專利名稱：一種大尺寸薄壁無(wú)焊縫鈦合金筒形件整體成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈦合金筒形件制造方法，具體涉及一種大尺寸薄壁無(wú)焊 縫鈦合金筒形件整體成形方法。
技術(shù)背景鈦合金筒形件在軍、民品上有廣泛用途。但鈦合金筒形件加工成形非常 困難，尤其是大尺寸、薄壁產(chǎn)品。文獻(xiàn)《鈦合金成型工藝在飛航導(dǎo)彈上的應(yīng)用研究》報(bào)道了國(guó)外宇宙神洲際導(dǎo)彈的TC4鈦合金球形氣瓶的兩個(gè)半球件，采用板料和熱旋壓成形，加熱 溫度為535°C 595°C。采用平板毛坯和強(qiáng)力旋壓法， 一道次旋壓成形鈦合金 噴管部件，熱旋壓溫度為75(TC 85(TC。還有采用強(qiáng)力旋壓法加工7.9mm 厚的TC4.鈦合金板(變薄率為30% 50%)為錐體，然后在81(TC溫度下將 此預(yù)成形毛坯熱旋壓成形為橢圓的或半球形的容器封頭。但報(bào)道中都沒(méi)提及 具體工藝流程，也未見(jiàn)報(bào)道采用TC4板材旋壓成形筒形件。文獻(xiàn)《TC3鈦合金筒形件的旋壓成形及其性能》中將直徑①300mm，壁 厚9mm的板材，先旋壓成錐形件，再旋壓成內(nèi)徑①162 163mm、壁厚2 2.5mm、長(zhǎng)度270 360mm的筒形件，材料加熱溫度600 700°C ，最后再對(duì) 旋壓件進(jìn)行去應(yīng)力退火和車(chē)加工，去應(yīng)力退火規(guī)范55(TC保溫兩小時(shí)，爐冷 至15(TC以下出爐。文獻(xiàn)《TC3半球形零件的熱旋壓成形》中將直徑①605mm，壁厚6mm 的板材，經(jīng)普旋，強(qiáng)旋，再車(chē)加工成內(nèi)徑①522mm，壁厚2mm的半球件。 芯模預(yù)熱溫度80 150°C ，毛坯加熱溫度600 700°C 。文獻(xiàn)《薄壁長(zhǎng)圓筒旋壓工藝研究》中將長(zhǎng)820mm、壁厚13mm、內(nèi)徑① 288mm的筒形坯料旋壓成形長(zhǎng)3000mm、壁厚3.2mm、外徑295.5mm的零 件，材料為無(wú)縫鋼管。文獻(xiàn)《大直徑鈦質(zhì)筒體旋壓工藝研究》中采用巻焊坯——變薄旋壓—— 機(jī)加工外表面的工藝進(jìn)行了試驗(yàn),具體工藝流程為:板材下料——刨焊接坡口 _一巻圓一一焊接一一焊縫探傷——校圓——檢驗(yàn)——變薄旋壓一一檢驗(yàn)——機(jī)加工——檢驗(yàn)。采用的材料是TA2板材，最終旋制的零件尺寸內(nèi)徑① 1492mm、壁厚12mm、長(zhǎng)度1410mm，加熱溫度350 450°C 。目前國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)將鈦合金板材制備成大尺寸薄壁無(wú)縫筒形件(管材)的 文獻(xiàn)報(bào)道。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種制造高精度，高性能，直徑在400 800mm、 長(zhǎng)度在200 500mm、壁厚在1 7mm的大尺寸薄壁無(wú)焊縫鈦合金筒形件整 體成形方法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案 一種大尺寸薄壁無(wú)焊縫鈦合金筒形件整體 成形方法，先將鈦合金板材加工成圓板坯料，其該方法按如下步驟進(jìn)行(1) 沖壓制備管坯在上述圓板坯料上涂玻璃粉涂層0.05 0.1mm，然 后將圓板坯料放入加熱爐中加熱至700 900。