CN114888147A - 一种带环形波纹状加强内筋结构的钛铝层状复合筒节及其成形工艺 - Google Patents

一种带环形波纹状加强内筋结构的钛铝层状复合筒节及其成形工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种带环形波纹状加强内筋结构的钛铝层状复合筒节及其成形工艺，属于有色金属制备的技术领域，本发明综合铝合金和钛合金的各自优势，采用钛合金作为外层材料，铝合金作为内层材料。首先，通过波纹轧制方法在铝合金筒节内部制备出环形波纹状加强内筋结构。其次，将制备好的带环形波纹状加强内筋结构的铝合金筒节通过挤压的方式装配在钛合金筒节内部。最后，将装配好的钛铝层状复合筒节置于真空热处理炉内部进行热处理，获得性能优异的钛铝层状带有环形内筋的复合筒节。

Description

一种带环形波纹状加强内筋结构的钛铝层状复合筒节及其成 形工艺
技术领域
本发明属于有色金属制备的技术领域，具体公开了一种带环形波纹状加强内筋结构的钛铝层状复合筒节及其成形工艺。
背景技术
随着对海洋资源的开发，向着大水深、长航程方向发展，对水下航行器的承压性能和耐腐蚀性能提出了更高的要求。目前，水下航行器壳体多采用铝合金通过焊接的方式组装多组环形内筋来提高壳体的承压能力，焊接加装环形内筋的过程中，生产效率低、质量稳定性差、容易产生较大的残余应力和变形，降低水下航行器的整体性能。
相比于铝合金，钛合金具有更好的耐腐蚀性能和强度，可以有效的提高水下航行器的承压能力和耐腐蚀性能。然而，钛合金成本高、密度大，增加了水下航行器的能源消耗。
发明内容
基于钛合金高的强度和优异的耐腐蚀性能、铝合金轻质、高强度的多重优势，本发明将钛合金和铝合金结合制备成钛铝层状复合筒节，钛合金为外层、铝合金为内层，可以有效减轻水下航行器壳体的重量、提高耐腐蚀性能，提高承压能力，在内层铝合金侧通过波纹轧制方法制备环形波纹状加强内筋结构，通过真空热处理获得界面结合良好的带环形波纹状加强内筋结构的钛铝层状复合筒节。
为实现上述目的，本发明提供一种带环形波纹状加强内筋结构的钛铝层状复合筒节的成形工艺，包括波纹轧制制备带环形波纹状加强内筋结构的铝合金筒节、钛铝层状筒节挤压成形和钛铝层状复合筒节的真空热处理：
其中，波纹轧制制备带环形波纹状加强内筋结构的铝合金筒节采用波纹辊轧机，波纹辊轧机的驱动辊为平辊，芯辊为波纹辊，在芯辊和驱动辊之间设置有导向辊，将预清理好的铝合金筒节置于驱动辊、芯辊和导向辊之间，在铝合金筒节外表面设置电刷，电刷连接正极，波纹芯辊连接负极，与铝合金筒节组成闭合回路，按照预设的轧制温度和轧制参数轧制；
钛铝层状筒节挤压成形采用压力机，将预处理好的钛合金筒节置于压力机的模具底座上，将带环形波纹状加强内筋结构的铝合金筒节置于钛合金筒节内，铝合金筒节的高度高于钛合金筒节的高度，在钛合金筒节的顶端放置外围支撑套筒，外围支撑套筒的高度高于铝合金筒节的高度，挤压套筒对铝合金筒节施压将铝合金筒节压入钛合金筒节内部；
钛铝层状复合筒节的真空热处理采用真空热处理炉，将钛铝层状复合壳体筒节置于真空热处理炉中进行热处理。
具体包括下述步骤：
S1，波纹轧制制备带环形波纹状加强内筋结构的铝合金筒节
S2，机械加工铝合金、钛合金筒节
对铝合金筒节的外圆表面进行机械加工，表面粗糙度值至预设值；
对钛合金筒节的内圆表面进行机械加工，表面粗糙度值至预设值；
加工公差为钛合金和铝合金筒节之间满足过盈配合；
S3，钛合金、铝合金筒节预处理
去除铝合金筒节外表面和钛合金筒节内表面的杂质，备用；
S4，钛铝层状筒节挤压成形
S5，钛铝层状复合筒节的真空热处理；
步骤S6，机械加工
对热处理后的钛铝层状复合筒节采用车削的方法进行端面加工，加工到预定尺寸。
具体地，步骤S1中，轧制温度保持在480±5℃，采用红外线测温仪监测温度，轧制速度0.1m/s，单道次轧制进给量2mm，轧制道次根据波纹芯轴正弦波形的振幅确定。
具体地，步骤S2中，铝合金筒节的外圆表面和钛合金筒节的内圆表面的表面粗糙度值小于等于6.3μm。
