CN1824422A - 半埋式加热金属板材高温超高压水压一次成形技术、方法与设备 - Google Patents

Abstract

一种利用水在高温下所产生的巨大内高压，以板材为坯料，一次成形容器状(或缩口容器状)金属部件的技术、方法和设备。设备由四部分组成，1.高温高压设备：高压容器(1)、半埋式电热高温炉(2)、工作水(4)；2.成形设备：凹形模具(5)、板材坯料(11)、容器顶盖(6)；3.密封组件：凹凸形密封槽环(7)、螺具(10)；4.控制设备。成形方法及步骤：①将高压容器中加满水；②将板材覆盖在容器上面；③将凹形密封槽与凸形密封环对齐，下行模具；④旋紧螺丝，将板材密封在容器和模具之间；⑤加热高压容器中的工作水至高温；⑥当容器中由高温水所产生的压力超过板材所能承受的张力时，板材向凹形模具拉深变形，直至与内模表面一致。本发明可用于高强度、厚板状金属材料的加工。

Description

半埋式加热金属板材高温超高压水压一次成形技术、方法与设备

1.技术领域

本发明涉及一种全新的金属板材高温超高压水压一次成形技术、方法和设备。具体的，就是利用水在高温下所产生的巨大静压力这一技术及相关设备，以板材作坯料，进行容器状(或缩口容器状)金属部件的一次成形。

加工过程中所需内高压来源于液压室中高温水所产生的巨大静压力，成形介质为高温高压水(超临界水)，金属板材是在高温状态下成形。

2.背景技术

目前通常的液压成形(内高压成形)是以低温流体为成形介质，以液压泵为压力源，通过对液压室快速充填高压液，使板材在高压液的作用下拉深变形，紧贴凹形模腔表面成形。此方法的缺点及局限：①成本较高，需要一高性能液压泵；②工作压力相对较低，工作压力通常为0.3-0.5GPa；③升压较为困难，对于普通的液压泵，若要在工作压力范围的基础上再提升0.1GPa，常常较为困难；④所加工金属部件外表面容易产生扇形微裂隙，因为金属容器毛坯是在常温刚性状态下膨胀；⑤加工高强度金属部件(如钛合金等)受到限制，因是在常温状态下加工；⑥加工厚壁金属部件受到限制，因是在常温状态下加工。

3.发明内容

本发明是一种半埋式加热金属板材高温超高压水压一次成形技术、方法与设备。本发明是利用水在高温下所产生的巨大静压力这一特性，以板材为坯料，进行容器状(缩口容器状)金属部件的一次成形。

本方法无论从压力产生机理、成形介质、成形过程中金属所处的状态，还是从设备构件及方法步骤上都与传统的液压成形技术和设备不同，它是一种全新的技术、方法和设备。

本发明是基于水的状态方程、水的p-V-T关系图、以及下面两组以水为传压介质高温超高压热模拟实验结果提出的：①将加满水(约6-7滴)的外径为48mm，内径为8mm，内外径比为1∶6的Rene41钛钼合金高压釜通过锥形塞头加以密封，然后放入由控温仪控制的管式炉中，以外加热的方式按预先设定好的程序逐渐升温。当炉温升至350℃，发现由釜体内部的高温水所产生的巨大内高压使该钛钼合金高压釜体向外膨胀并爆裂一个长27mm、宽11mm的裂口(见图1B-1)；②同样的实验方法，将加满水(约8-9滴)的外径为60mm，内径为8mm，内外径比为1∶7.5的两个不锈钢高压釜体通过锥形塞头加以密封，然后放入管式炉中，以外加热的方式按预先设置好的程序逐渐升温。当炉温升至450℃和480℃时，由高压釜内部的高温水所产生的巨大内高压导致两个不锈钢高压釜体均向外膨胀，釜体外径由实验前的60mm分别膨胀变形为63.1mm和64.3mm(见图1B-2)。此现象为我们利用水介质在高温下所产生巨大的静压力，以板材为坯料，来进行容器状(缩口容器状)金属部件的一次成形奠定了基础。