C，取出立即沖壓拉伸，在圓板 坯料溫度低于700。C后停止沖壓；再反復(fù)上述加熱沖壓過(guò)程2 7次，直至制 成符合要求的筒形管坯；(2) 高溫真空熱處理將步驟(1)沖壓制得的筒形管坯進(jìn)行高真空熱 處理，真空度小于1X10—3Pa，溫度為750 800°C，保溫時(shí)間為1 4h，然 后爐冷卻；(3) 加熱強(qiáng)旋減薄采用雙旋輪或三旋輪旋壓方式，在筒形管坯溫度 在500 90(TC時(shí)、以25 50%的變形量對(duì)步驟(2)所得筒形管坯進(jìn)行強(qiáng)旋 減??；(4) 不加熱強(qiáng)旋擴(kuò)徑在步驟(3)加熱強(qiáng)旋減薄完成后，旋制的管坯 不退下旋壓芯模，不加熱，進(jìn)行強(qiáng)旋擴(kuò)徑旋壓；(5) 反復(fù)交替進(jìn)行步驟(3)和步驟(4) 2 3次；(6) 高溫真空熱處理將步驟(5)制得的筒形管材再進(jìn)行高溫真空退 火處理，真空度小于1X10—2Pa，溫度在720 800°C，保溫在1 4h，然后 爐冷卻；(7) 精車(chē)加工處理將步驟(6)得到的筒形管材直接進(jìn)行精車(chē)加工處理；(8) 穩(wěn)定化處理最后對(duì)步驟(7)得到的筒形管材進(jìn)行穩(wěn)定化處理，在l 2h內(nèi)筒形管材隨爐升溫至480 50(TC，保溫3.5 4h，爐冷卻。如上所述的一種大尺寸薄壁無(wú)焊縫鈦合金筒形件整體成形方法，其所述 步驟(3)加熱強(qiáng)旋減薄時(shí)，先將芯模加熱到IO(TC以上，然后裝上筒形管坯， 再將整個(gè)筒形管坯加熱到500°C以上后進(jìn)行旋壓。如上所述的一種大尺寸薄壁無(wú)焊縫鈦合金筒形件整體成形方法，其所述 的步驟(4)不加熱強(qiáng)旋擴(kuò)徑時(shí)，與步驟(3)的強(qiáng)旋減薄相比，其旋輪與芯 模之間隙減小0.2 0.4mm、進(jìn)給比減小0.3 0.5倍。本發(fā)明的效果在于本發(fā)明方法解決了現(xiàn)有大尺寸薄壁鈦合金管材制造 技術(shù)的不足，提供了一種大尺寸薄壁無(wú)縫鈦合金管材的制造方法，從而克服 了現(xiàn)有鍛造、沖壓工藝不能制造，滾彎焊接又存在縱向焊縫，性能較低的缺 點(diǎn)。本發(fā)明利用鈦合金板材，采用將沖壓成形方法、旋壓成形方法和穩(wěn)定化 處理方法相結(jié)合的復(fù)合工藝方法，制備出高精度、高性能大尺寸薄壁無(wú)縫鈦 合金筒形件(壁厚在1 7mm)，其解決了大尺寸鈦合金薄壁管材鍛造加工 和滾彎焊接加工成形中材料利用率低、帶縱向焊縫、管材性能精度低等問(wèn)題。 本發(fā)明采用旋壓成形方法，其首先加熱強(qiáng)旋減薄沖壓所制筒形坯，然后不加 熱，利用加熱強(qiáng)旋時(shí)的余溫，進(jìn)行強(qiáng)旋擴(kuò)徑旋壓。加熱強(qiáng)旋減薄和不加熱強(qiáng) 旋擴(kuò)徑兩個(gè)工序多次反復(fù)交替進(jìn)行，最終旋制出大尺寸薄壁無(wú)縫鈦合金管 材，其解決了大尺寸鈦合金薄壁筒形件旋壓時(shí)坯料難流動(dòng)、易斷裂、反擠、 起楞以及旋壓成形筒形管材精度控制難等技術(shù)問(wèn)題，突破了大尺寸鈦合金薄 壁管材旋壓成形關(guān)鍵技術(shù)。