具体地，步骤S3中，采用10wt.％的NaOH溶液清洗铝合金筒节外表面，去除外表面的杂质，烘干后备用；采用5vol.％的HF溶液清洗钛合金筒节内表面，去除表面的杂质，烘干后备用。
具体地，步骤S4中，压力机压入速度为0.2m/s。
具体地，步骤S5中，热处理的升温速度10℃/min，最高温度550℃，保温时间120min，随炉冷却。
步骤S4中，压力机为立式液压成型机；液压成型机包括底座、顶座、移动工作台、液压油箱和控制柜；底座和顶座之间通过支撑杆连接，移动工作台滑动套设在支撑杆上，移动工作台的下部为上部压块；上部压块的下部安装挤压套筒；底座的下部设有左支架和右支架，上部放置模具底座；顶座上部设置液压油缸，液压油缸通过压力轴与移动工作台连接，液压油缸通过油管与液压油箱连接，液压油缸由控制柜控制。
本发明还提供一种带环形波纹状加强内筋结构的钛铝层状复合筒节，采用上述成形工艺制成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对水下航行器向着大水深、长航程方向发展，所用铝合金壳体构件承压及耐腐蚀性能不足的问题，综合钛合金高强耐腐蚀、铝合金高强轻质的多重优势，通过波纹轧制方法在内层铝合金侧轧制成型波纹加强内筋，通过后续的挤压、真空热处理等工艺获得具有优异钛铝界面结合性能的层状复合材料筒节，此制备方法工艺先进，是十分理想的制备高性能带多组波纹加强内筋单一合金或层状复合筒形件的方法。在不影响水下航行器耐压壳体承压能力及耐腐蚀性的前提下，减轻壳体的重量，可以节约能源消耗、延长水下航行器动力源的使用时间，增加航行器的航程，在水下航行器用耐压壳体构件内部制备环形的加强内筋，可减轻航行器壳体构件的整体厚度，提高强度。
附图说明
图1、带环形波纹状加强内筋结构的铝合金筒节的成形过程示意图；
图2、芯辊的结构示意图；
图3、带环形波纹状加强内筋结构的铝合金筒节的剖视图；
图4、钛铝层状筒节挤压成形过程示意图；
图5、钛铝层状筒节的剖视图；
图6、钛铝层状复合筒节的真空热处理工艺。
图中所示附图标记清单如下：
101、铝合金筒，102、带环形波纹状加强内筋结构的铝合金筒节，103、钛合金筒节；
1、芯辊，2、导向辊，3、驱动辊，4、电刷，5、电源，6、开关，7、导线，8、红外线测温仪；
9、模具底座，10、外围支撑套筒，11、支撑杆，12、顶座，13、液压油缸，14、挤压套筒，15、压力轴，16、移动工作台，17、上部压块，18、底座，19、左支架，20、右支架，20、第一压力表，21、第二压力表，22、进油管，23、回油管，24、控制柜，25、指示灯，26、显示屏，27、电源控制器，28、液压控制器，29、液压油箱。
具体实施方式
实施例1
本实施例使用的化学物质材料为：钛合金筒、铝合金筒、氢氟酸、氢氧化钠、去离子水、砂纸，其组合准备用量如下：以件、克、毫米、毫升为计量单位
钛合金筒：TC4 1件 φ100mm×10mm×200mm
铝合金筒：5A06 1件 φ80mm×10mm×250mm
氢氟酸溶液：HF 5vol.％ 1000mL
氢氧化钠溶液：NaOH 10wt.％ 1000mL
砂纸：400目 2张 300mm×0.5mm×200mm。
制备方法如下。
(1)波纹轧制制备带环形波纹状加强内筋结构的铝合金筒节
①对铝合金筒节101内部进行清理，去除表面的油污锈垢；
②开启波纹辊轧机，驱动辊3为平辊，芯辊1为波纹辊，芯辊1上的波形根据正弦曲线进行设计，在芯辊1和驱动辊3之间设置有导向辊2；芯辊1首先通过锻压的方式加工毛坯，然后经过机械加工、车削成型生成波纹，最后进行热处理；
③将预清理好的铝合金筒节101置于驱动辊3、芯辊1和导向辊2之间(芯辊1在铝合金筒节101内侧，驱动辊3和导向辊2在铝合金筒节101外侧)，在铝合金筒节101外表面设置电刷4，电刷4连接电源5的正极，芯辊1连接电源5的负极，与铝合金筒节101组成闭合回路，采用红外线测温仪8测温，控制温度保持在480±5℃；
④调整芯辊1和驱动辊3之间的距离，设置轧制参数，轧制速度0.1m/s，单道次轧制进给量2mm，轧制道次根据波纹芯轴正弦波形的振幅确定，导向辊2在摩擦力作用下发生自转，通过对铝合金筒节101施加一定的导向力控制铝合金筒节101的圆度和轧制稳定性；