本发明的第一项内容是利用水在高温下所产生的巨大静压力，以板材为坯料，进行容器状(或缩口容器状)金属部件的一次成形的技术(见图2)。其特点是，成形过程中所需的内高压来源于水在高温下所产生的巨大压力。水的p-V-T关系是水的基本的物理化学性质，水的密度随着温度和压力变化而变化，当压力增高时，流体的密度可以从水蒸气的密度值连续地变化到液体水的密度值。在高温，如200℃、500℃和1000℃时，要维持常温常压下水的密度(1g/cm³)，所需外部压力分别要达到0.3GPa、0.8GPa、1.82GPa。换句话说，将充满水的(即充填度为100％)封闭的金属容器分别加热到200℃、500℃和1000℃，容器中的高温水将会产生约0.3GPa、0.8GPa、1.82GPa的压力，并均匀作用于四周容器壁上(见图1A)。我们正是利用水的这一特性来进行金属板材的一次成形。即将高压容器中充满水或充填一定量水，利用凹凸形密封组件将板材坯料密封在高压容器和模具之间；以半埋式加热方式透过容器内壁加热容器中的工作水至高温，随着水温的升高，高压容器中由高温水(超临界水)所产生的压力也迅速增高，当此高温水压超过金属板材所能承受的张力时，板材开始紧贴凹形模腔表面成形，这样就得到与凹形模腔表面基本一致的容器状(或缩口容器状)金属部件。其中水在高温下可以产生用于膨胀板材坯料所需的巨大的内高压可以从上述两组高温高压实验结果中得到印证(见图1B-1，图1B-2)。

本发明第二项内容涉及一种半埋式加热并产生成形板状金属材料为容器状(或缩口容器状)金属部件所需内高压的技术及组件。即将高温电热元件置于高压容器底部厚壁中间，透过高压容器内壁(高温炉到工作水之间的容器壁部分)间接对高压容器中的工作水进行加热，使其产生内高压。同时，高压容器外壁缠绕有方形(或圆形)铜管冷却水循环装置，以提高容器壁的抗张强度，进而提高工作水的工作温度及工作压力，扩大本设备的压力使用范围，提供膨胀厚板以及高强度金属板材所需的内超高压(见图3A)。

半埋式加热技术包括高压容器壁中间的半埋式电热高温炉加热技术和容器外壁的冷却技术两部分，其组件主要由高压容器、工作水、半埋式电热高温炉、冷却水循环装置四部分组成(见图3A)。

半埋式加热方式是一种介于内加热和外加热之间的一种加热方式，集中了外加热高压容器密封性好以及内加热高压容器抗张强度高(工作水温度高，产生压力高)两者的优点，同时设备制造技术难度较低(与内加热设备组件相比，如内加热技术中既要考虑高压容器的密封性，又要考虑高温电热元件与工作水和高压容器壁之间的绝缘性)。

本发明第三项内容涉及一种半埋式电热高温炉组件。其特征是将电热高温炉置于高压容器底部容器壁中间，透过容器壁内侧(高温炉到容器内壁之间的容器壁部分)间接对高压容器中的工作水进行加热(见图3A)。

半埋式电热高温炉组件(2)由高强度、耐高温绝缘陶瓷材料基座(2-3)、高温电热元件(2-1)、及隔热板(2-2)三部分组成(见图3A)。其特征是在一整块圆形或方形耐高温、高强度绝缘陶瓷材料板(如氮化硅陶瓷材料板)上均匀加工多条相互连通的U形槽，同时槽壁上贴有隔热板，将高温电热元件置于U形槽中，并外接到高压容器厚壁外面的电源上(见图3A，图3B)。高温炉(2)的形态与高压容器内部形态相对应，可以呈圆形，也可以呈方形(见图3B)。

半埋式电热高温炉组件采用抽屉式设计方式，工作时将此高温炉置于高压容器底部厚壁中所预留的空间中，此空间与电热高温炉组件(2)之间恰好吻合。成形过程中，由高温电热元件所产生的热量透过容器内壁(1-1)对高压容器中的工作水(4)间接进行加热，使其产生成形板材为容器状或缩口容器状金属部件所需的内高压。此外，成形过程中低温高强度的容器外壁(1-2)通过高强度、耐高温绝缘陶瓷材料基座(2-3)对高温低强度的容器内壁(1-1)起一定的支撑作用，以加强该处容器壁的抗张强度。

电热元件(2-1)，采用碳化硅棒(工作温度为1000-1350℃)，或硅化钼棒(工作温度1350-1600℃，最高达1800℃)。使用前对碳化硅棒和硅化钼棒在高温下(1700℃)进行烧结，使碳化硅棒和硅化钼棒外表面产生一层较厚的耐高温硅质绝缘及防氧化层。