圖1為本發(fā)明的大尺寸薄壁無(wú)焊縫鈦合金筒形件整體成形方法工藝流 程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述的一種大尺寸薄壁無(wú)焊縫鈦 合金筒形件整體成形方法作進(jìn)一步描述。 實(shí)施例1采用本發(fā)明方法制得直徑600mm、長(zhǎng)度 、壁厚2mm的大尺寸薄 壁無(wú)焊縫鈦合金筒形件整體成形方法，如圖1所示，具體步驟如下(1) 板材下料采用現(xiàn)有技術(shù)按照所制備的管材大小尺寸計(jì)算所需鈦 合金板材直徑，然后將鈦合金板材加工成圓板坯料；(2) 沖壓制備管坯在圓板坯料上涂上防止鈦合金氧化和吸氫的玻璃粉涂層0.05mm，然后將圓板坯料放入加熱爐中加熱至800°C，取出立即沖 壓拉伸，坯料溫度低于700。C后停止沖壓，再反復(fù)上述加熱沖壓過(guò)程3次， 直至制備成筒形管坯。(3) 高溫真空熱處理將沖壓所制筒形管坯進(jìn)行高真空熱處理，溫度 770°C，保溫時(shí)間2h，真空度小于1X10—3Pa，爐冷卻。通過(guò)本步驟高溫真 空熱處理，可消除沖壓工序的殘余應(yīng)力和加工硬化現(xiàn)象，同時(shí)去除沖壓過(guò)程 中所可能產(chǎn)生的吸氫，提高材料塑性，以便下道工序旋壓成形。(4) 加熱強(qiáng)旋減薄采用雙旋輪壓方式，以30%的變形量進(jìn)行強(qiáng)旋減 薄。旋壓時(shí)首先需將芯模加熱到150°C，然后裝上筒形管坯，再將整個(gè)筒形 管坯加熱到600"C后進(jìn)行旋壓。(5) 不加熱強(qiáng)旋擴(kuò)徑加熱強(qiáng)旋工序完成后，所旋制的管坯不退下旋 壓芯模，并且相對(duì)之前的加熱強(qiáng)旋減薄工序旋輪與芯模之間間隙減小0.3mm 間隙、進(jìn)給比減小0.4倍，不加熱，進(jìn)行強(qiáng)旋擴(kuò)徑旋壓。(6) 上述步驟(4)加熱強(qiáng)旋減薄和步驟(5)不加熱強(qiáng)旋擴(kuò)徑反復(fù)交 替進(jìn)行2次。采用該旋壓成形方法，可以解決大尺寸鈦合金薄壁筒形件旋壓 時(shí)坯料難流動(dòng)、易斷裂、反擠、起楞，并且有利于提高零件貼胎度、直線度、 壁厚均勻性等零件精度，從而解決筒形管材旋壓精度控制難等技術(shù)問(wèn)題，突 破了大尺寸薄壁鈦合金管材旋壓成形關(guān)鍵技術(shù)。(7) 高溫真空熱處理將經(jīng)旋壓成形的筒形管材再進(jìn)行高溫真空退火 處理，加熱溫度在770。C，保溫2h，真空度小于1X10—2Pa，爐冷卻。通過(guò) 本步驟高溫真空退火處理，消除強(qiáng)力旋壓后工件的殘余應(yīng)力和加工硬化現(xiàn) 象，以便工程應(yīng)用。(8) 精車(chē)加工處理將上述高溫真空熱處理筒形管材直接進(jìn)行精車(chē)加 工處理。因?yàn)樾龎汗懿妮^薄，而剛性好，所以直接精車(chē)加工時(shí)加工余量小， 顫動(dòng)、退讓、變形都很小，從而使管材達(dá)到較高的尺寸精度和形位精度，及 表面光潔度。(9)穩(wěn)定化處理最后對(duì)管材件進(jìn)行穩(wěn)定化處理，穩(wěn)定大尺寸、薄壁筒形管材的尺寸和性能。處理工藝是筒形管件隨爐升溫lh至480°C，保溫 4h，爐冷卻。