≥200℃，同时将棒材加热至Tβ-(30～50℃)，在Tβ-(30～50℃)的温度下保温，保温时间0.8～1.2min/mm，即保温的分钟数为(0.8～1.2)乘以厚度(单位mm)，保证坯料内外温度均达到Tβ-(30～50℃)。在Tβ-(30～50℃)的温度下进行4火镦粗，变量大于50％容易出现分层组织，性能容易不满足锻件技术要求，因此每火镦粗的下压量为20％～50％，钛合金导热性能差，压制速度过快，锻件心部热量不易释放，组织容易粗大，性能容易不合，因此压制速度小于或等于20mm/s。镦粗后的坯料为饼坯，尺寸为φ1170mm×200mm，重量990Kg。每火镦粗时，在坯料的上下表面盖保温棉，降低散热速度。
镦粗后再饼坯上加工盲孔以便于模锻时饼坯与模具的准确定位。
模锻：
第一火模锻，加热炉温度Tβ-(30～50℃)时将坯料放入加热炉，坯料加热前涂玻璃润滑剂，在加热炉中的保温时间为0.5～1.2min/mm，即保温的分钟数为(0.8～1.2)乘以厚度(单位mm)，保证坯料内外温度均达到Tβ-(30～50℃)。同时将模具预热至250～350℃，预热后模具内壁涂石墨润滑剂。坯料加热后上下表面铺石墨纤维布和保温棉，然后将坯料放入模具，凸模在下，凹模在上，在Tβ-(30～50℃)的温度下进行模锻，模锻变形量为30％～55％，饼坯在模具里煨弯，瞭望孔部分成形，锻后空冷。
第二火模锻，加热炉温度Tβ+(5～30℃)时将坯料放入加热炉，坯料加热前涂玻璃润滑剂，在加热炉中的保温时间为0.3～0.5min/mm，即保温的分钟数为(0.3～0.5)乘以厚度(单位mm)，保证坯料内外温度均达到Tβ+(5～30℃)。同时将模具预热至250～350℃，预热后模具内壁涂石墨润滑剂。坯料加热后上下表面铺石墨纤维布和保温棉，然后将坯料放入模具，凹模在下，凸模在上，利用第1火部分成形的瞭望孔，可实现自定位，在Tβ+(5～30℃)的温度下进行模锻，模锻变形量20％～50％，球壳基本成形，锻后风冷。由于该火次模锻的温度超过了相变点，通过风冷能获得较细的次生α组织。
第三火模锻，加热炉温度Tβ-(30～50℃)时将坯料放入加热炉，坯料加热前涂玻璃润滑剂，在加热炉中的保温时间为0.5～1.2min/mm，即保温的分钟数为(0.8～1.2)乘以厚度(单位mm)，保证坯料内外温度均达到Tβ-(30～50℃)。同时将模具预热至250～350℃，预热后模具内壁涂石墨润滑剂。坯料加热后上下表面铺石墨纤维布和保温棉，然后将坯料放入模具，凹模在下，凸模在上，利用第1火部分成形的瞭望孔，可实现自定位，在Tβ-(30～50℃)的温度下进行模锻，模锻变形量10％～20％，锻后风冷。
第一火模锻将饼坯煨弯并成形瞭望孔，瞭望孔作为第二火模锻和第三火模锻的定位结构，第二火模锻成形球壳，第三火模锻作为小幅度的修整，促使锻件准确成形，且使晶界处的次生α组织破碎些，并使组织细小、均匀。三火模锻采用同样的模具，不增加模具成本。由于深潜器载人舱球壳的尺寸较大，形状较为复杂，通过三次模锻使锻件逐渐成型，降低了每次模锻的变形量、锻造应力和成型难度。
通过严格控制每次模锻的锻造温度和变形量，保证了锻件的组织和性能满足设计要求。为了获得特定组织(网篮组织)，在相变点以上锻造只能有1次，由于第二火模锻是成型作为主体的球壳，对整个锻件的强度等影响最大，因此本发明将第二火模锻的温度控制在相变点Tβ以上，能有效提高锻件的整体强度和塑性。为了尽可能减小变形抗力，又避免α组织过少，一般会选择温度为Tβ-(30～50℃)的两相区锻造作为其他火次的锻造。