绝缘陶瓷材料基座(2-3)及其中的放置高温电热元件(2-1)的U形槽，由高强度、耐高温绝缘性好的氮化硅陶瓷材料经过反应烧结或气压烧结制成。

隔热板表面涂有硼硅酸盐玻璃涂层，目的是最大限度地将由高温电热元件所产生的热量透过高压容器壁内侧(1-1)传导到高压容器内部的工作水中，同时尽量减少电热高温炉将热量传导到容器外壁(1-2)，以提高外壁的抗张强度。

本发明的第四项内容是半埋式加热金属板材高温超高压水压一次成形设备。本设备包含四部分13个基本组件(见图3A)。第一部分为高温高压设备，即压力产生设备，包括高压容器(1)、半埋式电热高温炉(2)、冷却水循环装置(3)、工作水(4)；第二部分为成形设备，包括凹形模具(5)、板材成形过程指示小孔(9)、高压容器顶盖(6)、金属板材坯料(11)；第三部分为密封系统，密封凹(槽)凸(环)组件(7)、密封螺具(10)；第四部分为控制设备，包括温度控制设备(2，12)、模具升降控制设备(8，13)。

设备特征为：①采用半埋式加热方式(介于内加热和外加热之间的一种加热方式)，即将高温电热元件置于高压容器底部厚壁中间，透过高压容器内壁(高温炉到工作水之间的高压容器壁部分)对容器中的工作水进行加热，使其产生内高压；②高压容器外壁缠绕有方形(或圆形)铜管冷却水循环系统，以提高高压容器壁的抗张强度，进而提高工作水的工作温度，产生更高的水压，提供膨胀厚板及高强度金属板材所需的内超高压；③成形过程中所需的内高压来自高压容器中的高温工作水；④高压容器顶盖与凹形模具为一体(或近于一体设计)，其作用一是控制所加工部件的形态，二是起密封作用；⑤本设备不仅可以加工薄板、低强度的金属材料(如铜、铝合金等)，而且更擅长于成形厚板、高强度金属材料(如钛合金、碳素钢，以及不锈钢等)。

本发明的第五项内容是半埋式加热金属板材高温超高压水压一次成形方法，包括如下步骤(见图4A，4B，4C，4D和4E)：

1)将高压容器中加满水(或充填一定量的水)，金属材料不同、板材厚度不同、金属板材变形程度不同，水的充填量也不同；

2)将板材坯料置于高压容器与凹形模具之间；

3)将高压容器上的凹形密封槽与顶盖上的凸形密封环对齐，下行带模具的容器顶盖，并对其施加一定的机械压力，然后旋紧高压容器及顶盖周边的螺具，进一步对板材坯料施加一垂向压力，利用高压容器和顶盖上的凹凸形密封槽环将板材坯料密封在高压容器和模具之间；

4)以半埋式加热方式加热高压容器中的工作水至预定的温度，同时开启高压容器外部的冷却水循环装置。随着高压容器中水温的升高，由高温工作水(超临界水)所产生的内高压也迅速增高，当此高温水压超过板材坯料所能承受的张力时，板材向凹形模具的方向开始凸出变形，直至与凹形内模表面基本一致，此过程可由模具顶部的板材成形过程指示小孔来指示。

5)停止加热，当高温工作水降低至安全温度时，打开凹形模具，就得到与凹形模具内表面基本一致的容器状(或缩口容器状)金属部件。

本发明无论从压力产生机理、成形介质、成形过程中金属所处的状态，还是从设备构件上都与目前传统的液压成形技术和设备不同，它是一种全新的技术和方法。本方法与常规液压成形最大的区别是：①压力产生机理(或压力来源)不同。常规液压成形过程中的压力来源于液压泵中的机械压力，而本方法中的压力来源于水本身在高温下所产生的巨大静压力；②成形介质不同。传统液压成形介质为常温液体(水或油)，而本发明中的成形介质为高温超高压水(即超临界水)，而非传统意义上的液体；③成形过程中金属坯料所处的状态不同，普通液压成形过程中金属坯料是在低温刚性状态下膨胀变形，而本方法中金属坯料是在高温塑性状态下膨胀变形；④由此所造成的成形设备组件及加工方法也不同，传统液压成形设备主要由液压泵、液压室、凹形模具及板材组成，而本设备则由高压容器、半埋式电热高温炉、工作水、凹形模具及板材组成；⑤采用半埋式加热的方式，并且高压容器外壁缠绕有冷却水循环系统。因此，本方法高压容器具有良好的密封性，以及较强的抗张强度，从而使工作水的工作温度以及工作压力大幅提高，可加工厚板及高强度板材。

