CN115365613A - 一种s型曲面构件的整体成形制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复杂钛合金构件制造技术领域，具体涉及一种S型曲面构件的整体成形制造方法，主要针对热等静压近净成形S型曲面构件的过程控制。创造性地提出了柔性包套设计方法、包套制造模具通用化设计方法、包套组合制造方法和包套定点支撑方法，实现了S型曲面构件的高性能、高精度整体成形，解决了复杂异形曲面整体成形的工程难题。高质量的S型曲面构件研制为复杂钛合金构件制造提供了新的技术途径，并为航空航天武器装备的升级换代奠定了工艺基础。
Description
技术领域
本发明属于复杂钛合金构件制造技术领域，具体涉及一种热等静压近净成形S型曲面构件的方法，主要针对热等静压成形过程S型曲面构件的高精度、高性能和高效率制造。
背景技术
随着对航空航天武器装备性能要求的不断提高，航空航天产品中关键构件上呈结构功能一体化、轻质、高性能的发展趋势。核心部件呈现复杂、薄壁、多功能、整体化和轻质化新特征，给产品的研制和生产带来了巨大的困难。钛合金密度低、比强度高、抗腐蚀性好、高/低温性能优异，集航空航天产品所需性能、特质于一体，被誉为“宇宙金属”、“空间金属”，成为了航空航天领域广泛应用的关键材料之一。钛合金制造技术随着材料的广泛使用迅速发展，面向大型化、整体化、结构复杂化的钛合金构件制造是目前的航空航天领域的研究热点。
S型曲面构件一般是为了实现某种特种功能而设计，如航空发动机尾喷管设计成S型构件可显著降低雷达反射率，提高发动机隐身性能，目前国内外均在开展高性能钛合金S型喷管构件的研制。国内外制造S型曲面构件主要的工艺包括分段精密机加工或者精密铸造，但存在着加工周期长、制造成本高、性能不足等诸多问题。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，一种S型曲面构件的整体成形制造方法，特别针对热等静压近净成形S型曲面构件的精度控制。
本发明的技术解决方案是：一种S型曲面构件的整体成形制造方法，包括：
(1)根据S型曲面构件的结构设计并制造成形包套，所述成形包套包括S型包套芯模、S型包套外壁、包套下盖、包套上盖、除气钢管、块体支撑和仿形环支撑；
(2)将S型包套芯模、S型包套外壁、包套下盖、包套上盖进行装配焊接，得到可以装粉的S型构件包套，然后使用定点支撑方法将块体支撑和仿形环支撑装配固定到S型构件包套的指定位置，完成对指定位置的定点支撑；
(3)通过包套上盖预留的装粉孔将钛合金球形粉末装入S型构件包套中，并振实粉末；完成装粉后将装粉孔密封，然后将除气钢管插入到预留的包套上盖除气孔中，最后通过氩弧焊得到完整的S型构件包套；
(4)将步骤(3)中完整的S型构件包套放入炉内，除气钢管接入真空机组，高温下抽真空进行除气，完成除气后将钢管封焊；
(5)将步骤(4)中封焊后的S型构件包套进行热等静压处理；
(6)去除包套，得到钛合金S型曲面构件，然后进行表面处理和真空退火处理，最后机加工留有余量的两端法兰，得到最终的S型曲面构件。
优选的，S型包套芯模和S型包套外壁均采用柔性设计方法，所述柔性即包套材料均选用一定厚度的低碳钢或者不锈钢板材。
优选的，S型包套芯模设计厚度为10～20mm，S型包套外壁设计厚度为5～10mm，包套上盖、包套下盖设计厚度为5～10mm。
优选的，采用热等静压近净成形技术实现S型曲面构件内、外型面的精确成形；首先通过计算S型包套芯模外型面往外放量，S型曲面构件内型面尺寸为α1mm，放量尺寸α2＝截面等效圆直径*(0.005～0.015)mm，则S型包套芯模外型面尺寸α＝(α1+α2)mm；其次S型曲面构件壁厚为δmm，则S型包套外壁内型面尺寸β＝(α+1.25δ)～(α+1.35δ)mm。
优选的，通过设计一套通用热压模具同时实现S型包套芯模和S型包套外壁的坯料成形，所述通用热压模具外壁热压模块和芯模热压模块；
