一种钛合金厚壁球壳等温冲压的壁厚均匀化方法与流程

本发明涉及一种钛合金厚壁球壳等温冲压的壁厚均匀化方法，属于塑性加工技术领域。

背景技术：

TA7钛合金由于其优异的低温性能，在运载火箭冷氦气瓶上得到了广泛应用，传统工艺一般采用锻造成形半球壳体，但随着型号的发展，新研火箭气瓶尺寸逐渐增大，锻造工艺难度和风险急剧增加，因此迫切需要一种新型工艺来实现TA7球壳的成形，替代传统锻造工艺。

等温冲压成形是一种先进的塑性成形技术，它类似于超塑成形，在成形过程中材料的温度维持稳定且可控，它相对于传统热冲压成形，可大幅提高TA7热冲压成形过程的塑性，解决了开裂、表面微裂纹等问题，同时显著降低了成形吨位，提升了成形后球壳的尺寸精度和稳定性。但等温冲压成形相对于传统热冲压成形，其壁厚差异更大，特别是球底部位减薄剧烈，对其实际的工程应用具有不利影响。

目前来看，在国内外压力容器的研制生产上，壁厚控制技术在钛合金的热成形工艺上应用十分广泛。荷兰EADS-CASA公司采用超塑成形技术制造了钛合金排气喷管，板材材料为Ti-6242，通过壁厚控制技术保证了构件壁厚的均匀性。日本学者Jinishi和Suzuki在2002年10月提出了的拼焊板控制厚度分布的超塑成形方法，即采用不同厚度的板材用等离子弧焊接拼焊在一起，在减薄大的部位用较厚的板材，可使成形件的壁厚分布更加均匀。国内来看，航天703所采用热压反胀拉薄控壁厚技术实现了探月工程用1m级直径TC4贮箱半球壳体的壁厚精确控制，采用变壁厚板超塑成形技术实现了XX-11A导弹TC4环形气瓶的超塑成形壁厚控制，均得到了批量应用。国内石油化工领域相关研究单位也采用变壁厚的坯料设计思路，实现了大型钢制厚壁球形封头热冲压的壁厚均匀化控制。

综上，壁厚控制技术在国内外钛合金、钢等材料的超塑成形工艺与热冲压工艺上均有应用，但目前尚未见将壁厚均均匀化技术有效应用在TA7钛合金厚壁半球壳体等温冲压上的相关报道。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提供了一种钛合金厚壁球壳等温冲压的壁厚均匀化方法，从多方面抑制冲压后的球底减薄，以提高TA7球壳超塑性热冲压成形后的壁厚均匀性。

本发明的技术解决方案：

一种钛合金厚壁球壳等温冲压的壁厚均匀化方法，具体步骤如下：

(1)模具设计制造：模具包括凸模、拉环和支承座，凸模、拉环和支承座材料均为耐至少950℃的高温铸钢，凸模设计为半球形，支承座为中空结构，拉环为圆环形，放置在支承座顶部；

(2)在凸模表面进行粗糙度分区处理：从凸模球底开始一直到半球形最大直径，沿高度方向均匀分为3个区域S1、S2和S3，使S1区表面粗糙度为Ra25-Ra50，S2区表面粗糙度为Ra6.3-Ra12.5，S3区表面粗糙度为Ra3.2-Ra6.3；

(3)加工待成形板并分区：将待成形板加工为圆形，从芯部到边缘沿径向依次分为三个区域i区、m区和o区，i区的直径为待成形板直径的1/3～1/2，m区外径为待成形板直径的2/3～3/4；

(4)润滑剂分区涂覆：对凸模S2区、S3区涂覆润滑剂，S3区润滑剂完全覆盖凸模本色，S3区润滑剂用量为S2区润滑剂用量的30％-50％；对待成形m区和o区均涂覆润滑剂，o区润滑剂完全覆盖待成形板本色，m区润滑剂用量为o区润滑剂用量的30％-50％；

(5)对凸模和拉环分别升温：将拉环升温至850℃～950℃，升温速率不超过50℃/h，凸模同时升温，升温速率不超过50℃/h，最终温度低于拉环最终温度50℃～100℃；