此外，与传统的液压成形相比，本方法具有如下几方面优点：①成本较低，主要设备组件为高压容器、高温炉和凹形模具；②使用压力范围宽，可从几十个大气压，一直连续变化到1.8万个大气压左右，甚至更高；③增压非常容易，只要将加满水的高压容器中水加热到200℃、500℃、1000℃时，高温工作水即可产生高达300MPa、800MPa和1820MPa的内高压；④所加工容器状(或缩口容器状)金属部件壁质地均匀，因为板材是在高温近于塑性状态下膨胀，即塑性变形，因此只要条件计算和控制适当，金属容器外壁由于膨胀所产生的扇形微裂隙就可避免；⑤可加工诸如钛合金、高强度钢等难成形的金属板材，因是在高温热状态下成形；⑥可加工厚板金属材料，因是在高温热状态下成形。

半埋式加热是一种介于内加热和外加热之间的一种加热方式，它集中了外加热高压容器密封性好和内加热高压容器强度高两种方法的优点，提高了高压容器的抗张强度，工作水的工作温度及工作压力，扩大了本设备压力使用范围，既可以成形薄板、低强度金属板材，也可以加工厚板、高强度金属板材。

4.附图说明

图1A为水在高温下所产生巨大压力示意图

将充满水(即充填度为100％)的封闭的金属容器分别加热到200℃、500℃和1000℃，容器中的水将会产生近200MPa、800MPa、1800MPa的内高压。

图1B不同金属材料和壁厚的高压釜在高温水下膨胀实验实例图

图1B-1钛、钼合金高压釜在350℃高温水产生的内高压作用下膨胀及破裂图(A)

釜体壁厚及内外径比(外径48mm，内径8mm，内外径比1∶6)(B)

图1B-2不锈钢高压釜在480℃高温水产生的内高压作用下膨胀图(A)釜体壁厚及内外径比(外径60mm，内径8mm，内外径比1∶7.5)(B)

图2是本发明的板材高温高压液压一次成形技术示意图

随着工作水的温度逐渐增高，由高温水(超临界水)所产生的压力也越来越大，金属部件膨胀的程度也逐渐增大。

a-常温未变形，；b-低温初始膨胀；c-中温中等膨胀；

d-高温完全膨胀。

图3A是本发明的半埋式加热金属板材高温超高压水压一次成形设备及主要构件剖面结构示意图

1-高压容器；2-半埋式电热高温炉(21-高温电热元件；22-隔热板；23-高强度、耐高温绝缘陶瓷材料基座)；3-冷却水循环装置；4-工作水；5-凹形模具；6-高压容器顶盖；7-“V”形凹凸密封槽环；9-板材成形过程指示小孔；10-密封螺具；11-板材坯料；12-控温仪；13-模具升降控制设备。

图3B半埋式电热高温炉平面结构示意图

(a-圆形高压容器匹配的高温炉；b-方形高压容器匹配的高温炉)

图4是本发明的半埋式加热金属板材高温超高压水压一次成形方法及步骤示意图

图4A半埋式加热金属板材高温超高压水压一次成形步骤示意图

①将高压容器中加满水，将欲加工的板材坯料覆盖在加满水的高压容器上面；

图4B半埋式加热金属板材高温超高压水压一次成形步骤示意图

②将高压容器上的凹形密封槽与顶盖上的凸形密封环对齐，下行带模具的高压容器顶盖，并对其施加一定的机械压力；

③旋紧高压容器及顶盖周边的螺丝，并进一步对板材坯料施加一垂向挤压力，利用高压容器和顶盖上的凹凸形密封组件将板材坯料密封在高压容器和模具之间；

图中板材处于低温未变形状态。

图4C半埋式加热金属板材高温超高压水压一次成形步骤示意图

④开启高压容器底部厚壁中间的半埋式电热高温炉以及容器壁外部的冷却水循环装置，采用半埋式加热方式加热高压容器中的工作水至设定的温度，使其产生成形过程中所需的内高压；