热处理：锻件于910℃入炉，保温180min，出炉空冷；锻件于530～550℃入炉，保温240min，出炉空冷。
实施例一
设计锻件图：在零件图的基础上随形增加机加工余量，单边加工余量8mm。设计拔模斜度7°，使锻件顺利出模，锻件的外轮廓尺寸为1370mm×1225mm×657mm，水平净投影面积为1.228m2，锻件重量为890Kg。
镦粗：Ti62A钛合金棒材下料，对上下砧进行预热，预热时间2小时，预热温度200℃，同时将棒材加热至Tβ-(30～35℃)，在Tβ-(30～35℃)的温度下保温，保温时间0.8min/mm。进行4火镦粗，每火镦粗的下压量为40％，压制速度20mm/s。镦粗后的坯料尺寸为φ1170mm×200mm，重量990Kg。每火镦粗时，在坯料的上下表面盖保温棉，降低散热速度。
模锻：
第一火模锻，加热炉温度Tβ-(30～35℃)时将坯料放入加热炉，坯料加热前涂玻璃润滑剂，在加热炉中的保温时间为0.6min/mm。同时将模具预热至250℃，预热后模具内壁涂石墨润滑剂。坯料加热后上下表面铺石墨纤维布和保温棉，然后将坯料放入模具，在Tβ-(30～35℃)的温度下进行模锻，模锻变形量为50％～55％，锻后空冷。
第二火模锻，加热炉温度Tβ+(5～15℃)时将坯料放入加热炉，坯料加热前涂玻璃润滑剂，在加热炉中的保温时间为0.5min/mm。同时将模具预热至250℃，预热后模具内壁涂石墨润滑剂。坯料加热后上下表面铺石墨纤维布和保温棉，然后将坯料放入模具，在Tβ+(5～15℃)的温度下进行模锻，模锻变形量20％～30％，锻后风冷。
第三火模锻，加热炉温度Tβ-(30～35℃)时将坯料放入加热炉，坯料加热前涂玻璃润滑剂，在加热炉中的保温时间为0.6min/mm。同时将模具预热至250℃，预热后模具内壁涂石墨润滑剂。坯料加热后上下表面铺石墨纤维布和保温棉，然后将坯料放入模具，在Tβ-(30～35℃)的温度下进行模锻，模锻变形量18％～20％，锻后风冷。
热处理：锻件于910℃入炉，保温180min，出炉空冷；锻件于530～550℃入炉，保温240min，出炉空冷。
实施例二
设计锻件图：在零件图的基础上随形增加机加工余量，单边加工余量8mm。设计拔模斜度7°，使锻件顺利出模，锻件的外轮廓尺寸为1370mm×1225mm×657mm，水平净投影面积为1.228m2，锻件重量为890Kg。
镦粗：Ti62A钛合金棒材下料，对上下砧进行预热，预热时间2小时，预热温度200℃，同时将棒材加热至Tβ-(35～40℃)，在Tβ-(35～40℃)的温度下保温，保温时间0.9min/mm。进行4火镦粗，每火镦粗的下压量为35％，压制速度20mm/s。镦粗后的坯料尺寸为φ1170mm×200mm，重量990Kg。每火镦粗时，在坯料的上下表面盖保温棉，降低散热速度。
模锻：
第一火模锻，加热炉温度Tβ-(35～40℃)时将坯料放入加热炉，坯料加热前涂玻璃润滑剂，在加热炉中的保温时间为0.8min/mm。同时将模具预热至280℃，预热后模具内壁涂石墨润滑剂。坯料加热后上下表面铺石墨纤维布和保温棉，然后将坯料放入模具，在Tβ-(30～50℃)的温度下进行模锻，模锻变形量为45％～50％，锻后空冷。
第二火模锻，加热炉温度Tβ+(15～20℃)时将坯料放入加热炉，坯料加热前涂玻璃润滑剂，在加热炉中的保温时间为0.45min/mm。同时将模具预热至280℃，预热后模具内壁涂石墨润滑剂。坯料加热后上下表面铺石墨纤维布和保温棉，然后将坯料放入模具，在Tβ+(15～20℃)的温度下进行模锻，模锻变形量30％～35％，锻后风冷。
