一种钛合金薄壁筒形件的交叉旋压强化成型方法与流程

本发明涉及一种筒形件成型方法。

背景技术：

随着目前航空航天领域薄壁回转体构件的服役环境日趋复杂，以现代火箭和导弹发动机壳体为代表的薄壁回转体构件在服役时往往承受高温、高压、高速和化学气氛下各种复杂载荷的作用，对薄壁回转体构件的性能如强度、韧性、耐热、耐蚀、疲劳等方面的要求不断提高，特别是对于承受内压的钛合金薄壁筒形件而言，不仅要求筒形壳体构件具有很高的尺寸精度，同时要求构件具有良好的组织性能和稳定的力学性能，以满足构件在日益复杂条件下的使用要求。因此，提高筒形构件环向力学性能，降低筒形件的各向异性，提高其内压承载能力和结构刚度，对于构件轻量化具有重要的现实意义。钛合金以其高强度、低密度、耐热、耐腐蚀等优良特性成为很好的结构材料。对于工业纯钛和以α-钛为基的钛合金而言，工业纯钛和以α-钛为基的钛合金中的α-钛相为典型的密排六方结构，对称性差，在旋压成形过程中会产生nd方向(管材的径向)的变形织构，且难以单纯利用热处理方式来消除。因此，如何通过改变旋压工艺方法降低旋压管材的变形织构强度，是一个亟待解决的问题。

目前，强力旋压是成形钛合金薄壁筒形件十分有效的方法之一，该方法工装简单、高效灵活、材料利用率高，所成形的薄壁筒形件具有很好的综合性能，在航空航天和兵器领域得到广泛应用。但是，目前采用传统多道次单向强力旋压工艺制造的薄壁筒形件相对于初始管坯环向强化效果低于轴向，在薄壁筒形件上产生明显的各向异性，限制了钛合金薄壁筒形件服役性能。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决传统钛合金旋压工艺制备的钛合金薄壁筒形件易产生明显的各向异性，导致钛合金薄壁筒形件的环向抗拉强度低于轴向抗拉强度的问题，提供一种钛合金薄壁筒形件的交叉旋压强化成型方法。

一种钛合金薄壁筒形件的交叉旋压强化成型方法按以下步骤进行：

步骤一：将钛合金坯料套在旋压机的芯轴上并固定，将旋压机的芯轴和钛合金坯料预热，在旋压机的芯轴外表面和钛合金坯料外表面均匀喷涂润滑剂；

所述将旋压机的芯轴预热至150～200℃，将钛合金坯料预热至350～400℃；

所述旋压机的旋轮和压机的芯轴所用钢的材质为4cr5mosiv1；

所述将钛合金坯料套在旋压机的芯轴上时钛合金坯料与压机的芯轴之间为过渡配合；

所述在旋压机的芯轴外表面喷涂的润滑剂为水基石墨；

所述在钛合金坯料外表面的润滑剂为玻璃润滑剂；

其中，使用玻璃润滑剂可减小旋压机的旋轮与钛合金坯料之间的摩擦，并降低旋压过程中工件表面与空气接触后产生的氧化现象；

步骤二：将旋压机的芯轴和坯料预热至650～850℃，同时将旋压机的旋轮预热至100～150℃；

步骤三：启动旋压机进行强力旋压；

步骤四：改变旋压机的芯轴转向，将旋压机的芯轴和坯料预热至650～850℃，同时将旋压机的旋轮预热至100～150℃，然后在钛合金坯料外表面均匀喷涂润滑剂，进行下一道次强力旋压；

步骤五：重复步骤四直至得到目标尺寸的钛合金薄壁筒形件；

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

一、利用本发明生产的钛合金薄壁筒形件的环向强度具有明显提升。本发明方法交叉旋压强化成型过程中，合金坯料在旋压机的旋轮的挤压下合金坯料长度增加，合金坯料的壁厚逐渐变薄，每次旋压后合金坯料的表面与旋压机的旋轮接触部分会形成螺旋状旋压轨迹；改变旋压机的芯轴转向后，合金坯料的表面的螺旋状轨迹与上一道次旋压产生的轨迹的螺旋方向不同，即多次旋压后，合金坯料的表面会产生交叉网状的旋压轨迹；利用本发明的方法与传统旋压过程中芯轴旋转方向不改变的旋压工艺相比，本发明方法在旋压减薄率达到85％左右时，得到交叉旋压筒形件环向抗拉强度比传统旋压工艺相比最高提升了70～90mpa；

二、本发明能够够弱化管材径向变形织构强度；现有技术中，钛合金薄壁筒形件的在减薄率达到约85％时，钛合金薄壁筒形件的环向抗拉强度与轴向抗拉强度的差距为3％～5％，而本发明生产的钛合金薄壁筒形件的环向抗拉强度与轴向抗拉强度的差距降低为1％～2％；说明利用本发明生产的钛合金薄壁筒形件各向异性明显降低；

三、通过电子背散射衍射对比分析传统旋压得到的钛合金薄壁筒形件的晶粒尺寸，在减薄率相同的情况下，本发明方法得到的钛合金薄壁筒形件的平均晶粒尺寸小于传统旋压工艺；说明本发明生产的钛合金薄壁筒形件的组织微观组织分布均匀，晶粒尺寸更加细小。

附图说明

图1为本发明钛合金薄壁筒形件的交叉旋压强化成型过程示意图；图中1为旋压机的芯轴，2为钛合金坯料，3为旋压机的旋轮；

图2为本发明钛合金薄壁筒形件的交叉旋压强化成型过程中，相邻道次旋压后在钛合金坯料表面产生的旋压轨迹及旋压轨迹方向示意图。

具体实施方式：

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式钛合金薄壁筒形件的交叉旋压强化成型方法，其特征在于：该方法按以下步骤进行：