⑤对铝合金筒节101进行多道次的轧制，完成带环形波纹状加强内筋结构的铝合金筒节102的轧制。
(2)机械加工铝合金、钛合金筒节
对带环形波纹状加强内筋结构的铝合金筒节102的外圆表面进行机械加工，表面粗糙度值小于等于6.3μm；对钛合金筒节103的内圆表面进行机械加工，表面粗糙度值小于等于6.3μm，加工公差为钛合金筒节103和铝合金筒节102之间满足过盈配合。
(3)钛合金、铝合金筒节预处理
采用10wt.％的NaOH溶液清洗带环形波纹状加强内筋结构的铝合金筒节102外表面，去除外表面的杂质，烘干后备用；采用5vol.％的HF溶液清洗钛合金筒节103内表面，去除表面的杂质，烘干后备用。
(4)钛铝层状筒节挤压成形
压力机为立式液压成型机；液压成型机包括底座18、顶座12、移动工作台16、液压油箱29和控制柜24；底座18和顶座12之间通过支撑杆11连接，移动工作台16滑动套设在支撑杆11上，移动工作台16的下部为上部压块17；上部压块17的下部安装挤压套筒14；底座18的下部设有左支架19和右支架20；顶座12上部设置液压油缸13，液压油缸13通过压力轴15与移动工作台16连接，液压油箱29通过进油管22和回油管23与液压油缸13连通，液压油缸13由控制柜24控制。控制柜24上设置有第一液压表20、第二液压表21、显示屏26、指示灯25、电源控制器27、液压控制器28。
①将模具底座9置于底座18上，将预处理好的钛合金筒节103置于模具底座9上，保证水平；
②将带环形波纹状加强内筋结构的铝合金筒节102置于钛合金筒节103的内部，通过铝合金筒节102端部的倒角进行导向和定位，确保铝合金筒节102和钛合金筒节103的同轴度，铝合金筒节102的高度高于钛合金筒节103的高度，在钛合金筒节103的顶端放置外围支撑套筒10，外围支撑套筒10的高度高于铝合金筒节102的高度；
③开启立式液压成型机，挤压套筒14对铝合金筒节102施压将铝合金筒节102压入钛合金筒节103内部，压入速度为0.2m/s，压入完成后提升上部压块17，关闭压力机，完后钛铝层状复合壳体筒节的挤压。
(5)钛铝层状复合筒节的真空热处理
将带环形波纹状加强内筋结构的钛铝层状复合筒节置于真空热处理炉内部，进行热处理，升温速度10℃/min，最高温度550℃，保温时间120min，随炉冷却。
(6)机械加工
对热处理后的带环形波纹状加强内筋结构的钛铝层状复合筒节采用车削的方法进行端面加工，加工到预定尺寸。
(7)储存
对制备的带环形波纹状加强内筋结构的钛铝层状复合筒节用软质材料包装，储存于洁净、干燥环境，要防潮、防晒、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃，相对湿度≤10％。
本实施例是针对提高铝合金筒形件耐压及抗腐蚀能力，制备钛/铝复合筒节，同时在钛/铝复合筒形件的内层铝合金侧进行多道次轧制波纹加强内筋，提高复合筒形件的抗外压能力，经过后续的真空热处理，提高钛/铝复合界面的结合强度，消除复合筒节的内部残余应力，此制备方法工艺先进，是十分理想的制备高性能带波纹加强内筋单一合金或层状复合筒形件的方法。
实施例2
本实施例提供一种带环形波纹状加强内筋结构的钛铝层状复合筒节，通过实施例1所述带环形波纹状加强内筋结构的钛铝层状复合筒节的成形工艺制成。
该钛铝层状复合筒节外层选用钛合金，内层选用铝合金，通过波纹轧制方式在铝合金筒节101内部轧制成型波纹加强内筋，通过加压方法将带环形波纹状加强内筋结构的铝合金筒节102挤压压入钛合金筒节103内部，两者之间按照技术要求达到过盈配合，通过真空热处理使得钛铝界面层之间达到冶金结合，降低在制备过程中产生的残余应力，制备的带环形波纹状加强内筋结构的钛铝层状复合筒节具有轻质高强、耐腐蚀等多重优势。
以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种带环形波纹状加强内筋结构的钛铝层状复合筒节的成形工艺，其特征在于，包括波纹轧制制备带环形波纹状加强内筋结构的铝合金筒节、钛铝层状筒节挤压成形和钛铝层状复合筒节的真空热处理：