首先是根据一半结构的S型包套外壁结构设计外壁热压模块，模块分为凹模和凸模，成形出两块包套外壁坯料，然后在外壁热压模块的凹模上套装适配芯模的凹模板，然后热压成形出两块包套芯模坯料。
优选的，采用组合制造方法制造S型包套外壁和S型包套芯模，其中：
采用激光焊将两块包套芯模坯料焊接为一体，要求100％焊透；根据设计的S型包套芯模机加工外型面，得到完整的S型包套芯模；
采用激光焊在包套外壁坯料上对应环形加强筋的位置焊上环形环，要求100％焊透，然后根据设计的一半S型包套外壁图机加工内型面，得到一半结构的S型包套外壁。
优选的，装配、焊接S型构件包套包括：
首先将包套下盖放置到装配平台上，将完整的S型包套芯模装配到包套下盖的内型面，氩弧焊接连为一体；然后将两个一半结构的S型包套外壁内型面分别和包套下盖的外型面装配，同时两个一半结构的S型包套外壁组合为整体的S型包套外壁，通过氩弧焊接为一体；最后将包套上盖装入S型包套芯模和S型包套外壁，氩弧焊接为一体，上盖上留有装粉孔和除气孔。
优选的，包套焊接完成后，在S型包套芯模的内型面对应加强筋和安装座的位置用氩弧点焊进行定点支撑，加强筋位置用仿形环支撑，仿形环中间十字支撑，和S型包套芯模氩弧点焊连接；安装座位置直接用块体支撑，和S型包套芯模氩弧点焊连接。
优选的，高温下除气温度为700～800℃，真空度优于5*10-3Pa，抽真空时间为6～10h；热等静压处理的工艺参数为：温度为900～930℃，压力为130～150MPa，时间为2～4h；真空退火温度为700～850℃，退火时间为60～120min，真空度优于1*10-3Pa。
优选的，S型曲面构件是功能性钛合金构件，产品沿中间剖面对称分布，总长1m以上，壁厚小于4mm，截面形状为圆形、椭圆形、矩形或者两两结合，内型面为光滑过渡，外型面分布数量不等的加强筋和安装座。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)相比于传统成形方式，该方法成形出的S型曲面构件内部质量高，无气孔、缩松、夹杂等缺陷，力学性能高，可以达到国军标锻件标准，综合性能非常优异。
(2)通过该整体制造方法，S型曲面构件大面积的内型面和外型面均实现了净成形，后续仅需要加工两端法兰无需后续加工，材料利用率达到80％以上，在保证了产品的尺寸精度和壁厚精度的同时解决了S型曲面的加工难题，显著提高了S型曲面构件的质量，为我国复杂钛合金构件制造提供了新的技术途径。
附图说明
图1为S型曲面构件结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。
一种S型曲面构件的整体成形制造方法，该方法包括：
(1)S型曲面构件是功能性钛合金构件，产品沿中间剖面对称分布，总长一般在1m以上，壁厚一般小于4mm，截面形状一般为圆形、椭圆形、矩形或者两两结合，内型面为光滑过渡，外型面分布数量不等的加强筋和安装座。根据S型曲面构件的结构设计成形包套，主要包括S型包套芯模、S型包套外壁、包套下盖、包套上盖、除气钢管、块体支撑和仿形环支撑。
采用本方法制造的S型曲面构件内型面和外型面均直接净成形，后续不再加工。针对此种类型构件，传统的包套设计一般采用实心钢锻件加工，该方法容易控制热等静压过程中的变形，但同时带来的是包套加工周期长、包套过重、去除周期长和成本过高等诸多问题。S型曲面构件包套设计中，S型包套芯模和S型包套外壁均采用柔性设计方法，柔性即包套材料均选用低碳钢或者不锈钢板材，整个包套在热等静压的高温高压下会发生整体变形，但通过精确的变形计算对包套提前进行尺寸优化，以此保证成形精度。S型包套芯模设计厚度为10～20mm，S型包套外壁设计厚度为5～10mm，包套上盖、包套下盖设计厚度为5～10mm。
本方法采用热等静压近净成形技术实现S型曲面构件内、外型面的精确成形。首先通过计算将S型包套芯模外型面往外放量，S型曲面构件内型面尺寸为α1mm，放量尺寸α2＝截面等效圆直径*(0.005～0.015)mm，则S型包套芯模外型面尺寸α＝(α1+α2)mm；其次S型曲面构件壁厚为δmm，则S型包套外壁内型面尺寸β＝(α+1.25δ)～(α+1.35δ)mm。
