一种钛合金薄壁构件快速加热冷模热板成形方法与流程

本发明涉及钛合金薄壁构件成形技术领域，特别是涉及一种钛合金薄壁构件快速加热冷模热板成形方法。

背景技术：

钛合金具有优异的综合力学性能比如：高比强度、耐腐蚀、突出的高温强度等，并且可焊接和机械加工，结构效益十分显著，在我国航空航天及船舶等领域得到了广泛的应用。然而钛合金构件的价格却一直十分高昂，同等使用条件下，钛合金构件的价格约为钢的40倍、铝合金的20倍，这直接限制了其应用范围。近些年来随着国内外民用飞机及商业火箭发射的发展，国家对降低钛合金结构件的成本越发关注。

因为钛合金室温条件下强度高、塑性差、杨氏模量低，成形难度很高，因此多采用热成形。在传统的钛合金薄壁构件热成形工艺过程中，通常将模具和板料放在加热炉中一起加热到600-800℃，当成形构件尺寸较大时，需要很长的加热和冷却时间，成形周期一般在10小时以上，成形效率低，能源消耗严重，模具磨损厉害，产品加工制造成本高；而且由于长时间加热，材料氧化严重，成形后晶粒容易长大，构件性能较成形前损失较多。因此，迫切需要开发新工艺来降低钛合金薄壁构件加工制造成本，并实现钛合金薄壁构件精密成形及性能同步控制。

近些年来采用冷模热板的高强钢热冲压技术在汽车行业得到了充分的发展，其原理为：首先将钢板加热到奥氏体化温度进行热处理，然后利用冷模具快速成形和淬火，得到具有马氏体组织的高强度构件。该工艺成形效率高，经济效益显著，近年来还被成功拓展到铝合金成形。公开号为CN106513508A的中国专利，公开了一种钛合金钣金件冷模热冲压成形及工装加工方法，然而，钛合金冷模热板成形技术一直没有得到广泛的应用，主要原因在于，钛合金冷模热板成形过程中，由于模具温度远低于板材温度，当板材和模具接触时，板材温度会快速下降，成形过程中易出现开裂现象，且由于温度较低回弹控制难度大；但是如果将板材加热到较高温度，比如850℃～1000℃时，较长时间加热和保温过程中，材料内部会发生α向β的转变、晶粒粗化及表面氧化等现象，在成形过程中由于温度快速下降，β相基体内会析出次生α或者马氏体，这些组织转变会进一步降低材料的延伸率，导致开裂。因此，如果采用现有的冷模热板技术成形钛合金薄壁构件时，回弹控制和成形极限控制是相互矛盾的，成形复杂构件难度很大。

因此，在钛合金薄壁构件冷模热板成形过程中，如何提高成形极限以及减少回弹量，是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种钛合金薄壁构件快速加热冷模热板成形方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高钛合金冷模热板成形极限，减少成形回弹量，提高成形质量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种钛合金薄壁构件快速加热冷模热板成形方法，包括如下步骤：

步骤一、钛合金板材加热

将钛合金板材加热至800-1000℃并保温，加热及保温总时间小于2min；

步骤二、转移

关闭加热开关，当钛合金板材加热方式为非原位加热时，将加热后的钛合金板材转移至模具成形区；当钛合金板材加热方式为原位加热时，钛合金板材无需加热；

步骤三、冲压成形

气动压力机闭合上下模具，对板材进行冲压成形以及模具内淬火，并保压；

步骤四、取件

开启上下模具，取出成形后的钛合金构件；

步骤一至步骤三的完成时间总和小于5min。

优选地，步骤一中，钛合金板材的加热速率为8-200℃/s，保温0-60s。

优选地，步骤二中，钛合金板材的加热方式为感应加热、接触式加热或电流加热。

优选地，在步骤三中，保压时间为3-10s。

优选地，对于复杂构件或精度要求高的构件成形，在进行步骤一之前对模具加热，模具加热到150-300℃，步骤三冲压成形后，保压时间为0-3min。

优选地，采用加热棒或感应加热的方式对模具进行加热。

优选地，在进行成形之前首先进行成形准备，在钛合金板材表面均匀喷涂防氧化剂，在模具表面均匀喷涂润滑剂，并充分晾干。

优选地，在成形准备中，在钛合金板材表面均匀喷涂氮化硼，并充分晾干。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的钛合金薄壁构件快速加热冷模热板成形方法，包括如下步骤：步骤一、将钛合金板材加热至800-1000℃并保温，加热及保温总时间小于2min；步骤二、关闭加热开关，当钛合金板材加热方式为非原位加热时，将加热后的钛合金板材转移至模具成形区；当钛合金板材加热方式为原位加热时，钛合金板材无需转移；步骤三、冲压成形；步骤四、取件；其中，步骤一至步骤三的完成时间总和小于5min。本发明通过缩短钛合金加热时间，使得钛合金材料相变、晶粒粗化及表面氧化等得到显著抑制，提高钛合金冷模热板成形极限，将成形温度范围拓展到800-1000℃，加热温度高可以降低钛合金材料的弹性应变，减少成形回弹量，提高钛合金薄壁构件成形质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的钛合金薄壁构件快速加热冷模热板成形方法与现有技术中钛合金薄壁构件成形方法的对比示意图；