(6)加载成形：对待成形板预热至750℃～850℃，放置拉环上，待拉环和待成形板温度稳定在850℃～950℃时，凸模开始加载，降温后取件，得到钛合金厚壁球壳。

步骤6中凸模加载工艺为：凸模初始下压速度v为10～15mm/min，初始下压速度v线性降低，加载到总加载时间的2/3时，速度达到2/3×v，而后线性恢复至v，总加载时间不超过1h。

步骤3中，还可对待成型板o区厚度方向进行加工，使径向梯度变化，厚度逐渐由原始厚度δ线性降低至3/4×δ，环向厚度一致。

步骤6降温取件后，对得到的钛合金厚壁球壳的形面及壁厚进行检测，圆度误差不超过2mm，壁厚减薄量不超过15％。

步骤2中，对S1区采用颗粒度为0.3～0.8mm的干砂进行喷砂处理，使粗糙度为Ra25-Ra50，对S2区表面粗车加工，使粗糙度为Ra6.3-Ra12.5，对S3区表面精车加工，使粗糙度为Ra3.2-Ra6.3。

本发明的有益效果：

(1)本发明通过对凸模、待成形板的摩擦系数进行分区设计，对凸模和拉环分别升温形成温度梯度，保证了钛合金厚壁球壳的壁厚均匀化，球底减薄率从常规成形的50％降低到15％以下，壳体整体壁厚波动不超过坯料壁厚的30％，且尺寸稳定；

(2)常规等温冲压后的球底处由于减薄最大，其机械性能损失也较大，因此往往是整个产品力学性能最薄弱的位置，本发明由于有效抑制了球底的减薄，因此球底处的机械性能损失程度大幅降低，球壳的整体机械性能更好；

(3)常规等温冲压球底减薄率可达50％，因此要求板材在成形温度下至少具有50％以上的塑性变形能力，而本发明由于抑制球底的减薄到15％以下，因此可以成形塑性更差的材料，例如网篮组织或片层组织的钛合金材料，满足某些服役环境下对组织的特殊要求；

(4)本发明球壳成形的壁厚均匀性提高后，使后续车加工余量可控，且分配更加合理，即使使用更薄的板材进行球壳成形，也可以满足最小余量要求，因此可以明显提高生产效率；

(5)本发明特别适合于运载火箭用TA7低温钛合金气瓶产品的研制和生产，同时也可以用于其它领域、其它牌号钛合金，同类产品的研制和生产，是一种非常实用的壁厚均匀化方法。

附图说明

图1为本发明成形过程示意图；

图2为本发明的工艺流程示意图；

图3为本发明的凸模表面粗糙度分区示意图；

图4为本发明的待成形板的坯料分区示意图；

图5为本发明的加载速率变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

传统热冲压成形的模具与待成形板有较大温差，成形过程中的待成形板、特别是待成形板与模具接触较早的位置有明显的温降，塑性和变形量均较低、减薄率也较小，一般可以控制在20％以内。而等温冲压模具温度一般与坯料接近或高于坯料温度，成形过程中坯料温度维持不变或者有一定温升，坯料变形抗力弱、塑性好，变形量也随之增大，因此减薄率也较大，球底壁厚最大减薄率可达50％，而实际产品的壁厚一般是均匀分布的，球壳毛坯的薄厚差异过大一方面增加了后续加工工作量，另一方面也不利于保证最终产品性能，因此进行等温冲压后的壁厚均匀化控制是非常必要的。

本发明通过深入分析超塑性热冲压过程中，影响壁厚变化的摩擦系数、温度等关键因素，找出了实现壁厚均匀化的技术渠道，并结合先进的超塑成形设备，提出了变摩擦系数冲头设计、润滑剂非均匀涂覆、待成形板温度梯度控制等独创性的工艺方法，再辅以优化后冲压速度、温度等主要工艺参数，从多方面抑制冲压后的球底减薄。可显著提高TA7球壳超塑性热冲压成形后的壁厚均匀性，解决了常规工艺造成的球底过度拉薄问题，使球壳的精加工难度大幅降低、性能得到有效控制，有效推动了TA7球壳超塑性热冲压技术的工程应用。