(2)采用通用化的包套模具先成形出S型包套芯模和S型外包套的坯料，将坯料组合焊接、加工后得到步骤(1)中设计的完整S型包套芯模和一半S型包套外壁，步骤包括；
由于S型曲面构件是面对称结构，因此S型包套芯模和S型包套外壁也都是面对称的板材构件，将S型包套芯模和S型包套外壁对称剖开，采用热压成形可以快速高效的实现坯料制造。设计一套通用热压模具，可以同时实现S型包套芯模和S型包套外壁的坯料成形。通用热压模具主要有两部分构成，分别是外壁热压模块和芯模热压模块，首先是根据一半结构的S型包套外壁结构设计外壁热压模块，模块分为凹模和凸模，成形出两块外壁坯料，然后在外壁热压模块的凹模上套装适配芯模的凹模板，然后热压成形出两块芯模坯料。
采用组合制造方法实现以S型包套外壁和S型包套芯模为主体的包套制造，采用激光焊将两块包套芯模坯料焊接为一体，要求100％焊透，然后根据设计的S型包套芯模机加工外型面，得到完整的S型包套芯模。采用激光焊在包套外壁坯料上对应环形加强筋的位置焊上环形环，要求100％焊透，然后根据设计的一半S型包套外壁图机加工内型面，得到一半结构的S型包套外壁。
(3)将S型包套芯模、两个一半S型包套外壁、包套下盖、包套上盖进行装配焊接，得到可以装粉的S型构件包套，然后使用定点支撑方法将块体支撑和仿形环支撑装配固定到S型构件包套的指定位置，完成对指定位置的定点支撑；
装配、焊接S型曲面构件包套的步骤为：首先将包套下盖放置到装配平台上，将完整的S型包套芯模装配到包套下盖的内型面，氩弧焊接连为一体；然后将两个一半结构的S型包套外壁内型面分别和包套下盖的外型面装配，同时两个一半结构的S型包套外壁组合为整体的S型包套外壁，通过氩弧焊接为一体；最后将包套上盖装入S型包套芯模和S型包套外壁，氩弧焊接为一体，上盖上留有装粉孔。
装粉量越大的位置变形量就越大，因此S型曲面构件的加强筋和安装座位置是变形最大的位置。包套焊接完成后，在S型包套芯模的内型面对应加强筋和安装座的位置用氩弧点焊进行定点支撑，加强筋位置用仿形环支撑，仿形环中间十字支撑，和S型包套芯模氩弧点焊连接。安装座位置直接用块体支撑，和S型包套芯模氩弧点焊连接。
(4)通过包套上盖预留的装粉孔形成装粉通道，将钛合金球形粉末装入步骤(3)得到的S型构件包套中，并振实粉末。完成装粉后将装粉孔密封，然后将除气钢管插入到预留的包套上盖除气孔中，最后进行氩弧焊得到完整的S型构件包套；
(5)将步骤(4)中完整S型曲面构件包套放入炉内，除气钢管接入真空机组，高温下抽真空进行除气，完成除气后将钢管封焊；
(6)将步骤(5)中封焊后的S型曲面构件包套进行热等静压处理；
(7)完成热等静压后，通过机加工和电化学相结合的方式去除包套，得到钛合金S型曲面构件，然后进行表面处理和真空退火处理，最后机加工留有余量的两端法兰，得到最终的S型曲面构件。
实施例1
某S型曲面构件是航空发动机尾喷管，材料是TC4钛合金，总体轮廓尺寸为Φ510*1306mm，截面为圆转矩形，壁厚为3mm，外型面分布4条加强筋。以该型S型曲面构件为例，讲述一种S型曲面构件的整体成形制造方法。
(1)根据S型曲面构件产品结构设计包套，主要包括S型包套芯模、S型包套外壁、包套下盖、包套上盖、除气钢管、块体支撑和仿形环支撑，其中S型包套芯模和S型包套外壁为包套主体，辅以包套上盖、包套下盖、除气钢管、块体支撑和仿形环支撑等。
(2)在该件S型曲面构件包套结构设计中，S型包套芯模和S型包套外壁均采用柔性设计方法，包套材料均选用304不锈钢板材，S型包套芯模设计厚度为15mm，S型包套外壁设计厚度为8mm，包套上盖、包套下盖设计厚度为8mm。通过三维软件截取S型曲面构件内型面轮廓，记为α1，等效圆直径为510mm，放量尺寸α2＝510*0.01＝5.1mm，则S型包套芯模外型面尺寸α＝(α1+5.1)mm。S型曲面构件壁厚为3mm，则S型包套外壁内型面尺寸β＝(α+3.9)mm。其余包套零件根据结构也进行相应设计，形成完整的S型曲面构件包套设计图。
