CN115584448A - 一种钽合金药型罩温冷复合阶梯成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了钽合金药型罩温冷复合阶梯成形方法，步骤包括：在钽合金挤压棒材上下料；将所得坯料放入预成形模具型腔，在应变速率为0.1s‑1~1s‑1、正反挤压工序的共同作用下实施1~3道次的阶梯成形得预成形件；将所得预成形件和终成形模具分别进行加热；将加热后的预成形件放入加热后的终成形模具型腔，在应变速率为0.1s‑1~1s‑1、正反挤压工序的共同作用下实施2~4道次的阶梯温成形得中成形件；对所得中成形件实施真空退火处理，最后放入终成形模具型腔实施冷精整形，得成形件。采用本发明方案制备的钽合金药型罩具有很低的织构强度，其织构强度仅为2.65‑2.81，且制备钽合金药型罩的成本低、效率高。

Description

一种钽合金药型罩温冷复合阶梯成形方法
技术领域
本发明涉及高密度合金构件制造技术领域，具体涉及一种钽合金药型罩温冷复合阶梯成形方法。
背景技术
钽及钽合金因具有高密度、高熔点、耐蚀和良好的动态延展性等优点，成为紫铜药型罩的理想替代材料。目前，钽合金药型罩被作为一种高密度合金构件，被广泛应用于武器装备领域的聚能战斗部和石油开采领域的石油射孔弹等。
现有钽合金药型罩的制造方法主要有以下两种。一是采用传统的车削成形，直接将棒材车削加工成最终的药型罩成品，但其缺点包括：生产成本太高，钽合金原材料价格昂贵(市场价4000元/kg以上)，直接将钽合金棒材车削加工成特定形状结构的药型罩，材料浪费严重；表面质量差，钽合金材料质软，加工过程中粘刀、刀具易磨损，导致药型罩表面形成啃挤等缺陷；加工效率低，该方案通常仅用于药型罩制造方法的最终精加工成形工序。二是采用粉末冶金方法，将一定尺寸范围的合金粉末粒子混合均匀，在高温高压下对合金粉末粒子进行热等静压制备药型罩，其虽然可以减少原材料的消耗，但本质上属于多孔材料，粉末罩内部密实度低，结合强度差，相同装药条件下粉末罩的破甲能力低于密实罩，且各合金成分的密度、粒度差别较大，在制造时容易发生偏聚，导致药型罩质量降低。
更关键地是，钽合金药型罩属于带有弧面的精密构件，现有常规方法制备的钽合金药型罩普遍存在织构强度较高的问题，织构强度通常高于30，要想开发一种加工成本低且能够显著降低织构强度的钽合金药型罩成形工艺更是本领域的一大技术难点。
发明内容
本发明目的在于提供一种加工成本低且能够显著降低织构强度的钽合金药型罩温冷复合阶梯成形方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下所述技术方案。
一种钽合金药型罩温冷复合阶梯成形方法，其特征在于，步骤包括：
步骤1，在钽合金挤压棒材上下料，得棒材坯料；
步骤2，将所得坯料放入预成形模具型腔，在应变速率为0.1s-1～1s-1、正反挤压工序的共同作用下实施1～3道次的阶梯成形，每道次的变形量控制为30～45％，得预成形件；
步骤3，将所得预成形件和终成形模具分别进行加热，所得预成形件加热温度为400～450℃、保温时间28-35min，终成形模具加热温度为400～450℃；
步骤4，将加热后的预成形件放入加热后的终成形模具型腔，在应变速率为0.1s-1～1s-1、正反挤压工序的共同作用下实施2～4道次的阶梯温成形，每道次的变形量控制为10～30％，得中成形件(经本步骤处理后的合金件称之为中成形件)；
步骤5，对所得中成形件实施真空退火处理；
步骤6，将退火后的中成形件放入终成形模具型腔实施冷精整形，得成形件。
进一步地，为释放合金件形变晶粒内部的储存能，消除合金件的加工硬化组织，步骤5中真空退火处理包括：先将所得中成形件在870～880℃氛围下预退火30～45min，然后在1165～1190℃氛围下保温65-70min；退火过程中，工作真空度不低于5×10-3Pa，升温速率为5～10℃/min，开炉温度控制在100℃以下。