具体工艺实施过程分为三个阶段，工艺准备阶段、温度控制阶段、球壳成形阶段：

1.工艺准备阶段：主要包括冲头表面的预处理，坯料润滑剂的涂覆处理以及模具的安装调试等工作。冲头表面分为三个摩擦系数控制梯度，从球顶到赤道依次为S1高摩擦喷砂接触面、S2中摩擦粗加工接触面、S3低摩擦精加工，还可用润滑剂涂覆接触面。同时坯料在涂覆润滑剂时，芯部一定范围内不涂润滑剂，其余部分润滑剂按越靠近边缘越厚的原则涂覆。

2.温度控制阶段：工艺准备结束后，进行模具的安装，模具主要包括凸模1、拉环2、支承座3三大部分，凸模1、支承座3具备独立加热功能或固定在具备独立加热功能的超塑成形设备上下平台上，拉环2放置在支承座的承载平面上。拉环2与坯料接触的表面、以及拉环2与支承座3接触的平面上要涂覆润滑剂。升温时要控制凸模和拉环的温度差，使成形时，芯部温度更低，降低其变形量。

3.球壳成形阶段：控制压头开始热冲压成形，速度由快到慢再变快，冲压过程由于反复开关炉门，模具会有一定温降，因此应时刻监控模具温度，保证模具温度在工艺窗口内，一旦低于工艺要求，应关闭炉门保温一段时间，待其温度升至稳定值后在继续进行后续产品生产。

详细方案为：一种钛合金厚壁球壳等温冲压的壁厚均匀化方法，如图2所示，具体步骤如下：

(1)模具设计制造：模具包括凸模、拉环和支承座，凸模、拉环和支承座材料均为耐至少950℃的高温铸钢，凸模设计为半球形，支承座为中空结构，拉环为圆环形，放置在支承座顶部；

(2)在凸模表面进行粗糙度分区处理：从凸模球底开始一直到半球形最大直径，沿高度方向均匀分为3个区域S1、S2和S3，对S1区采用颗粒度为0.3～0.8mm的干砂进行喷砂处理，使粗糙度为Ra25-Ra50，对S2区表面粗车加工，使粗糙度为Ra6.3-Ra12.5，对S3区表面精车加工，使粗糙度为Ra3.2-Ra6.3；

(3)加工待成形板并分区：将待成形板加工为圆形，从芯部到边缘沿径向依次分为三个区域i区、m区和o区，i区的直径为待成形板直径的1/3～1/2，m区外径为待成形板直径的2/3～3/4，还可对待成型板o区厚度方向进行加工，使径向梯度变化，厚度逐渐由原始厚度δ线性降低至3/4×δ，环向厚度一致；

(4)润滑剂分区涂覆：对凸模S2区、S3区涂覆润滑剂，S3区润滑剂完全覆盖凸模本色，S3区润滑剂用量为S2区润滑剂用量的30％-50％；对待成形m区和o区均涂覆润滑剂，o区润滑剂完全覆盖待成形板本色，m区润滑剂用量为o区润滑剂用量的30％-50％；

(5)对凸模和拉环分别升温：将拉环升温至850℃～950℃，升温速率不超过50℃/h，凸模同时升温，升温速率不超过50℃/h，最终温度低于拉环最终温度50℃～100℃；

(6)加载成形：对待成形板预热至750℃～850℃，放置拉环上，待拉环和待成形板温度稳定在850℃～950℃时，凸模开始加载，凸模初始下压速度v为10～15mm/min，初始下压速度v线性降低，加载到总加载时间的2/3时，速度达到2/3×v，而后线性恢复至v，总加载时间不超过1h，降温后取件，降温取件后，对得到的钛合金厚壁球壳的形面及壁厚进行检测，圆度误差不超过2mm，壁厚减薄量不超过15％，得到钛合金厚壁球壳。

实施例：

本实施例中采用符合GJB2505A-2008的TA7钛合金板材，目标TA7半球产品壁厚要求20～25mm，待成形板壁厚25mm，直径940mm。

(1)模具设计制造：模具包括凸模1、拉环2和支承座3，如图1所示，凸模、拉环和支承座材料采用耐高温铸钢Ni7N，凸模设计为半球形，支承座为中空结构，拉环为圆环形，放置在支承座顶部；

(2)在凸模表面进行粗糙度分区处理：分区方式如图3所示，从凸模球底开始一直到半球形最大直径，沿高度方向均匀分为3个区域S1、S2和S3，对S1区采用颗粒度为0.3mm的干砂进行喷砂处理，粗糙度控制在Ra25级别，对S2区表面粗车加工，粗糙度控制在Ra6.3级别，对S3区表面采用精车加工，粗糙度为Ra3.2级别；

