一种薄壁钛合金复杂变截面管材的成形方法及应用

文档序号:9314317阅读:1925来源:国知局
一种薄壁钛合金复杂变截面管材的成形方法及应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种薄壁钛合金复杂变截面管材的成形方法及应用,属于材料加工技 术领域。
【背景技术】
[0002] 钛合金管材因其比强度高、耐磨损、耐腐蚀而广泛应用于航空、机械化工等领域。 [0003] 随着各行业的发展,产品形式日趋多样化,薄壁异形变截面钛合金管材市场需求 日趋增加。由于钛合金室温塑性较差、成形后回弹严重,传统管材成形方法(如RBE法、排 辊式成型法、W反向弯曲法等)均难以在钛合金管材成形中应用,因此市场上所销售的钛合 金管材绝大多数为挤压或拉拔制备的等径管。目前,制作钛合金变径管的方法主要有钣金 拉深对焊工艺、圆管扩口工艺与超塑气胀工艺。
[0004] 钣金拉深对焊工艺是将变径管沿中心线分割,对分割后两部分分别拉深,经激光 焊或氩弧焊将两个U形件焊合。该方法对焊接工艺与工装要求极高,易发生错位或焊接变 形,成品率不高;拉深工序工艺端不可避免,增加成本;拉深工序板材为不均匀减薄,最终 管材壁厚均匀性差;焊缝明显可见,焊缝组织性能低于母材;不适用于大批量生产。
[0005] 圆管扩口工艺是将市面所销售的钛合金圆管通过模具挤压而形成变截面异形管 材的方法,但对于复杂形状异型管材难以一次成形,且壁厚分布极不均匀。
[0006] 超塑气胀工艺是利用钛合金超塑性而提出的一种异形钛管成形的方法。将管材两 端密封,加热至900°C以上工艺温度,通过氩气加压使管材变形。该方法获得的异形管质量 很好,但成形速率极慢,不适用于大批量生产。此外,超塑气胀所得管材壁厚分布不均匀,在 变形量较大位置减薄严重,易在大变形区域产生应力集中而影响管材使用寿命。因此,难以 适用于对壁厚均匀性要求高的产品制造。
[0007] 随着航空航天产品对飞行速度的要求越来越高,传统镁铝合金零件在高速摩擦产 生的高温下极易氧化或失稳,而钛合金具有高熔点、耐磨损、高比强度等优异性能,更适合 作为高速率飞行器零部件制造的材料。在飞行器内部分布着大量用于连接热交换器、燃料 室、汽轮机等部件的钛合金管线,为节约飞行器内部空间,各连接管线通常根据相邻零部 件位置而设计成为复杂的变截面异形管材。附图1所示的管路连接用TC4钛合金产品作 为典型样件,该产品两端管径差距极大,小径端外径尺寸约34X20mm,大径端外径尺寸约 48X48mm,尺寸相差近一倍,整体形状近似于变截面的椭圆形管,管径从小径端均匀增加, 在距大径端口约IOOmm位置管径发生突变,大径端豁口用于与其他零部件配合。但是这种 产品对于管材焊缝处要求极高,焊缝强度应与母材相当,且焊缝需细小或不可见。目前,对 于这类管件的成形方法主要是通过钣金拉深、激光对焊工艺或超塑成形工艺,但由于工序 控制繁琐、成形质量不稳定、壁厚分布不均匀、成本控制困难、加工效率不高等因素限制,难 以实现大批量生产。