通過(guò)該工藝，穩(wěn)定了管材的尺寸和組織性能，從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量。上述采用本發(fā)明發(fā)明制得的直徑600mm、長(zhǎng)度400mm、壁厚2mm的大 尺寸薄壁無(wú)焊縫鈦合金筒形件，其與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)(1) 比鍛造材料利用率提高20%以上，成本降低30%以上；(2) 性能屈服強(qiáng)度o》900mPa，延伸率6》10%，比滾彎焊接提高 60mPa以上；(3) 尺寸精度高，直徑公差0 0.4mm (06。Q+Q4)， 比厚0 0.2mm (2o+a2mm)。實(shí)施例2采用本發(fā)明方法制得直徑400mm、長(zhǎng)度200mm、壁厚lmm的大尺寸薄 壁無(wú)焊縫鈦合金筒形件整體成形方法，具體步驟如下(1) 板材下料采用現(xiàn)有技術(shù)按照所制備的管材大小尺寸計(jì)算所需鈦 合金板材直徑，然后將鈦合金板材加工成圓板坯料；(2) 沖壓制備管坯在圓板坯料上涂上防止鈦合金氧化和吸氫的玻璃 粉涂層O.lmm，然后將圓板坯料放入加熱爐中加熱至70(TC，取出立即沖壓 拉伸，坯料溫度低于60(TC后停止沖壓，反復(fù)上述加熱沖壓過(guò)程2次，直至 制備成筒形管坯。(3) 高溫真空熱處理將沖壓所制筒形管坯進(jìn)行高真空熱處理，溫度 750°C，保溫時(shí)間lh，真空度小于lX10_3Pa，爐冷卻。(4) 加熱強(qiáng)旋減薄采用三旋輪壓方式，在筒形管坯溫度在50(TC時(shí)、 以25%的變形量進(jìn)行強(qiáng)旋減薄。(5) 不加熱強(qiáng)旋擴(kuò)徑加熱強(qiáng)旋工序完成后，所旋制的管坯不退下旋 壓芯模，并且相對(duì)之前的加熱強(qiáng)旋減薄工序旋輪與芯模之間間隙減小0.2mm 間隙、進(jìn)給比減小0.3倍，不加熱，進(jìn)行強(qiáng)旋擴(kuò)徑旋壓。(6) 上述步驟(4)加熱強(qiáng)旋減薄和步驟(5)不加熱強(qiáng)旋擴(kuò)徑反復(fù)交 替進(jìn)行2次。(7) 高溫真空熱處理將經(jīng)旋壓成形的筒形管材再進(jìn)行高溫真空退火處理，加熱溫度在72(TC，保溫lh，真空度小于1X10—2Pa，爐冷卻。(8) 精車(chē)加工處理將上述高溫真空熱處理筒形管材直接進(jìn)行精車(chē)加工處理。(9) 穩(wěn)定化處理最后對(duì)管材件進(jìn)行穩(wěn)定化處理，穩(wěn)定處理工藝是工件隨爐升溫lh至48(TC，保溫3.5h，爐冷卻。 實(shí)施例3采用本發(fā)明方法制得直徑800mm、長(zhǎng)度500mm、壁厚7mm的大尺寸薄 壁無(wú)焊縫鈦合金筒形件整體成形方法，具體步驟如下(1) 板材下料采用現(xiàn)有技術(shù)按照所制備的管材大小尺寸計(jì)算所需鈦 合金板材直徑，然后將鈦合金板材加工成圓板坯料；(2) 沖壓制備管坯在圓板坯料上涂上防止鈦合金氧化和吸氫的玻璃粉涂層0.08mm，然后將圓板坯料放入加熱爐中加熱至900°C，取出立即沖 壓拉伸，坯料溫度低于70(TC后停止沖壓，再反復(fù)上述加熱沖壓過(guò)程7次， 直至制備成筒形管坯。(3) 高溫真空熱處理將沖壓所制筒形管坯進(jìn)行高真空熱處理，溫度 800°C，保溫時(shí)間4h，真空度小于lX10_3Pa，爐冷卻。