步骤一：将钛合金坯料套在旋压机的芯轴上并固定，将旋压机的芯轴和钛合金坯料预热，在旋压机的芯轴外表面和钛合金坯料外表面均匀喷涂润滑剂；所述将旋压机的芯轴预热至150～200℃，将钛合金坯料预热至350～400℃；

步骤二：将旋压机的芯轴和坯料预热至650～850℃，同时将旋压机的旋轮预热至100～150℃；

步骤三：启动旋压机进行强力旋压；

步骤四：改变旋压机的芯轴转向，将旋压机的芯轴和坯料预热至650～850℃，同时将旋压机的旋轮预热至100～150℃，然后在钛合金坯料外表面均匀喷涂润滑剂，进行下一道次强力旋压；

步骤五：重复步骤四直至得到目标尺寸的钛合金薄壁筒形件。

本实施方式具备以下有益效果：

一、利用本实施方式生产的钛合金薄壁筒形件的环向强度具有明显提升。本实施方式方法交叉旋压强化成型过程中，合金坯料在旋压机的旋轮的挤压下合金坯料长度增加，合金坯料的壁厚逐渐变薄，每次旋压后合金坯料的表面与旋压机的旋轮接触部分会形成螺旋状旋压轨迹；改变旋压机的芯轴转向后，合金坯料的表面的螺旋状轨迹与上一道次旋压产生的轨迹的螺旋方向不同，即多次旋压后，合金坯料的表面会产生交叉网状的旋压轨迹；利用本实施方式的方法与传统旋压过程中芯轴旋转方向不改变的旋压工艺相比，本实施方式方法在旋压减薄率达到85％左右时，得到交叉旋压筒形件环向抗拉强度比传统旋压工艺相比最高提升了70～90mpa；

二、本实施方式能够够弱化管材径向变形织构强度；现有技术中，钛合金薄壁筒形件的在减薄率达到约85％时，钛合金薄壁筒形件的环向抗拉强度与轴向抗拉强度的差距为3％～5％，而本实施方式生产的钛合金薄壁筒形件的环向抗拉强度与轴向抗拉强度的差距降低为1％～2％；说明利用本实施方式生产的钛合金薄壁筒形件各向异性明显降低；

三、通过电子背散射衍射对比分析传统旋压得到的钛合金薄壁筒形件的晶粒尺寸，在减薄率相同的情况下，本实施方式方法得到的钛合金薄壁筒形件的平均晶粒尺寸小于传统旋压工艺；说明本实施方式生产的钛合金薄壁筒形件的组织微观组织分布均匀，晶粒尺寸更加细小。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述旋压机的旋轮和压机的芯轴所用钢的材质为4cr5mosiv1。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一所述将钛合金坯料套在旋压机的芯轴上时钛合金坯料与压机的芯轴之间为过渡配合。其他步骤和参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一所述在旋压机的芯轴外表面喷涂的润滑剂为水基石墨。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一所述在钛合金坯料外表面的润滑剂为玻璃润滑剂。其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤四所述旋压温度700℃。其他步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例1:

本实施例钛合金薄壁筒形件的交叉旋压强化成型方法按以下步骤进行：

步骤一：将钛合金坯料套在旋压机的芯轴上并固定，将旋压机的芯轴和钛合金坯料预热，在旋压机的芯轴外表面和钛合金坯料外表面均匀喷涂润滑剂；

所述将旋压机的芯轴预热至200℃，将钛合金坯料预热至400℃；

所述旋压机的旋轮和压机的芯轴所用钢的材质为4cr5mosiv1；

所述将钛合金坯料套在旋压机的芯轴上时钛合金坯料与压机的芯轴之间为过渡配合；所述在旋压机的芯轴外表面喷涂的润滑剂为水基石墨；所述在钛合金坯料外表面的润滑剂为玻璃润滑剂；

步骤二：将旋压机的芯轴和坯料预热至700℃，同时将旋压机的旋轮预热至120℃；

步骤三：启动旋压机进行强力旋压；

步骤四：改变旋压机的芯轴转向，将旋压机的芯轴和坯料预热至700℃，同时将旋压机的旋轮预热至120℃，然后在钛合金坯料外表面均匀喷涂润滑剂，进行下一道次强力旋压；

步骤五：重复步骤四直至得到目标尺寸的钛合金薄壁筒形件；

本实施例具有以下有益效果：

一、利用本实施例生产的钛合金薄壁筒形件的环向强度具有明显提升。利用本实施例的方法与传统旋压过程中芯轴旋转方向不改变的旋压工艺相比，本发明方法在旋压减薄率达到85％时，得到交叉旋压筒形件环向抗拉强度比传统旋压工艺相比提升了90mpa；

二、本实施例能够够弱化管材径向变形织构强度；现有技术中，钛合金薄壁筒形件的在减薄率达到85％时，钛合金薄壁筒形件的环向抗拉强度与轴向抗拉强度的差距为5％，而本实施例生产的钛合金薄壁筒形件的环向抗拉强度与轴向抗拉强度的差距降低为1％；说明利用本实施例生产的钛合金薄壁筒形件各向异性明显降低；

三、通过电子背散射衍射对比分析传统旋压得到的钛合金薄壁筒形件的晶粒尺寸，在减薄率相同的情况下，本实施例方法得到的钛合金薄壁筒形件的平均晶粒尺寸小于传统旋压工艺；说明本实施例生产的钛合金薄壁筒形件的组织微观组织分布均匀，晶粒尺寸更加细小。