(3)设计并加工制造一套通用热压模具，通用热压模具主要有两部分构成，分别是外壁热压模块和芯模热压模块，首先是根据一半结构的S型包套外壁结构设计外壁热压模块，模块分为凹模和凸模，成形出两块外壁坯料，然后在外壁热压模块的凹模上套装适配芯模的凹模板，然后热压成形出两块芯模坯料。
(4)采用组合制造方法实现以S型包套外壁和S型包套芯模为主体的包套制造，采用激光焊将两块包套芯模坯料焊接为一体，要求100％焊透，然后根据设计的S型包套芯模机加工外型面，得到完整的S型包套芯模。采用激光焊在包套外壁坯料上对应环形加强筋的位置焊上环形环，要求100％焊透，然后根据设计的一半S型包套外壁图机加工内型面，得到一半结构的S型包套外壁。
(5)装配、焊接S型曲面构件包套的步骤为：首先将包套下盖放置到装配平台上，将完整的S型包套芯模装配到包套下盖的内型面，氩弧焊接连为一体；然后将两个一半结构的S型包套外壁内型面分别和包套下盖的外型面装配，同时两个一半结构的S型包套外壁组合为整体的S型包套外壁，通过氩弧焊接为一体；最后将包套上盖装入S型包套芯模和S型包套外壁，氩弧焊接为一体，上盖上留有装粉孔。
(6)通过预留的装粉孔将TC4钛合金球形粉末装入S型曲面构件包套中，利用振动、敲击等方式振实粉末，装粉量为89.6kg。将包套上盖与完成装粉的中介机匣成形包套进行装配焊接，并将除气钢管插入包套上盖预留的孔，氩弧焊接后得到完整的S型曲面构件包套。
(7)将S型曲面构件包套放入地坑炉内，除气钢管接入真空机组，高温下除气，然后进行封焊。封焊后的S型曲面构件包套放入热等静压机内进行热等静压处理。高温下除气温度为750℃，真空度优于5*10-3Pa，抽真空时间为8h；热等静压处理的工艺参数为：温度为910℃，压力为140MPa，时间为3h。
(8)完成热等静压后，通过机加工和电化学相结合的方式去除S型曲面构件包套，得到钛合金的S型曲面构件毛坯。对S型曲面构件毛坯进行表面处理和真空退火处理，真空退火温度为750℃，退火时间为90min，真空度优于1*10-3Pa，热处理后精加工两端法兰得到S型曲面构件。
S型曲面构件产品重量为75.3kg，装粉量为89.6kg，材料利用率达到了84％。取样对成形的S型曲面构件力学性能进行了测试，测试标准分别是GB/T228，其中常温力学性能的屈服强度分别为855MPa、851MPa和848MPa，抗拉强度分别为925MPa、920MPa和919MPa，伸长率分别为17.0％、18.0％和18.5％，断面收缩率分别为42％、43％和45％。对精加工后的S型曲面构件进行荧光检测，荧光检测按GJB 2367A进行，结果未发现表面裂纹。对精加工后的S型曲面构件进行X射线检测，按GJB 1187A进行，并按ASTM E1320进行判定，结果X射线检测未见气孔、疏松和夹杂。热等静压成形的整体S型曲面构件综合性能和内部质量均达到了同牌号钛合金锻件标准。
用高精度三坐标测量仪对S型曲面构件内型面净成形位置的尺寸精度进行测量。内型面在高度方向均布十个面，每个面周向取36个点，共360个点，其轮廓值为-0.37～+0.46mm，整体制造的S型曲面构件内型面精度符合图纸面轮廓度1mm的要求。
用高精度三坐标测量仪对S型曲面构件外型面净成形位置的尺寸精度进行测量。外型面在高度方向均布十个面，每个面周向取36个点，共360个点，其轮廓值为-0.78～+0.89mm，整体制造的S型曲面构件外型面精度符合图纸面轮廓度2mm的要求。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。
Claims (10)
1.一种S型曲面构件的整体成形制造方法，其特征在于包括：
(1)根据S型曲面构件的结构设计并制造成形包套，所述成形包套包括S型包套芯模、S型包套外壁、包套下盖、包套上盖、除气钢管、块体支撑和仿形环支撑；
(2)将S型包套芯模、S型包套外壁、包套下盖、包套上盖进行装配焊接，得到可以装粉的S型构件包套，然后使用定点支撑方法将块体支撑和仿形环支撑装配固定到S型构件包套的指定位置，完成对指定位置的定点支撑；