(4) 加熱強(qiáng)旋減薄采用雙旋輪壓方式，以40%的變形量進(jìn)行強(qiáng)旋減 薄。旋壓時(shí)首先需將芯模加熱到IO(TC，然后裝上筒形管坯，再將整個(gè)筒形 管坯加熱到900"C后進(jìn)行旋壓。(5) 不加熱強(qiáng)旋擴(kuò)徑加熱強(qiáng)旋工序完成后，所旋制的管坯不退下旋 壓芯模，并且相對(duì)之前的加熱強(qiáng)旋減薄工序旋輪與芯模之間間隙減小0.4mm 間隙、進(jìn)給比減小0.5倍，不加熱，進(jìn)行強(qiáng)旋擴(kuò)徑旋壓。(6) 上述步驟(4)加熱強(qiáng)旋減薄和步驟(5)不加熱強(qiáng)旋擴(kuò)徑反復(fù)交 替進(jìn)行3次。(7) 高溫真空熱處理將經(jīng)旋壓成形的筒形管材再進(jìn)行高溫真空退火 處理，加熱溫度在800。C，保溫4h，真空度小于1X10—2Pa，爐冷卻。(8) 精車(chē)加工處理將上述高溫真空熱處理筒形管材直接進(jìn)行精車(chē)加 工處理。(9)穩(wěn)定化處理最后對(duì)管材件進(jìn)行穩(wěn)定化處理，穩(wěn)處理工藝是筒形
件隨爐升溫2h至50(TC，保溫4.5h，爐冷卻。 實(shí)施例4
采用本發(fā)明方法制得直徑600mm、長(zhǎng)度300mm、壁厚4mm的大尺寸薄 壁無(wú)焊縫鈦合金筒形件整體成形方法，具體步驟如下
(1) 板材下料采用現(xiàn)有技術(shù)按照所制備的管材大小尺寸計(jì)算所需鈦 合金板材直徑，然后將鈦合金板材加工成圓板坯料；
(2) 沖壓制備管坯在圓板坯料上涂上防止鈦合金氧化和吸氫的玻璃 粉涂層0.06mm，然后將圓板坯料放入加熱爐中加熱至750°C，取出立即沖 壓拉伸，坯料溫度低于50(TC后停止沖壓，再反復(fù)上述加熱沖壓過(guò)程3次， 直至制備成筒形管坯。
(3) 高溫真空熱處理將沖壓所制筒形管坯進(jìn)行高真空熱處理，溫度 760°C，保溫時(shí)間3h，真空度小于1X10—3Pa，爐冷卻。
(4) 加熱強(qiáng)旋減薄采用雙旋輪壓方式，以50%的變形量進(jìn)行強(qiáng)旋減 薄。旋壓時(shí)首先需將芯模加熱到20(TC，然后裝上筒形管坯，再將整個(gè)筒形 管坯加熱到70(TC后進(jìn)行旋壓。
(5) 不加熱強(qiáng)旋擴(kuò)徑加熱強(qiáng)旋工序完成后，所旋制的管坯不退下旋 壓芯模，并且相對(duì)之前的加熱強(qiáng)旋減薄工序旋輪與芯模之間間隙減小0.3mm 間隙、進(jìn)給比減小0.4倍，不加熱，進(jìn)行強(qiáng)旋擴(kuò)徑旋壓。
(6) 上述步驟(4)加熱強(qiáng)旋減薄和步驟(5)不加熱強(qiáng)旋擴(kuò)徑反復(fù)交 替進(jìn)行3次。
(7) 高溫真空熱處理將經(jīng)旋壓成形的筒形管材再進(jìn)行高溫真空退火 處理，加熱溫度在76(TC，保溫3h，真空度小于1X10—2Pa，爐冷卻。
(8) 精車(chē)加工處理將上述高溫真空熱處理筒形管材直接進(jìn)行精車(chē)加 工處理。
(9) 穩(wěn)定化處理最后對(duì)管材件進(jìn)行穩(wěn)定化處理，處理工藝是筒形管 材隨爐升溫lh至48(TC，保溫4h，爐冷卻。
權(quán)利要求