进一步地，步骤6具体包括：将退火后的中成形件放入终成形模具型腔，在应变速率为0.1s-1～0.5s-1、正反挤压工序的共同作用下实施2～3道次的阶梯成形，每道次的变形量控制为0.5～8％。
为优化成形件的表观质量，所述阶梯成形过程中，合金件表面始终分布有润滑剂。
作为优选，所述钽合金为钽钨合金，牌号为TaW2.5。
作为优选，步骤2中，所得预成形件的圆周壁厚差≤0.3mm，表面无明显的凹坑、划痕或者夹杂，粗糙度≤Ra0.8μm；步骤2中，所得中成形件圆周壁厚差≤0.1mm，表面无明显的凹坑、划痕或者夹杂，粗糙度≤Ra0.4μm。
作为优选，步骤3中，采用电阻炉对预成形件进行加热，采用电阻丝线圈对终成形模具进行加热。
作为优选，坯料表面分布的润滑剂采用拉丝油、蓖麻油、动物油、机油或油基石墨。
在本发明的一个具体优选应用方案中，所述钽合金药型罩为弧锥结合型的钽合金零件，其口径为φ104mm、内曲率半径为150mm、外曲率半径为132mm、锥角为21°；步骤2中，第一、第二道次的变形量依次控制为35％、30％；步骤4中，第一、第二、第三道次的变形量依次控制为27％、22％、15％；步骤6中，第一、第二、第三道次的变形量依次控制为8％、3％、1％。
在本发明的另一个具体优选应用方案中，所述钽合金药型罩为球缺型的钽合金构件，其口径为φ131mm、内曲率半径为138mm、外曲率半径为140mm、锥角为19°；步骤2中，第一、第二、第三道次的变形量依次控制为38％、36％、32％；步骤4中，第一、第二、第三、第四道次的变形量依次控制为30％、24％、18％、15％；步骤6中，第一、第二、第三道次的变形量依次控制为7％、3％、0.5％。
有益效果：采用本发明方案制备的钽合金药型罩具有很低的织构强度，其织构强度仅为2.65-2.81，且制备钽合金药型罩的成本低、效率高，相比于传统冷成形方式，其生产效率可提高30％以上，成形结束后仅需加工中心波导孔、口径和端面，加工余量较少，相比于传统冲压成形工艺，材料利用率可以提高50％以上；采用本发明方案制备的钽合金药型罩，具有均匀细小的多目标软态组织，成形件平均晶粒尺寸≤30μm，成形件的周向与心部的平均晶粒尺寸差≤8μm；采用本发明方案制备的钽合金药型罩表观质量好，表面粗糙度≤Ra0.2μm，表面无明显的凹坑、划痕和夹杂。
采用本发明方案，能够促使晶体中位错增值并缠结组成胞状结构的胞壁发生平直化，能够借助界面能的差异，促使坯件组织内部无畸变的新晶粒不断向畸变区域推进，将原始变形组织逐渐转变为无畸变的新晶粒。
附图说明
图1是实施例1中钽合金药型罩的制造工序示意图；
图2是实施例1中钽合金药型罩成形道次间变形量分布图；
图3是实施例1中的钽合金药型罩心部和周向试样金相组织图：(a)、周向1；(b)、周向2；(c)周向3；(d)、心部；
图4是实施例2中钽合金药型罩成形道次间变形量分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但以下实施例的说明只是用于帮助理解本发明的原理及其核心思想，并非对本发明保护范围的限定。应当指出，对于本技术领域普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，针对本发明进行的改进也落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例1
一种钽合金药型罩温冷复合阶梯成形方法，如图1所示，本实施例针对一种弧锥结合型的钽合金药型罩成形方法进行说明，该钽合金药型罩口径为φ104mm、内曲率半径为150mm、外曲率半径为132mm、锥角为21°。该成形方法按照以下步骤进行。
步骤1，针对钽合金药型罩的形状、尺寸，并结合钽材成形特性、阶梯成形工艺特点设计出其成形件结构；根据塑性成形过程中体积不变原理，采用三维有限元模拟、理论解析等研究方法，并借助三维造型软件UG、Pro/E，计算获得原始钽合金坯料体积，得到所需钽合金棒材直径为φ50mm，沿该坯料半径方向进行硬度测量，其硬度值为(130～151)HV，平均晶粒尺寸为62μm；据此在相应的钽合金挤压棒材上下料，得棒材坯料。