⑤这样由高压容器中高温工作水所产生的巨大内高压将作用在高压容器上部的板材坯料上，当此压力超过板材坯料所能承受的张力时，板材向凹形模具的方向开始凸出变形；

图中板材处于初始变形状态。

图4D半埋式加热金属板材高温超高压水压一次成形步骤示意图

⑥随着高压容器中工作水的工作温度和工作压力进一步升高，板材坯料继续向凹形模腔方向拉深变形，直至其外表面与凹形内模表面基本一致；

图中板材处于高温完全变形状态。

图4E半埋式加热金属板材高温超高压水压一次成形步骤示意图

⑦停止加热，降低炉温和所加工的金属部件至安全的温度，打开高压容器顶盖(连同模具)，就得到各种容器状或缩口容器状金属部件。

5.优选实施例的详细描述

本方法和技术适用的领域非常广，它不仅可用于汽车工业、机械工业、轻工业，也可用于舰船工业、航空工业(如翼身融合技术)、宇航工业、以及兵器工业等。

本次暂以最简单的椭圆形(或圆形)容器状(包括缩口容器状)金属部件为优选实施例，具体实施方法及加工步骤如图4A-4E中所述。

Claims (9)

1.一种利用水在高温下所产生的巨大静压力，以板材为坯料，一次液压成形各种容器状(或缩口容器状)金属部件的技术。本发明是基于水的状态方程、水的p-V-T关系图、以及下面两组高温超高压热模拟实验结果。

技术特点为成形过程中所需的内高压来源于水在高温下所产生的巨大压力。根据水的p-V-T关系图以及水的状态方程，水的密度随着温度和压力变化而变化，当压力增高时，流体的密度可以从水蒸气的密度值连续地变化到液体水的密度值。在高温，如200℃、500℃和1000℃时，要维持常温常压下水的密度(1g/cm³)，所需外部压力分别要达到0.3GPa、0.8GPa、1.82GPa。换句话说，如果将充满水(即充填度为100％)的封闭的金属容器分别加热到200℃、500℃和1000℃，容器中的水将会产生近0.3GPa、0.8GPa、1.82GPa的压力，并均匀作用于四周容器壁上。我们正是利用水的这一特性，以板材为坯料，一次液压成形各种容器状(或缩口容器状)金属部件。水在高温下能够产生用于加工板材坯料的巨大的内高压可以从以下两组高温高压实验中得到印证。

一组是将加满水(约6-7滴)的外径为48mm，内径为8mm，内外径比为1∶6的Rene41钛钼合金高压釜通过锥形塞头加以密封，然后放入由控温仪控制的管式炉中，以外加热的方式按预先设定好的程序逐渐升温。当炉温升至350℃，发现由釜体内部的高温水所产生的巨大内高压使该钛钼合金高压釜体向外膨胀并爆裂一个长27mm、宽11mm的裂口；第二组实验方法与第一组相同，即将加满水(约8-9滴)的外径为60mm，内径为8mm，内外径比为1∶7.5的两个不锈钢高压釜体通过锥形塞头加以密封，然后放入管式炉中，以外加热的方式按预先设置好的程序逐渐升温。当炉温升至450℃和480℃时，由高压釜内部的高温水所产生的巨大内高压导致两个不锈钢高压釜体均向外膨胀，釜体外径由实验前的60mm分别膨胀变形为63.1mm和64.3mm。此现象为我们利用水介质在高温下所产生巨大的静压力，以板材为坯料，来进行各种容器状(或缩口容器状)金属部件的一次成形加工提供了依据。

本发明与目前常规的液压成形最大的不同有三点：①压力产生机理(或压力来源)不同。常规液压成形过程中压力来源于液压泵中的机械压力，而本发明中的内高压来源于高压容器中的水在高温下所产生的巨大静压力；②成形介质不同。常规液压成形过程中的成形介质是常温液体(水或油)，而本发明中的成形介质为高温超高压水(超临界水)，而非传统意义上的液体；③成形过程中金属坯料所处的状态不同。常规液压成形过程中金属材料是在低温刚性状态下膨胀变形，而本发明中金属坯料是在高温近于塑性的状态下膨胀变形，因此本技术对于加工高强度及厚壁金属部件具有明显的优势；④由此所造成的成形设备组件及加工方法也不同。常规液压成形设备主要由液压泵、液压室、和模具组成，而本发明设备主要包括高压容器、半埋式电热高温炉、工作水、和模具。

2.一种透过高压容器内壁对容器中的工作水进行加热并产生内高压的半埋式加热技术及组件。这是一种介于内加热和外加热之间的一种加热方式。其特点是将高温炉置于高压容器底部厚壁中间(既非外加热中将高温炉置于容器外部，也非内加热中将高温炉置于容器内部)，透过容器壁内侧(高温炉到内壁之间的容器壁部分)间接加热高压容器中的工作水至高温，使其产生膨胀板材并一次成形容器状(或缩口容器状)金属部件所需的内高压的技术及组件。同时，高压容器外壁缠绕有方形(或圆形)铜管冷却水循环装置，以冷却容器外壁，提高高压容器壁的抗张强度，进而提高高压容器中工作水的工作温度及工作压力，扩大本设备的压力使用范围。