图2为实施例一中钛合金板材非等温变形测试流程示意图；

图3为实施例一中步骤二的示意图；

图4为实施例一中步骤三的示意图；

图5为实施例一中步骤四的示意图；

图6为实施例二中步骤二中接触式加热的示意图；

图7为实施例二中步骤二的示意图；

图8为实施例三中步骤二的示意图；

图9为实施例三中步骤三的示意图；

图10为实施例四中模具加热的示意图；

图11为实施例四中模具加热及冲压成形的示意图；

其中，1为模具，2为板材，3为冲头，4为压块，5为感应加热器，6为感应线圈，7为加热炉，8为接触式加热板，9为连杆，10为电极，11为绝缘垫块，12为加热元件，13为传送带。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种钛合金薄壁构件快速加热冷模热板成形方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高钛合金冷模热板成形极限，减少成形回弹量，提高成形质量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1-11，其中，图1为本发明的钛合金薄壁构件快速加热冷模热板成形方法与现有技术中钛合金薄壁构件成形方法的对比示意图，图2为实施例一中钛合金板材非等温变形测试流程示意图，图3为实施例一中步骤二的示意图，图4为实施例一中步骤三的示意图，图5为实施例一中步骤四的示意图，图6为实施例二中步骤二中接触式加热的示意图，图7为实施例二中步骤二的示意图，图8为实施例三中步骤二的示意图，图9为实施例三中步骤三的示意图，图10为实施例四中模具加热的示意图，图11为实施例四中模具加热及冲压成形的示意图。

本发明提供一种钛合金薄壁构件快速加热冷模热板成形方法，包括如下步骤：

步骤一、钛合金板材加热

将钛合金板材加热至800-1000℃并保温，加热及保温总时间小于2min；

步骤二、转移

关闭加热开关，当钛合金板材加热方式为非原位加热时，将加热后的钛合金板材转移至模具成形区；当钛合金板材加热方式为原位加热时，钛合金板材无需转移；

步骤三、冲压成形

启动压力机闭合上下模具，对钛合金板材进行冲压成形以及模具内淬火，并保压；

步骤四、取件

开启上下模具，取出成形后的钛合金构件；

步骤一至步骤三的完成时间总和小于5min。

现有技术中，钛合金板材构件热成形温度范围为600-800℃，如果将板材加热到钛合金两相区较高温度，比如850℃～1000℃时，较长时间加热和保温过程中，材料内部会发生α向β的转变、晶粒粗化及表面氧化等现象，在成形过程中由于温度快速下降，β相基体内会析出次生α或者马氏体，这些组织转变会进一步降低材料的延伸率，从而导致开裂缺陷。本发明的钛合金薄壁构件快速加热冷模热板成形方法，钛合金板材的加热及保温总时间小于2min，采用快速加热钛合金板材的方式，缩短钛合金板材受热时间，使得钛合金材料相变、晶粒粗化及表面氧化等得到显著抑制，提高钛合金冷模热板成形极限，将成形温度范围拓展到800-1000℃。与现有技术中钛合金薄壁构件冷模热板成形相比，快速加热冷模热板成形加热温度更高，可显著降低材料的极限弹性应变，减少成形后回弹量，提高钛合金薄壁构件的成形质量。

具体地，步骤一中，钛合金板材的加热速率为8-200℃/s，加热速率可以根据钛合金类型及构件特点、加热效率等确定，加热到800-1000℃后，保温0-60s，加热及保温总时间小于2min，保温时间可以根据温度分布均匀性及构件组织性能要求确定。

另外，步骤二中，板材的加热方式为感应加热、接触式加热或电流加热，感应加热和接触式加热为非原位加热，加热完成后需要将钛合金板材转移至模具成形区，转移可采用传送带、机械手或人工转移，电流加热属于原位加热方式，钛合金板材无需转移，省时省力。

在冲压成形过程中，保压时间为3-10s，对于结构复杂的构件，可适当延长保压时间。

更具体地，对于复杂构件或精度要求高的构件成形，在进行步骤一之前对模具加热，模具加热到150-300℃，模具的加热温度可以根据构件的复杂程度及钛合金材料的具体类型，并结合数值模拟分析确定。通过对钛合金板材和模具分别控温，调控构件成形后组织性能，实现钛合金薄壁构件冷模热板控形控性一体化精确成形。另外，本发明通过对板材和模具温度的合理分配，在保证成形质量的同时，提高成形效率，降低钛合金薄壁构件加工制造成本。步骤三冲压成形后，保压时间为0-3min，保压时间根据成形构件的特点确定。