第三火模锻，加热炉温度Tβ-(35～40℃)时将坯料放入加热炉，坯料加热前涂玻璃润滑剂，在加热炉中的保温时间为0.5～1.2min/mm。同时将模具预热至280℃，预热后模具内壁涂石墨润滑剂。坯料加热后上下表面铺石墨纤维布和保温棉，然后将坯料放入模具，在Tβ-(35～40℃)的温度下进行模锻，模锻变形量15％～18％，锻后风冷。
热处理：锻件于910℃入炉，保温180min，出炉空冷；锻件于530～550℃入炉，保温240min，出炉空冷。
实施例三
设计锻件图：在零件图的基础上随形增加机加工余量，单边加工余量8mm。设计拔模斜度7°，使锻件顺利出模，锻件的外轮廓尺寸为1370mm×1225mm×657mm，水平净投影面积为1.228m2，锻件重量为890Kg。
镦粗：Ti62A钛合金棒材下料，对上下砧进行预热，预热时间2小时，预热温度200℃，同时将棒材加热至Tβ-(40～45℃)，在Tβ-(40～45℃)的温度下保温，保温时间1min/mm。进行4火镦粗，每火镦粗的下压量为30％，压制速度15mm/s。镦粗后的坯料尺寸为φ1170mm×200mm，重量990Kg。每火镦粗时，在坯料的上下表面盖保温棉，降低散热速度。
模锻：
第一火模锻，加热炉温度Tβ-(40～45℃)时将坯料放入加热炉，坯料加热前涂玻璃润滑剂，在加热炉中的保温时间为0.5～1.2min/mm。同时将模具预热至300℃，预热后模具内壁涂石墨润滑剂。坯料加热后上下表面铺石墨纤维布和保温棉，然后将坯料放入模具，在Tβ-(40～45℃)的温度下进行模锻，模锻变形量为35％～45％，锻后空冷。
第二火模锻，加热炉温度Tβ+(20～25℃)时将坯料放入加热炉，坯料加热前涂玻璃润滑剂，在加热炉中的保温时间为0.4min/mm。同时将模具预热至300℃，预热后模具内壁涂石墨润滑剂。坯料加热后上下表面铺石墨纤维布和保温棉，然后将坯料放入模具，在Tβ+(20～25℃)的温度下进行模锻，模锻变形量35％～45％，锻后风冷。
第三火模锻，加热炉温度Tβ-(40～45℃)时将坯料放入加热炉，坯料加热前涂玻璃润滑剂，在加热炉中的保温时间为1.15min/mm。同时将模具预热至300℃，预热后模具内壁涂石墨润滑剂。坯料加热后上下表面铺石墨纤维布和保温棉，然后将坯料放入模具，在Tβ-(40～45℃)的温度下进行模锻，模锻变形量12％～15％，锻后风冷。
热处理：锻件于910℃入炉，保温180min，出炉空冷；锻件于530～550℃入炉，保温240min，出炉空冷。
实施例四
设计锻件图：在零件图的基础上随形增加机加工余量，单边加工余量8mm。设计拔模斜度7°，使锻件顺利出模，锻件的外轮廓尺寸为1370mm×1225mm×657mm，水平净投影面积为1.228m2，锻件重量为890Kg。
镦粗：Ti62A钛合金棒材下料，对上下砧进行预热，预热时间2小时，预热温度200℃，同时将棒材加热至Tβ-(45～50℃)，在Tβ-(45～50℃)的温度下保温，保温时间1.2min/mm。进行4火镦粗，每火镦粗的下压量为20％，压制速度15mm/s。镦粗后的坯料尺寸为φ1170mm×200mm，重量990Kg。每火镦粗时，在坯料的上下表面盖保温棉，降低散热速度。
模锻：