半埋式加热技术包括高压容器壁中间的半埋式电热高温炉加热技术和容器外壁的冷却技术两部分，其组件主要由高压容器、工作水、半埋式电热高温炉、冷却水循环装置四部分组成。

半埋式加热技术集中了内加热和外加热两种方法的优点：一是保持了外加热方式中高压容器在高温高压条件下具有良好密封性的特点；二是高压容器外部缠绕有冷却水循环装置，提高了高压容器外壁的抗张强度，以及工作水的工作温度，从而产生更高的内高压，提供成形厚壁金属材料以及高强度金属材料所需要的内高压。

3.一种半埋式电热高温炉组件。其特征是将电热高温炉置于高压容器底部容器壁中间，透过容器壁内侧(高温炉到容器内壁之间的容器壁部分)间接对高压容器中的工作水进行加热。

半埋式电热高温炉组件(2)由高强度、耐高温绝缘陶瓷材料基座(2-3)、高温电热元件(2-1)、及隔热板(2-2)三部分组成。其特征是在一整块圆形或方形耐高温、高强度绝缘陶瓷材料板(如氮化硅陶瓷材料板)上均匀加工多条相互连通的U形槽，同时槽壁上贴有隔热板，将高温电热元件置于U形槽中，并外接到高压容器厚壁外面的电源上。电热高温炉(2)的形态与高压容器内部形态相对应，可以呈圆形，也可以呈方形。

半埋式电热高温炉组件采用抽屉式设计方式，工作时将此高温炉置于高压容器底部厚壁中所预留的空间中，此空间与电热高温炉组件(2)之间恰好吻合。成形过程中，由高温电热元件所产生的热量透过容器内壁(1-1)对高压容器中的工作水(4)间接进行加热，使其产生成形板材为容器状或缩口容器状金属部件所需的内高压。此外，成形过程中低温高强度的容器外壁(1-2)通过高强度、耐高温绝缘陶瓷材料基座(2-3)对高温低强度的容器内壁(1-1)起一定的支撑作用，以加强该处容器壁的抗张强度。

电热元件(2-1)，采用碳化硅棒(工作温度为1000-1350℃)，或硅化钼棒(工作温度1350-1600℃，最高达1800℃)。使用前对碳化硅棒和硅化钼棒在高温下(1700℃)进行烧结，使碳化硅棒和硅化钼棒外表面产生一层较厚的耐高温硅质绝缘及防氧化层。

绝缘陶瓷材料基座(2-3)及其中的放置高温电热元件(2-1)的U形槽，由高强度、耐高温绝缘性好的氮化硅陶瓷材料经过反应烧结或气压烧结制成。

隔热板表面涂有硼硅酸盐玻璃涂层，目的是最大限度地将由高温电热元件所产生的热量透过高压容器壁内侧(1-1)传导到高压容器内部的工作水中，同时尽量减少电热高温炉将热量传导到容器外壁(1-2)，以提高外壁的抗张强度。

4.一种半埋式加热金属板材高温超高压水压一次成形设备。设备包含四部分13个基本组件，第一部分为高温高压设备，即压力产生设备：包括高压容器(1)、半埋式电热高温炉(2)、冷却水循环装置(3)、工作水(4)；第二部分为成形设备：包括凹形模具(5)、高压容器顶盖(6)、板材成形过程指示小孔(9)、板材坯料(11)；第三部分为密封组件：包括“V”形密封槽环(7)、密封螺具(10)；第四部分为控制设备：包括温度控制设备(2，12)、模具升降控制设备(8，13)。

设备特征为：①采用半埋式加热方式，即将高温炉置于高压容器底部厚壁中间，透过容器内壁对高压容器中的工作水进行加热，使其产生膨胀板材为容器状(或缩口容器状)金属部件所需的内高压；②高压容器外壁缠绕有方形(或圆形)铜管冷却水循环装置，以提高高压容器壁的抗张强度，以及工作水的工作温度及工作压力，提供加工厚板材和高强度板材所需的内高压；③成形过程中所需的内高压来自高压容器中的高温水；④高压容器顶盖与模具为一体(或近于一体设计)，其作用一是用来控制所加工金属部件的形态，二是起密封作用。