步骤2，在所得坯料表面均匀涂抹钽金属拉丝油润滑剂，室温条件下，将所得坯料放入预成形模具型腔，在应变速率为0.1s-1～1s-1、正反挤压工序的共同作用下实施两道次的阶梯成形，其变形分配量见图2第1部分所示，第一、第二道次的变形量依次控制为35％、30％，得到圆周壁厚差≤0.25mm、粗糙度≤Ra0.8μm，表面无明显凹坑、划痕或者夹杂等缺陷的预成形件。
步骤3，将所得预成形件和终成形模具分别进行加热，所得预成形件在电阻炉中进行加热，加热温度为410℃、保温时间30min，采用加热装置对终成形模具进行加热，终成形模具加热温度为430℃。
步骤4，将加热后的预成形件放入加热后的终成形模具型腔，在应变速率为0.1s-1～1s-1、正反挤压工序的共同作用下实施三道次的阶梯温成形，第一、第二、第三道次的变形量依次控制为27％、22％、15％，每相邻道次阶梯成形之间进行一次合金件回炉加热，并在合金件内外表面均匀涂抹一层油基石墨润滑剂，每道次的变形量按图2中第二部分进行分配，得圆周壁厚差≤0.1mm、粗糙度≤Ra0.4μm，表面无明显的凹坑、划痕或者夹杂等缺陷的中成形件。
步骤5，先将所得中成形件在875℃氛围下预退火30min，然后在1180℃氛围下保温70min；退火过程中，工作真空度不低于5×10-3Pa，升温速率为7℃/min，开炉温度控制在100℃以下。
步骤6，将退火后的中成形件放入终成形模具型腔，在应变速率为0.1s-1～0.5s-1、正反挤压工序的共同作用下实施三道次的阶梯成形，其道次变形量分配如图2第3部分所示，第一、第二、第三道次的变形量依次控制为8％、3％、1％，成形过程中在成形件内外表面均匀涂抹蓖麻油润滑剂，成形后的钽合金药型罩圆周壁厚差≤0.08mm、粗糙度≤Ra0.2μm，表面无明显的凹坑、划痕和夹杂等缺陷。
对实施例1中制得的钽合金药型罩进行金相组织检测和织构强度检测，检测部位分别为钽合金药型罩试样心部与周向三个不同部位，金相组织如图3所示，结果显示：试样心部的平均晶粒尺寸为28.8μm，周向三个不同部位的平均晶粒尺寸分别为25.7μm、27.3μm、27.0μm，周向与心部平均晶粒尺寸偏差≤3.1μm，织构强度2.65。
实施例2
一种钽合金药型罩温冷复合阶梯成形方法，本实施例针对一种弧锥结合型的钽合金药型罩成形方法进行说明，该钽合金药型罩口径为φ131mm、内曲率半径为138mm、外曲率半径为140mm、锥角为19°。该成形方法按照以下步骤进行。
步骤1，针对钽合金药型罩的形状、尺寸，并结合钽材成形特性、阶梯成形工艺特点设计出其成形件结构；根据塑性成形过程中体积不变原理，采用三维有限元模拟、理论解析等研究方法，并借助三维造型软件UG、Pro/E，计算获得原始钽合金坯料体积，得到所需钽合金棒材直径为φ60mm，沿该坯料半径方向进行硬度测量，其硬度值为(127～145)HV，平均晶粒尺寸为58μm；据此在相应的钽合金挤压棒材上下料，得棒材坯料。
步骤2，在所得坯料表面均匀涂抹钽金属拉丝油润滑剂，室温条件下，将所得坯料放入预成形模具型腔，在应变速率为0.1s-1～1s-1、正反挤压工序的共同作用下实施三道次的阶梯成形，其变形分配量见图4第1部分所示，第一、第二、第三道次的变形量依次控制为38％、36％、32％，得到圆周壁厚差≤0.3mm、粗糙度≤Ra0.8μm，表面无明显凹坑、划痕或者夹杂等缺陷的预成形件。
步骤3，将所得预成形件和终成形模具分别进行加热，所得预成形件在电阻炉中进行加热，加热温度为430℃、保温时间45min，采用加热装置对终成形模具进行加热，终成形模具加热温度为450℃。