【发明内容】

[0008] 为解决现有技术的不足,本发明提供了一种薄壁钛合金复杂变截面管材的成形方 法,采用的技术方案如下:
[0009] 本发明的目的在于提供一种薄壁钛合金复杂变截面管材的成形方法,该方法是 按照变截面异形管材展开的尺寸切割钛合金板材,获得异形钛板,将异形钛板、凹模、上模 安放在扩散连接设备中,加热后将芯模完全压入凹模,进给左右模具,将板材闭合成异形管 材,下压上工作平台,加热至扩散焊工艺温度后进行接头扩散焊接,降温,取件获得薄壁钛 合金复杂变截面管材。
[0010] 所述方法,步骤如下:
[0011] 1)按照变截面异形管材的展开尺寸切割钛合金板材,获得异形钛板;
[0012] 2)在凹模、芯模、上模、左右模与管材接触的部位喷涂阻焊剂;
[0013] 3)将异形钛板、凹模和上模安放在扩散连接设备中;
[0014] 4)加热至工艺温度,通过控制芯模加载速率使板材成形,直至芯模带动异形钛板 完全压入凹模;
[0015] 5)进给左右模具,将板材闭合成异形管材;
[0016] 6)下压上工作平台,并加热至扩散焊工艺温度,保温后进行接头扩散焊接;
[0017] 7)按照既定退火工艺降温,取件获得薄壁钛合金复杂变截面管材。
[0018] 优选地,步骤1)所述钛合金板材,厚度为0. 2mm-0. 5mm,钛合金牌号为TC4、TA15或 Ti55〇
[0019] 优选地,步骤2)所述凹模,具有复杂变截面管材外侧形状相同的型腔;所述芯模, 与复杂变截面管材内侧形状相同;所述上模,与复杂变截面管材焊缝位置曲率相同;所述 左右模,具有与凹模合围形成复杂变截面管材外侧形状相同的型腔。
[0020] 优选地,步骤3)所述异形钛板、凹模和上模,中心线对齐。
[0021] 优选地,步骤4)所述加热,温度为200°C以下;所述芯模加载速率,为0. 2mm/ s-〇. 5mm/s〇
[0022] 优选地,步骤6)所述扩散焊工艺温度,为900°C _970°C ;所述保温,时间为 l〇-15min〇
[0023] 优选地,步骤7)所述既定退火工艺,为炉冷至800°C _900°C保温1-2小时,以不大 于50°C /h降温速率炉冷至700-750°C以下,空冷至室温。
[0024] 优选地,所述方法具体步骤为:
[0025] 1)按照变截面异形管材的展开尺寸切割钛合金板材,获得异形钛板;
[0026] 2)在凹模、芯模、上模、左右模与管材接触的部位喷涂阻焊剂;所述凹模,与复杂 变截面管材外侧形状相同的型腔;所述芯模,为与复杂变截面管材内侧形状相同的模具; 所述上模,为与复杂变截面管材焊缝位置曲率相同的模具;所述左右模,为与凹模合围形成 复杂变截面管材外侧形状的模具。
[0027] 3)将异形钛板、凹模和上模安放在扩散连接设备中,并调节位置使三者中心线对 齐;
[0028] 4)加热至200°C以下的工艺温度,通过控制芯模加载速率0. 2mm/s-〇. 5mm/s使板 材成形,直至芯模完全压入凹模;
[0029] 5)进给左右模具,将板材闭合成异形管材;
[0030] 6)下压上工作平台,并加热至扩散焊工艺温度900°C -970°c,保温10-15min后进 行接头扩散焊接;
[0031] 7)按照既定退火工艺降温,取件获得薄壁钛合金复杂变截面管材;所述既定退火 工艺,为炉冷至800°C _900°C保温1-2小时,以不大于50°C /h降温速率炉冷至700-750°C 以下,空冷至室温。
[0032] 以上所述任一方法在薄壁钛合金复杂变截面管材成形工艺中的应用。
[0033] 本发明有益效果:
[0034] 1.本发明提供了一种能够快速成形高精度复杂变截面薄壁钛合金管材的成形方 法,采用钣金成形配合扩散焊工艺,通过一次装模完成两个工艺步骤,同时将扩散焊工序与 热处理工序有机结合,一次热循环即可获得无残余应力、高尺寸精度、高焊缝强度及微细焊 缝的钛合金变截面管材,为该产品大批量生产提供了切实可靠的工艺技术保证。
[0035] 2.本发明方法仅通过两道工序、一次热循环就可以获得壁厚十分均匀、尺寸精度 很高、焊缝几乎不可见的高质量钛合金变截面管材,可实现大批量生产,是极具前瞻性的。
[0036] 3.本发明方法适用于大批量生产高尺寸精度、无焊缝、均匀壁厚的产品,解决了目 前市场该类产品短缺的现状。
【附图说明】
[0037] 图1为连接管产品结构。
[0038] 图2为本发明下压芯模;
[0039] 图3为本发明左右模具合模;
[0040] 图4为本发明上模合模;
[0041] (1,芯模;2,板材;3,定位销;4,凹模;5,6左右模具;7,上模)。
【具体实施方式】
[0042] 下面结合具体实施例对本发明做进一步说明,但本发明不受实施例的限制。
[0043] 实施例1 :
[0044] 本实施例提供了一种薄壁钛合金复杂变截面管材超塑气胀成形的方法,具体步骤 如下:
[0045] 1)在管材一端焊接带有进气通道的封头;
[0046] 2)在凹模、凸模与管材接触的部位喷涂阻焊剂;并将带有进气通道的管材放置在 凹模型腔中,合模;
[0047] 3)向模具及管材内部通入高纯氩气,抽真空,反复3次,以排出模具及管材内部气 体;
[0048] 4)加热至超塑成形工艺温度(通常为950°C ),保温1小时确保模具及管材温 度均匀,通过进气通道向管材内部缓慢通入高纯氩气,使管材变形过程中应变速率控制在 5 X 10 Vs左右,成形时间约3小时,卸载气压,并以50°C /h速率降温至200°C以下,空冷至 室温;
[0049] 5)开启模具,取出管材;
[0050] 6)采用线切割的方式将管材连接进气通道的工艺端切除,即获得复杂变截面管 材。
[0051] 以下实施例2-3所用模具分型面由管材横截面最大宽度尺寸所形成的分型面确 定,模具组成及各部分形状结构如下:凹模,具有与复杂变截面管材外表面下分型面形状相 同的型腔,凹模最大开口尺寸与管材横截面最大尺寸相吻合,在凹模型腔两侧分别开设一 定深度的倒梯形凹槽,凹槽贯通模具边缘与凹模型腔;左右模,具有与复杂变截面管材外 表面上分型面形状相同的型腔,左右模具型腔一侧分别设置与凹模向配合的倒梯形凸起, 凸起与凹模凹槽相配合以起到左右模具进给导向及位置限定的作用,左右模具上端开设斜 坡,优选为25° ;芯模,与复杂变截面管材内表面形状相同,芯模一端截面尺寸大于另一端, 以便于成形结束后脱模;上模,与复杂变截面管
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