5.一种半埋式加热金属板材高温超高压水压一次成形方法。方法及具体步骤：①首先是将高压容器中加满水；②将欲加工的板材坯料覆盖在加满水的高压容器上面，将高压容器上的凹形密封槽与顶盖上的凸形密封环对齐，下行带模具的高压容器顶盖，并对其施加一定的机械压力；③旋紧高压容器和顶盖周边的螺丝，并进一步对板材施加一垂向挤压力，利用高压容器和顶盖上的凹凸形密封组件将板材密封在高压容器和模具之间；④采用半埋式加热方式，加热高压容器中的工作水至预定的温度，同时开启高压容器外部的冷却水循环装置，这样由高压容器中高温水所产生的巨大压力将作用在高压容器顶部的板材上，当此压力超过板材所能承受的张力时，板材向凹形模具的方向开始凸出变形，直至与凹形内模表面一致，成形过程由模具顶部板材成形指示小孔来指示；⑤停止加热，降低炉温和所加工的金属部件至安全的温度；⑥打开高压容器顶盖(连同模具)，这样就得到各种容器状(或缩口容器状)金属部件。

6.如权利要求4中所述的高温高压设备(压力源)，包括高压容器(1)、半埋式电热高温炉(2)、冷却水循环装置(3)、工作水(4)。其特征如下：

高压容器组件(1)。高压容器材料可以是高强度、高熔点的钛合金、钛钼合金、工具钢、优质不锈钢，也可以是其它高强度、耐高温的合金材料。高压容器外部形态和内部形态可以是圆形、正方形，也可以是其它耐高压的形态，这要视欲成形部件的形态而定；此容器可在600℃高温下承受1.0GPa左右的内部水压。此外，在保证能承受1.0GPa内部水压的前提下，高压容器容积尽可能大，容水量尽可能多，这样使金属毛坯膨胀的程度就大。此外，高压容器底部壁厚度相对较大，此壁中间将放置半埋式电热高温炉，由于电热高温炉的存在将高压容器底部壁分为两部分，内壁(1-1)和外壁(1-2)。设备工作过程中电热高温炉将透过内壁(1-1)对高压容器中的工作水进行加热。此外，由于内壁与炉体温度基本接近，温度高，强度降低，因此经过冷却水循环装置冷却的外壁(1-2)通过高强度、耐高温绝缘陶瓷材料基座(2-3)对内壁(1-1)主要起支撑作用，目的是提高此处高压容器壁的抗张强度，进而提高液压室中工作水的工作温度和工作压力。

半埋式高温炉组件(2)。其特征是将电热高温炉置于高压容器底部容器壁中间，透过容器壁内侧(高温炉到容器内壁之间的容器壁部分)间接对高压容器中的工作水进行加热。

高温炉组件(2)由高强度、耐高温绝缘陶瓷材料基座(2-3)、高温电热元件(2-1)、及隔热板(2-2)三部分组成。其特征是在一整块圆形或方形耐高温、高强度绝缘陶瓷材料板(如氮化硅陶瓷材料板)上均匀加工多条相互连通的U形槽，同时槽壁上贴有隔热板，将高温电热元件置于U形槽中，并外接到高压容器厚壁外面的电源上，电热高温炉的形态与高压容器内部形态相对应，可以呈圆形，也可以呈方形。

电热高温炉形态设计原则有二：一是将电热元件所产生的热量最大效率地传递给高压容器中的工作水；二是最大限度地保证容器底部容器壁的抗张强度。

半埋式电热高温炉组件采用抽屉式的设计方式，工作时将此高温炉置于高压容器底部厚壁中所预留的空间中，此空间与电热高温炉组件(2)之间恰好吻合，同时要考虑高压容器与陶瓷材料在高温下的热膨胀系数不同。成形过程中，由高温电热元件所产生的热量透过容器内壁(1-1)对高压容器中的工作水(4)间接进行加热，使其产生成形板材为容器状或缩口容器状金属部件所需要的内高压。此外，成形过程中由冷却水循环装置所导致的低温高强度的高压容器外壁(1-2)通过高强度、耐高温绝缘陶瓷材料基座(2-3)对高温低强度的容器内壁(1-1)起一定的支撑作用，以加强该处容器壁的抗张强度。

电热元件(2-1)，采用碳化硅棒(工作温度为1000-1350℃)，或硅化钼棒(工作温度1350-1600℃，最高达1800℃)。使用前对碳化硅棒和硅化钼棒在高温下(1700℃)进行烧结，使碳化硅棒和硅化钼棒外表面产生一层较厚的耐高温硅质绝缘及防氧化层。