第一火模锻，加热炉温度Tβ-(45～50℃)时将坯料放入加热炉，坯料加热前涂玻璃润滑剂，在加热炉中的保温时间为1.2min/mm。同时将模具预热至350℃，预热后模具内壁涂石墨润滑剂。坯料加热后上下表面铺石墨纤维布和保温棉，然后将坯料放入模具，在Tβ-(45～50℃)的温度下进行模锻，模锻变形量为30％～35％，锻后空冷。
第二火模锻，加热炉温度Tβ+(25～30℃)时将坯料放入加热炉，坯料加热前涂玻璃润滑剂，在加热炉中的保温时间为0.3min/mm。同时将模具预热至350℃，预热后模具内壁涂石墨润滑剂。坯料加热后上下表面铺石墨纤维布和保温棉，然后将坯料放入模具，在Tβ+(25～30℃)的温度下进行模锻，模锻变形量45～50％，锻后风冷。
第三火模锻，加热炉温度Tβ-(45～50℃)时将坯料放入加热炉，坯料加热前涂玻璃润滑剂，在加热炉中的保温时间为1.2min/mm。同时将模具预热至350℃，预热后模具内壁涂石墨润滑剂。坯料加热后上下表面铺石墨纤维布和保温棉，然后将坯料放入模具，在Tβ-(45～50℃)的温度下进行模锻，模锻变形量10％～12％，锻后风冷。
热处理：锻件于910℃入炉，保温180min，出炉空冷；锻件于530～550℃入炉，保温240min，出炉空冷。
通过对上述实施例一至4得到的锻件取样检测，结果如下表所示
可见，所有试样的各项检测结果均满足技术要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.钛合金深潜器载人舱球壳整体模锻成形方法，其特征在于，包括
设计锻件图，在零件图的基础上随形增加机加工余量，三个瞭望孔与下半球壳设计为整体锻件，且三个瞭望孔设计为盲孔；
棒材下料，对棒材进行多次镦粗；棒材镦粗的过程为：对上下砧进行预热，预热时间≥2小时，预热温度≥200℃，同时将棒材加热至Tβ-(30～50℃)；在Tβ-(30～50℃)的温度下进行4火镦粗，每火镦粗的下压量为20％～ 50％，压制速度小于或等于20mm/s；
第一火模锻，锻造温度Tβ-(30～50℃)，坯料在加热炉中的保温时间为0.5～1.2min/mm，变形量30％～55％，锻后空冷；
第二火模锻，锻造温度Tβ+(5～30℃)，坯料在加热炉中的保温时间为0.3～0.5min/mm，变形量20％～50％，锻后风冷；
第三火模锻，锻造温度Tβ-(30～50℃)，坯料在加热炉中的保温时间为0.5～1.2min/mm，变形量10％～20％，锻后空冷；
热处理。
2.如权利要求1所述的钛合金深潜器载人舱球壳整体模锻成形方法，其特征在于，每火镦粗时，在坯料的上下表面盖保温棉。
3.如权利要求1所述的钛合金深潜器载人舱球壳整体模锻成形方法，其特征在于，每火次模锻前将模具预热至250～350℃。
4.如权利要求1所述的钛合金深潜器载人舱球壳整体模锻成形方法，其特征在于，第一火模锻、第二火模锻和第三火模锻中，坯料加热前涂玻璃润滑剂，锻前在模具内壁涂石墨润滑剂，坯料上下表面铺石墨纤维布和保温棉。
5.如权利要求1所述的钛合金深潜器载人舱球壳整体模锻成形方法，其特征在于，热处理过程为：锻件于910℃入炉，保温180min，出炉空冷；锻件于530～550℃入炉，保温240min，出炉空冷。
6.如权利要求1所述的钛合金深潜器载人舱球壳整体模锻成形方法，其特征在于，镦粗后的坯料尺寸为φ1170mm×200mm，重量990Kg。
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