(3)通过包套上盖预留的装粉孔将钛合金球形粉末装入S型构件包套中，并振实粉末；完成装粉后将装粉孔密封，然后将除气钢管插入到预留的包套上盖除气孔中，最后通过氩弧焊得到完整的S型构件包套；
(4)将步骤(3)中完整的S型构件包套放入炉内，除气钢管接入真空机组，高温下抽真空进行除气，完成除气后将钢管封焊；
(5)将步骤(4)中封焊后的S型构件包套进行热等静压处理；
(6)去除包套，得到钛合金S型曲面构件，然后进行表面处理和真空退火处理，最后机加工留有余量的两端法兰，得到最终的S型曲面构件。
2.根据权利要求1所述的一种S型曲面构件的整体成形制造方法，其特征在于：S型包套芯模和S型包套外壁均采用柔性设计方法，所述柔性即包套材料均选用一定厚度的低碳钢或者不锈钢板材。
3.根据权利要求2所述的一种S型曲面构件的整体成形制造方法，其特征在于：S型包套芯模设计厚度为10～20mm，S型包套外壁设计厚度为5～10mm，包套上盖、包套下盖设计厚度为5～10mm。
4.根据权利要求1所述的一种S型曲面构件的整体成形制造方法，其特征在于：采用热等静压近净成形技术实现S型曲面构件内、外型面的精确成形；首先通过计算S型包套芯模外型面往外放量，S型曲面构件内型面尺寸为α1mm，放量尺寸α2＝截面等效圆直径*(0.005～0.015)mm，则S型包套芯模外型面尺寸α＝(α1+α2)mm；其次S型曲面构件壁厚为δmm，则S型包套外壁内型面尺寸β＝(α+1.25δ)～(α+1.35δ)mm。
5.根据权利要求1所述的一种S型曲面构件的整体成形制造方法，其特征在于：通过设计一套通用热压模具同时实现S型包套芯模和S型包套外壁的坯料成形，所述通用热压模具外壁热压模块和芯模热压模块；
首先是根据一半结构的S型包套外壁结构设计外壁热压模块，模块分为凹模和凸模，成形出两块包套外壁坯料，然后在外壁热压模块的凹模上套装适配芯模的凹模板，然后热压成形出两块包套芯模坯料。
6.根据权利要求5所述的一种S型曲面构件的整体成形制造方法，其特征在于：采用组合制造方法制造S型包套外壁和S型包套芯模，其中：
采用激光焊将两块包套芯模坯料焊接为一体，要求100％焊透；根据设计的S型包套芯模机加工外型面，得到完整的S型包套芯模；
采用激光焊在包套外壁坯料上对应环形加强筋的位置焊上环形环，要求100％焊透，然后根据设计的一半S型包套外壁图机加工内型面，得到一半结构的S型包套外壁。
7.根据权利要求5所述的一种S型曲面构件的整体成形制造方法，其特征在于：装配、焊接S型构件包套包括：
首先将包套下盖放置到装配平台上，将完整的S型包套芯模装配到包套下盖的内型面，氩弧焊接连为一体；然后将两个一半结构的S型包套外壁内型面分别和包套下盖的外型面装配，同时两个一半结构的S型包套外壁组合为整体的S型包套外壁，通过氩弧焊接为一体；最后将包套上盖装入S型包套芯模和S型包套外壁，氩弧焊接为一体，上盖上留有装粉孔和除气孔。
8.根据权利要求2所述的一种S型曲面构件的整体成形制造方法，其特征在于：包套焊接完成后，在S型包套芯模的内型面对应加强筋和安装座的位置用氩弧点焊进行定点支撑，加强筋位置用仿形环支撑，仿形环中间十字支撑，和S型包套芯模氩弧点焊连接；安装座位置直接用块体支撑，和S型包套芯模氩弧点焊连接。
9.根据权利要求1所述的一种S型曲面构件的整体成形制造方法，其特征在于：高温下除气温度为700～800℃，真空度优于5*10-3Pa，抽真空时间为6～10h；热等静压处理的工艺参数为：温度为900～930℃，压力为130～150MPa，时间为2～4h；真空退火温度为700～850℃，退火时间为60～120min，真空度优于1*10-3Pa。
10.根据权利要求1所述的一种S型曲面构件的整体成形制造方法，其特征在于：S型曲面构件是功能性钛合金构件，产品沿中间剖面对称分布，总长1m以上，壁厚小于4mm，截面形状为圆形、椭圆形、矩形或者两两结合，内型面为光滑过渡，外型面分布数量不等的加强筋和安装座。
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