绝缘陶瓷材料基座(2-3)及其中的放置高温电热元件的U形槽，由高强度、耐高温绝缘性好的氮化硅陶瓷材料经过反应烧结或气压烧结制成。

隔热板表面涂有硼硅酸盐玻璃涂层，目的是最大限度地将由高温电热元件所产生的热量透过高压容器壁内侧(1-1)传导到高压容器内部的工作水中，同时尽量减少电热高温炉将热量传导到容器外壁(1-2)，以提高外壁的抗张强度。

高压容器外部冷却水循环装置(3)。其特征是由方形(或圆形)的铜管四周缠绕在高压容器的外壁，用来冷却高压容器的外壁，提高高压容器的抗张强度，以及工作水的工作温度及工作压力，扩大本设备的压力使用范围。

高压容器中的工作水(4)为普通水，并加入少量的乙二醇，以降低高温高压水(超临界水)对高压容器和板材的腐蚀。其充填量(或充填度)，随所加工板材的性质(强度、屈服温度、膨胀系数、延展性等)、膨胀程度、以及板材的厚度不同而不同。

7.如权利要求4中所述的成形设备，包括凹形模具(5)、高压容器顶盖(6)、板材成形过程指示小孔(9)、金属板材(11)。其特征如下：

凹形模具组件(5)为半球形凹形金属材料模具(如不锈钢模具)。与其它成形方法所用模具不同的是，本方法中的模具为一凹形上模，而没有下模。并且模具与高压容器顶盖为近于一体设计(或一体设计)其开合和移动由液压机械(8，13)来控制，并在成形之前及成形过程中间对顶盖施加一压力。模具内模形态据需要为限定的任意可加工的形态，如简单的圆形、椭圆形，以及其它复杂的形态。

高压容器顶盖(6)由与高压容器相同的高强度金属材料加工而成，紧套在模具的外面，与模具为近于一体设计(或一体设计)，其开合和移动由液压机械(8，13)来控制。

模具顶部板材成形过程指示孔(9)。其特征是在模具顶部加工一小圆孔，用以指示板材的成形过程。由于凹形模腔中存有空气，当板材坯料向凹形模腔方向开始凸出变形时，由于受到板材的挤压模腔中的空气开始向外喷出，直至板材停止变形，如果在指示小孔的喷嘴上设置一声音指示器、或显示出气量的组件，就可以起到指示板材变形过程(开始、结束等)及成形程度的作用。

板材坯料(11)为各类板状金属材料，可以是高强度的钛合金、碳素钢，也可以是不锈钢，以及强度较低的铜、铝合金等金属板材。

8.如权利要求4中所述的密封组件：包括“V”形凹凸形密封槽环组件(7)、以及密封螺具(10)。其特征如下：

“V”形凹凸形密封槽环组件(7)。其特征为“V”形密封环槽，在高压容器(1)和顶盖(6)的接触面上加工1-2条“V”形环槽，这有助于增强密封效果。

密封螺具组件(10)。其特征是螺具等间距偶数个(最少为三对6个螺具，其数量要视高压容器大小、板材强度及厚薄等加工对象的具体情况而定)分布在高压容器和顶盖周缘，通过对称旋紧对高压容器上的凹形密封槽和顶盖上的凸形密封环均匀施压，并将板材坯料密封在高压容器和模具之间。

板材密封分两步：首先利用液压机械设备(8，13)对顶盖施加一定的外压力，通过挤压板材，使其在凹凸形密封组件间变形，达到初步密封的目的；二是利用高压容器和顶盖周缘偶数个等间距螺具(10)对凹凸形密封组件间板材施压，使其进一步变形，从而达到完全密封的目的。

9.如权利要求4中所述的控制设备。包括温度控制设备(2，12)、模具升降控制设备(8，13)。其特征如下：

温度控制设备组件(2，12)。用来控制高压容器壁中间半埋式电热高温炉的升温、降温和恒温。热电偶有两种，一种是镍铬-镍铝热电偶，测温精度可达0.2℃；另一种是铂-铂铑热电偶，测温精度可达0.2℃。热电偶外面涂有绝缘涂层，与高温电热元件一起置于高压容器底部(或其它部位)壁中间，并用外涂绝缘涂层的金属导线将其引出，与温度控制仪相连。温度控制设备是一种可编程的程序升温控制仪。

模具开合控制设备组件(8，13)。采用液压机械控制的方式，用以控制模具(5)(连同高压容器顶盖)的开合和移动。并在模具下行过程中，对模具施加一定的外力，使板材通过凹凸密封槽环初步密封在高压容器和模具之间。

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