步骤4，将加热后的预成形件放入加热后的终成形模具型腔，在应变速率为0.1s-1～1s-1、正反挤压工序的共同作用下实施四道次的阶梯温成形，第一、第二、第三、第四道次的变形量依次控制为30％、24％、18％、15％，每相邻道次阶梯成形之间进行一次合金件回炉加热，并在合金件内外表面均匀涂抹一层油基石墨润滑剂，每道次的变形量按图4中第二部分进行分配，得圆周壁厚差≤0.09mm、粗糙度≤Ra0.4μm，表面无明显的凹坑、划痕或者夹杂等缺陷的中成形件。
步骤5，先将所得中成形件在878℃氛围下预退火45min，然后在1170℃氛围下保温68min；退火过程中，工作真空度不低于5×10-3Pa，升温速率为9℃/min，开炉温度控制在100℃以下。
步骤6，将退火后的中成形件放入终成形模具型腔，在应变速率为0.1s-1～0.5s-1、正反挤压工序的共同作用下实施三道次的阶梯成形，其道次变形量分配如图4第3部分所示，第一、第二、第三道次的变形量依次控制为7％、3％、0.5％，成形过程中在成形件内外表面均匀涂抹蓖麻油润滑剂，成形后的钽合金药型罩圆周壁厚差≤0.06mm、粗糙度≤Ra0.2μm，表面无明显的凹坑、划痕和夹杂等缺陷。
对实施例2中制得的钽合金药型罩进行金相组织检测和织构强度检测，检测部位分别为钽合金药型罩试样心部与周向三个不同部位，结果显示：试样心部的平均晶粒尺寸为27.9μm，周向三个不同部位的平均晶粒尺寸分别为24.3μm、26.8μm、26.1μm，周向与心部平均晶粒尺寸偏差≤3.6μm，织构强度2.81。
采用前述方案制备的钽合金药型罩具有很低的织构强度，其织构强度仅为2.65-2.81，且制备钽合金药型罩的成本低、效率高，相比于传统冷成形方式，其生产效率可提高30％以上，成形结束后仅需加工中心波导孔、口径和端面，加工余量较少，相比于传统冲压成形工艺，材料利用率可以提高50％以上；采用前述方案制备的钽合金药型罩，具有均匀细小的多目标软态组织，成形件平均晶粒尺寸＜30μm，成形件的周向与心部的平均晶粒尺寸差＜8μm；采用前述方案制备的钽合金药型罩表观质量好，表面粗糙度≤Ra0.2μm，表面无明显的凹坑、划痕和夹杂。制备钽合金药型罩过程中，能够促使晶体中位错增值并缠结组成胞状结构的胞壁发生平直化，能够借助界面能的差异，促使坯件组织内部无畸变的新晶粒不断向畸变区域推进，将原始变形组织逐渐转变为无畸变的新晶粒。
实施例3
一种钽合金药型罩温冷复合阶梯成形方法，参照实施例1，其与实施例1的区别在于：
步骤2中，第一、第二道次的变形量依次控制为35％、35％；
步骤3中，加热温度为400℃、保温时间35min；
步骤4中，第一、第二、第三道次的变形量依次控制为32％、25％、25％；
步骤5中，在870℃氛围下预退火45min，在1165℃氛围下保温65min；退火过程中升温速率为8℃/min；
步骤6中，第一、第二、第三道次的变形量依次控制为7.5％、2.5％、1％。
对实施例3中制得的钽合金药型罩进行金相组织检测和织构强度检测，检测部位分别为钽合金药型罩试样心部与周向三个不同部位，结果显示：试样心部的平均晶粒尺寸为26.3μm，周向三个不同部位的平均晶粒尺寸分别为25.3μm、25.8μm、26.5μm，织构强度2.72。
实施例4
一种钽合金药型罩温冷复合阶梯成形方法，参照实施例2，其与实施例2的区别在于：
步骤2中，第一、第二、第三道次的变形量依次控制为39％、33％、30％；
步骤3中，加热温度为450℃、保温时间28min；
步骤4中，第一、第二、第三、第四道次的变形量依次控制为30％、21％、20％、14％；
步骤5中，在880℃氛围下预退火30min，在1190℃氛围下保温60min；退火过程中升温速率为8.5℃/min；
步骤6中，第一、第二、第三道次的变形量依次控制为4％、1.5％、0.5％。
对实施例3中制得的钽合金药型罩进行金相组织检测和织构强度检测，检测部位分别为钽合金药型罩试样心部与周向三个不同部位，结果显示：试样心部的平均晶粒尺寸为27.5μm，周向三个不同部位的平均晶粒尺寸分别为24.6μm、25.8μm、25.7μm，织构强度2.75。