其中，波纹轧制制备带环形波纹状加强内筋结构的铝合金筒节采用波纹辊轧机，波纹辊轧机的驱动辊为平辊，芯辊为波纹辊，在芯辊和驱动辊之间设置有导向辊，将预清理好的铝合金筒节置于驱动辊、芯辊和导向辊之间，在铝合金筒节外表面设置电刷，电刷连接正极，波纹芯辊连接负极，与铝合金筒节组成闭合回路，按照预设的轧制温度和轧制参数轧制；
钛铝层状筒节挤压成形采用压力机，将预处理好的钛合金筒节置于压力机的模具底座上，将带环形波纹状加强内筋结构的铝合金筒节置于钛合金筒节内，铝合金筒节的高度高于钛合金筒节的高度，在钛合金筒节的顶端放置外围支撑套筒，外围支撑套筒的高度高于铝合金筒节的高度，挤压套筒对铝合金筒节施压将铝合金筒节压入钛合金筒节内部；
钛铝层状复合筒节的真空热处理采用真空热处理炉，将钛铝层状复合壳体筒节置于真空热处理炉中进行热处理。
2.根据权利要求1所述的带环形波纹状加强内筋结构的钛铝层状复合筒节的成形工艺，其特征在于，包括下述步骤：
S1，波纹轧制制备带环形波纹状加强内筋结构的铝合金筒节
S2，机械加工铝合金、钛合金筒节
对铝合金筒节的外圆表面进行机械加工，表面粗糙度值至预设值；
对钛合金筒节的内圆表面进行机械加工，表面粗糙度值至预设值；
加工公差为钛合金和铝合金筒节之间满足过盈配合；
S3，钛合金、铝合金筒节预处理
去除铝合金筒节外表面和钛合金筒节内表面的杂质，备用；
S4，钛铝层状筒节挤压成形
S5，钛铝层状复合筒节的真空热处理。
3.根据权利要求2所述的带环形波纹状加强内筋结构的钛铝层状复合筒节的成形工艺，其特征在于，步骤S1中，
轧制温度保持在480±5℃，采用红外线测温仪监测温度，轧制速度0.1m/s，单道次轧制进给量2mm，轧制道次根据波纹芯轴正弦波形的振幅确定。
4.根据权利要求2所述的带环形波纹状加强内筋结构的钛铝层状复合筒节的成形工艺，其特征在于，步骤S2中，
铝合金筒节的外圆表面和钛合金筒节的内圆表面的表面粗糙度值小于等于6.3μm。
5.根据权利要求2所述的带环形波纹状加强内筋结构的钛铝层状复合筒节的成形工艺，其特征在于，步骤S3中，
采用10wt.％的NaOH溶液清洗铝合金筒节外表面，去除外表面的杂质，烘干后备用；采用5vol.％的HF溶液清洗钛合金筒节内表面，去除表面的杂质，烘干后备用。
6.根据权利要求2所述的带环形波纹状加强内筋结构的钛铝层状复合筒节的成形工艺，其特征在于，步骤S4中，
压力机压入速度为0.2m/s。
7.根据权利要求2所述的带环形波纹状加强内筋结构的钛铝层状复合筒节的成形工艺，其特征在于，步骤S5中，
热处理的升温速度10℃/min，最高温度550℃，保温时间120min，随炉冷却。
8.根根据权利要求2所述的带环形波纹状加强内筋结构的钛铝层状复合筒节的成形工艺，其特征在于，还包括步骤S6，机械加工
对热处理后的钛铝层状复合筒节采用车削的方法进行端面加工，加工到预定尺寸。
9.根据权利要求2所述的带环形波纹状加强内筋结构的钛铝层状复合筒节的成形工艺，其特征在于，步骤S4中，压力机为立式液压成型机；
液压成型机包括底座、顶座、移动工作台、液压油箱和控制柜；
底座和顶座之间通过支撑杆连接，移动工作台滑动套设在支撑杆上，移动工作台的下部为上部压块；
上部压块的下部安装挤压套筒；
底座的下部设有左支架和右支架，上部放置模具底座；
顶座上部设置液压油缸，液压油缸通过压力轴与移动工作台连接，液压油缸通过油管与液压油箱连接，液压油缸由控制柜控制。
10.一种带环形波纹状加强内筋结构的钛铝层状复合筒节，其特征在于，通过权利要求1-9任一项所述的带环形波纹状加强内筋结构的钛铝层状复合筒节的成形工艺制成。
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CN115592056A (zh) * 2022-12-15 2023-01-13 太原理工大学（Cn） 一种基于局部高温强压的大厚比夹层筒节轧制复合方法

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