(3)加工待成形板并分区：已知待成形板直径为940mm，如图4所示，沿径向分为三个区域，其中芯部区域为i区，直径为350mm，m区为中部区域，直径为700mm，其余部位o区为边缘区域。三个区域中，i区和m区无需加工，只需划出分界线，o区在厚度方向进行加工，加工成径向梯度变化，环向厚度一致的结构，从m区边缘开始一直到o区边缘即待成形板边缘，厚度逐渐由原始厚度25mm线性降低至20mm。

(4)润滑剂分区涂覆：在凸模以及待成形板上，均采用润滑剂分区涂覆方式，其中对于凸模S1区不涂覆，对凸模S2区、S3区涂覆润滑剂，S3区润滑剂完全覆盖凸模本色，S3区润滑剂用量为S2区润滑剂用量的50％。对待成形i区不涂覆润滑剂，m区和o区均涂覆润滑剂，o区润滑剂完全覆盖待成形板本色，m区润滑剂用量为o区润滑剂用量的50％；

(5)对凸模和拉环分别升温：模具中凸模和拉环分别采用一套温控系统，升温时相对可以独立控制，升温时要设定凸模的最终温度低于拉环最终温度80℃以上，最终拉环的成形温度控制在880℃，凸模温度控制在800℃以下，升温速率50℃/h。

高温装料：装料前需要对坯料进行预热，预热温度800℃，待成形板达到预热温度后，打开炉门，抬起上模具，使用工装将圆形待成形板放入下模具的指定位置，然后关闭炉门，装料时间小于5min。

(6)加载成形：高温装料后由于模具会有一定温降，且板料温度往往达不到成形温度，因此一般装料后保温30min，并观察模具热电偶温度，待拉环达到成形温度880℃，且凸模温度在800℃以下后，执行加载程序，进行等温冲压成形。冲头初始加载速度v1＝15mm/min，成形到40min时，速度达到最慢，v2＝10mm/min，然后逐渐恢复至初始速度v1，直至成形结束，速度曲线基本结构如图5所示，总加载时间1h。

(7)高温取件：成形结束后，打开炉门使用工装取出成形好的球壳，取件时凸模要升起，球壳零件从拉环下部拖出。取件时间应控制在5min以内，防止炉腔和模具温降过大。取件后需对模具重新加热，使其恢复到成形温度后，方可进行下一件产品的成形。

(8)得到球壳产品：使用样板对成形后的半球壳体外形面进行检测，确定圆度满足要求，并采用超声测厚设备对球壳的壁厚分布情况进行检测，确定满足工艺技术要求。

本发明与现有技术相比具有如下效果：

(1)成形后的球壳壁厚均匀性好：本发明通过对凸模、待成形板的摩擦系数进行分区设计，对凸模和拉环分别升温形成温度梯度，保证了钛合金厚壁球壳的壁厚均匀化，球底减薄率从常规成形的50％降低到15％以下，壳体整体壁厚波动不超过坯料壁厚的30％，且尺寸稳定。

(2)成形后的球壳机械性能更好：常规等温冲压后的球底处由于减薄最大，其机械性能损失也较大，因此往往是整个产品力学性能最薄弱的位置，本发明由于有效抑制了球底的减薄，因此球底处的机械性能损失程度大幅降低，球壳的整体机械性能更好。

(3)对原始板材的塑性要求更低：常规等温冲压球底减薄率可达50％，因此要求板材在成形温度下至少具有50％以上的塑性变形能力，而本发明由于抑制球底的减薄到15％以下，因此可以成形塑性更差的材料，例如网篮组织或片层组织的钛合金材料，满足某些服役环境下对组织的特殊要求。

(4)降低加工余量、提高生产效率：球壳成形的壁厚均匀性提高后，使后续车加工余量可控，且分配更加合理，即使使用更薄的板材进行球壳成形，也可以满足最小余量要求，因此可以明显提高生产效率。

综上，该发明特别适合于运载火箭用TA7低温钛合金气瓶产品的研制和生产，同时也可以用于其它领域、其它牌号钛合金，同类产品的研制和生产，是一种非常实用的壁厚均匀化方法。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明未公开内容为本领域技术人员公知常识。