在对模具进行加热时，可以采用加热棒或感应加热的方式。

进一步地，在进行成形之前首先进行成形准备，在钛合金板材表面均匀喷涂防氧化剂，在模具表面均匀喷涂润滑剂，并充分晾干，防止钛合金板材成形过程中被氧化，提高构件成形质量。

下面通过具体的实施例对本发明的钛合金薄壁构件快速加热冷模热板成形方法进行进一步地解释说明：

实施例一

具体成形包括如下步骤：

步骤一、成形准备。在TC4钛合金板材表面均匀喷涂氮化硼，在模具表面也均匀喷涂氮化硼，并充分晾干。需要说明的是，此处以TC4钛合金板材为例说明成形步骤，本发明的方法适用多种牌号的钛合金，例如TA2，TA18，TA15，TA32，TC1，TC2，TC4，TC21，TC31等。

步骤二、板材快速加热。将喷涂氮化硼的钛合金板材放置在传送带13上、感应线圈6下方，打开感应加热器5电源开关，同时打开传送带13开关，让钛合金板材在移动中加热，通过调节感应加热器5的功率大小，将钛合金板材以100℃/s加热速率加热到900℃，保温15s使温度稳定。

步骤三、转移。关闭加热器，通过人工将加热后钛合金板材迅速转移到模具成形区，将其放在成形下模上面。

步骤四、快速冲压成形。启动压力机，使冲头3和压块4以60mm/s的速度快速向下运动，闭合上下模具，对板材进行冲压成形及模具内淬火，保压5s。

步骤五、取件。开启上下模具，取出成形构件。

其中步骤二中成形工艺参数的确定可以通过Gleeble3800热模拟试验机进行非等温实验，测试工艺流程如图2所示，首先采用不同的加热速率将试样加热到不同的温度，保温不同时间后，以相同的冷却速度冷却到相同的变形温度，对其进行拉伸测试，比较不同条件下变形后延伸率大小，获得合适的加热温度、加热速率及保温时间，通过工艺参数的优化，成功成形出钛合金复杂构件。

实施例二

与实施例一不同的是，在实施例二中，采用接触式加热方式实现对钛合金板材的快速加热，成形过程包括如下步骤：

步骤一、成形准备。在TC4钛合金板材表面均匀喷涂氮化硼，在模具表面也均匀喷涂氮化硼，并充分晾干。

步骤二、接触式加热。采用加热炉7将接触式加热板8加热到900℃。

步骤三、钛合金板材快速加热。将喷涂氮化硼的钛合金板材放置在接触式加热板8之间，迅速向下移动接触式加热板8，将钛合金板材夹在接触式加热板8之间，并通过连杆9施加一定的压力，将钛合金板材以100℃/s的加热速率加热到900℃，保温15s使温度稳定。

其余步骤与实施例一相同。

实施例三

与实施例二不同的是，在实施例三中，采用电流加热实现对钛合金板材的快速加热，到温后无需转移，成形过程包括如下步骤：

步骤一、成形准备。在TC4钛合金板材表面均匀喷涂氮化硼，在模具表面也均匀喷涂氮化硼，并充分晾干。

步骤二、板材快速加热。将喷涂氮化硼的钛合金板材放置于电极10之间，利用绝缘垫块11使钛合金板材和模具之间绝缘。闭合电极10，使其和钛合金板材紧密接触，打开电流加热电源，通过调节加热功率大小，将钛合金板材以100℃/s加热速率加热到900℃，保温15s使温度稳定。

步骤三、快速冲压成形。关闭电流加热电源，启动压力机，使冲头3和压块4以60mm/s的速度快速向下运动，闭合上下模具，对板材进行冲压成形及模具内淬火，保压5s。

步骤四、取件。开启上下模具，取出成形构件。

实施例四

当所需成形的TC4钛合金构件十分复杂，与实施例一至实施例三不同的是，在本实施例中，模具处于温热状态，具体包括如下步骤：

步骤一、成形准备。在TC4钛合金板材表面均匀喷涂氮化硼，在模具表面也均匀喷涂氮化硼，并充分晾干。

步骤二、模具加热。通过在模具内的加热元件12将模具加热到150℃。

其余步骤与实施例一相同。

本发明的钛合金薄壁构件快速加热冷模热板成形方法，通过大幅缩短钛合金板材加热时间，减少加热过程中的相变、晶粒粗化以及表面氧化，既可以提高板材成形温度，又能够避免高温组织演化引起的延伸率下降，从而提高钛合金冷模热板成形极限，减少回弹量，避免构件性能损失，降低钛合金薄壁构件加工制造成本。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。