1.一種大尺寸薄壁無(wú)焊縫鈦合金筒形件整體成形方法，先將鈦合金板材加工成圓板坯料，其特征在于，該方法按如下步驟進(jìn)行(1)沖壓制備管坯在上述圓板坯料上涂玻璃粉涂層0.05～0.1mm，然后將圓板坯料放入加熱爐中加熱至700～900℃，取出立即沖壓拉伸，在圓板坯料溫度低于700℃后停止沖壓；再反復(fù)上述加熱沖壓過(guò)程2～7次，直至制成符合要求的筒形管坯；(2)高溫真空熱處理將步驟(1)沖壓制得的筒形管坯進(jìn)行高真空熱處理，真空度小于1×10-3Pa，溫度為750～800℃，保溫時(shí)間為1～4h，然后爐冷卻；(3)加熱強(qiáng)旋減薄采用雙旋輪或三旋輪旋壓方式，在筒形管坯溫度在500～900℃時(shí)、以25～50％的變形量對(duì)步驟(2)所得筒形管坯進(jìn)行強(qiáng)旋減薄；(4)不加熱強(qiáng)旋擴(kuò)徑在步驟(3)加熱強(qiáng)旋減薄完成后，旋制的管坯不退下旋壓芯模，不加熱，進(jìn)行強(qiáng)旋擴(kuò)徑旋壓；(5)反復(fù)交替進(jìn)行步驟(3)和步驟(4)2～3次；(6)高溫真空熱處理將步驟(5)制得的筒形管材再進(jìn)行高溫真空退火處理，真空度小于1×10-2Pa，溫度在720～800℃，保溫在1～4h，然后爐冷卻；(7)精車(chē)加工處理將步驟(6)得到的筒形管材直接進(jìn)行精車(chē)加工處理；(8)穩(wěn)定化處理最后對(duì)步驟(7)得到的筒形管材進(jìn)行穩(wěn)定化處理，在1～2h內(nèi)筒形管材隨爐升溫至480～500℃，保溫3.5～4h，爐冷卻。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大尺寸薄壁無(wú)焊縫鈦合金筒形件整體成 形方法，其特征在于所述步驟(3)加熱強(qiáng)旋減薄時(shí)，先將芯模加熱到IOO °。以上，然后裝上筒形管坯，再將整個(gè)筒形管坯加熱到50(TC以上后進(jìn)行旋 壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種大尺寸薄壁無(wú)焊縫鈦合金筒形件整體成形方法，其特征在于所述的步驟(4)不加熱強(qiáng)旋擴(kuò)徑時(shí)，與步驟(3)的強(qiáng)旋減薄相比，其旋輪與芯模之間隙減小0.2 0.4mm、進(jìn)給比減小0.3 0.5倍。
全文摘要
本發(fā)明提供一種大尺寸薄壁無(wú)焊縫鈦合金筒形件整體成形方法。該方法包括如下步驟(1)沖壓制備管坯；(2)高溫真空熱處理；(3)加熱強(qiáng)旋減?。?4)不加熱強(qiáng)旋擴(kuò)徑；(5)反復(fù)交替進(jìn)行步驟(3)和步驟(4)2～3次；(6)高溫真空熱處理；(7)精車(chē)加工處理；(8)穩(wěn)定化處理。本發(fā)明方法利用鈦合金板材，采用將沖壓成形方法、旋壓成形方法和穩(wěn)定化處理方法相結(jié)合的復(fù)合工藝方法，制備出高精度、高性能大尺寸薄壁無(wú)縫鈦合金筒形件(壁厚在1～7mm)，其解決了大尺寸鈦合金薄壁管材鍛造加工和滾彎焊接加工成形中材料利用率低、帶縱向焊縫、管材性能精度低等問(wèn)題。
文檔編號(hào)C21D9/08GK101579804SQ20091014237
公開(kāi)日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2009年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月4日
發(fā)明者呂宏軍, 李啟軍, 琪 王, 陰中煒 申請(qǐng)人:航天材料及工藝研究所