Claims (10)

1.一种钽合金药型罩温冷复合阶梯成形方法，其特征在于，步骤包括：
步骤1，在钽合金挤压棒材上下料，得棒材坯料；
步骤2，将所得坯料放入预成形模具型腔，在应变速率为0.1s-1～1s-1、正反挤压工序的共同作用下实施1～3道次的阶梯成形，每道次的变形量控制为30～45％，得预成形件；
步骤3，将所得预成形件和终成形模具分别进行加热，所得预成形件加热温度为400～450℃、保温时间28-35min，终成形模具加热温度为400～450℃；
步骤4，将加热后的预成形件放入加热后的终成形模具型腔，在应变速率为0.1s-1～1s-1、正反挤压工序的共同作用下实施2～4道次的阶梯温成形，每道次的变形量控制为10～30％，得中成形件；
步骤5，对所得中成形件实施真空退火处理；
步骤6，将退火后的成形件放入终成形模具型腔实施冷精整形。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5中真空退火处理包括：先将所得中成形件在870～880℃氛围下预退火30～45min，然后在1165～1190℃氛围下保温65-70min；退火过程中，工作真空度不低于5×10-3Pa，升温速率为5～10℃/min，开炉温度控制在100℃以下。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤6具体包括：将退火后的成形件放入终成形模具型腔，在应变速率为0.1s-1～0.5s-1、正反挤压工序的共同作用下实施2～3道次的阶梯成形，每道次的变形量控制为0.5～8％。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述阶梯成形过程中，坯料表面始终分布有润滑剂。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于：所述钽合金为钽钨合金，牌号为TaW2.5。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤2中，所得预成形件的圆周壁厚差≤0.3mm，表面无明显的凹坑、划痕或者夹杂，粗糙度≤Ra0.8μm；步骤2中，所得中成形件圆周壁厚差≤0.1mm，表面无明显的凹坑、划痕或者夹杂，粗糙度≤Ra0.4μm。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤3中，采用电阻炉对预成形件进行加热，采用电阻丝线圈对终成形模具进行加热。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：坯料表面分布的润滑剂采用拉丝油、蓖麻油、动物油、机油或油基石墨。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述钽合金药型罩为弧锥结合型的钽合金零件，其口径为φ104mm、内曲率半径为150mm、外曲率半径为132mm、锥角为21°；步骤2中，第一、第二道次的变形量依次控制为35％、30％；步骤4中，第一、第二、第三道次的变形量依次控制为27％、22％、15％；步骤6中，第一、第二、第三道次的变形量依次控制为8％、3％、1％。
10.据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述钽合金药型罩为球缺型的钽合金构件，其口径为φ131mm、内曲率半径为138mm、外曲率半径为140mm、锥角为19°；步骤2中，第一、第二、第三道次的变形量依次控制为38％、36％、32％；步骤4中，第一、第二、第三、第四道次的变形量依次控制为30％、24％、18％、15％；步骤6中，第一、第二、第三道次的变形量依次控制为7％、3％、0.5％。
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