Ti制造技术

Ti

【技术实现步骤摘要】
Ti2AlNb基合金空心薄壁构件热态气压成形与热处理的方法
本专利技术属于难变形材料薄壁构件塑性成形制造
，具体涉及一种Ti2AlNb基合金空心薄壁构件成形方法。
技术介绍
随着航空航天工业的迅速发展，对于提高动力系统效率和降低能耗要求越来越迫切，空心变截面薄壁构件(如：进气道、喷管等)是航空航天飞行器中使用广、要求高、难制造的典型代表构件。Ti2AlNb基合金室温塑性和断裂韧性较高，抗蠕变、抗疲劳和抗氧化性等高温性能优良，还具有低密度、低热膨胀系数和无磁性等优点，因此成为在600～800℃服役温度替代高温合金的最具潜力材料之一，对于航空航天飞行器进一步减重、提高有效载荷和飞行速度具有重要意义。新一代高超声速飞行器，其动力系统中关键部件(如：进气道、喷管等)需承受高速高压气流冲刷，服役环境十分恶劣，如：表面防护层温度高达3000～4000K，构件本体在冷却条件下的工作温度也达600～800℃；构件承受的气体压力通常是数兆帕(数十大气压)，最高可达20兆帕(200大气压)。因此，需要此类构件具有优异的高温服役性能(包括高强度及一定的断裂延伸率等)。同时，为了满足高超声速飞行器的气体动力学要求，实现进气流场控制、避免驻点气动热过高引起的熔穿风险，进气道、喷管等构件的形状尺寸精度要求很高，尤其内型面精度要求苛刻。在构件形状尺寸精度控制方面，由于Ti2AlNb基合金原子之间为以金属键和共价键共存的混合键方式结合，具有本征脆性，只能在高温成形，同时由于空心薄壁构件不能在成形后再机械加工，尤其构件内型面基本无法加工，因此需要一种高精度的高温成形方法，在成形过程中直接满足型面尺寸精度要求。在构件服役性能调控方面，Ti2AlNb基合金由α2、B2和O相组成，其中O相的本征塑性高于α2相，同时在服役条件下构件内部裂纹主要在等轴O/O相界处形成，因此O相的含量及形貌对Ti2AlNb基合金构件的高温服役性能影响显著。因此，为了获得优异的使用性能，Ti2AlNb基合金构件在成形后必须进行热处理，以改善微观组织(如O相形貌和尺寸等)。但是，Ti2AlNb基合金空心薄壁构件的服役性能调控与形状尺寸精度控制矛盾非常突出。研制中发现，在热成形后将零件从模具中取出再进行热处理，会由于热处理过程组织演变和温度变化导致严重的形状畸变、尺寸精度超差、产品报废。可见，此类构件已成为困扰国家重大工程高超声速飞行器等型号研制的技术瓶颈。因此，亟需开发Ti2AlNb基合金空心薄壁构件成形控性一体化新工艺，以满足航空航天新一代型号研制对高性能、高精度Ti2AlNb基合金空心薄壁构件的迫切需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是要解决现有Ti2AlNb基合金空心薄壁构件难成形、工艺步骤复杂、且形状尺寸精度和组织性能调控矛盾的问题，而提供Ti2AlNb基合金空心薄壁构件热态气压成形与热处理的方法。Ti2AlNb基合金空心薄壁构件热态气压成形与热处理的方法，具体是按以下步骤完成的：一、热态气压成形：先将模具加热至成形温度970～990℃，在模具上设有管材进气口和管材出气口，利用进气口密封塞密封管材坯料进气端，且进气口密封塞上设置与管材坯料管道连通的气体进气口，气体进气口的外界开口处设置进气开关，利用出气口密封塞密封管材坯料出气端，且出气口密封塞上设置与管材坯料管道连通的气体出气口，气体出气口的外界开口处设置出气开关，将管材坯料放入模具中，合模后将管材坯料进气端和出气端分别利用进气口密封塞和出气口密封塞密封，然后在温度970～990℃下保温5min～30min，出气开关仍处于关闭状态，打开进气开关，将压缩气体Ⅰ通过气体进气口进入管材坯料的管道内，在气胀压力为5MPa～70MPa和温度为970～990℃条件下进行热态气压成形，至管材坯料完全成形为止，得到热态气压成形后管件；二、可控冷却热处理：打开出气开关，从进气口密封塞上的气体进气孔充入压缩气体Ⅱ，使热态气压成形后管件的管道内的气体压力保持在1MPa～20MPa，以热态气压成形后管件的冷却速度为0.3℃/s～3.5℃/s进行气冷，当热态气压成形后管件的温度降至780～830℃时，停止进气，在温度为780～830℃下保温时间为30min～60min，然后继续通入压缩气体Ⅱ，使热态气压成形后管件的管道内的气体压力保持在1MPa～20MPa，以热态气压成形后管件的冷却速度为0.3℃/s～3.5℃/s进行气冷，当热态气压成形后管件的温度降至400～500℃时，停止进气，由出气口密封塞上的气体出气口进行泄压，然后开模取件，即得到Ti2AlNb基合金空心薄壁构件。本专利技术的原理及优点：一、本专利技术热态气压成形原理：以Ti2AlNb基合金薄壁管坯为管材坯料，通过模具设计与优化控制构件的最终形状，模具设有管材进气孔和管材排气孔，将模具加热至成形温度后，放入管坯，胀形过程中排气孔关闭，由管材进气孔进气并维持气胀压力。在高温作用下，Ti2AlNb基合金薄壁管坯强度降低，塑性变形能力增加；当施加的气压压力使Ti2AlNb基合金管坯达到屈服条件时，管坯通过塑性变形的方式达到紧贴模具内壁成形的目的。胀形结束后管材进气孔和管材排气孔打开，由管材进气孔进气，管材排气孔排气，通过调节冷却气体来控制成形薄壁件的冷却速度，冷却处理过程中，仍维持一定的气体压力，以保证成形构件的形状尺寸精度。二、Ti2AlNb基合金微观组织性能调控原理：适当增加成形后高温区的冷却速度，达到减小析出O相片层的尺寸，结合适当的时效热处理条件参数，最终获得细小B2相基体中，均匀分布少量等轴α2相以及适量细小片层状O相的微观组织，以获得优异的综合使用性能。三、本专利技术在热态气压成形的同时，完成时效热处理，不需要另外的热处理工序，因此提高了生产效率。四、尺寸精度高：在气压支撑作用下使构件在模具内完成热处理，避免了热处理导致的形状畸变，因此尺寸精度高。五、在成形后利用余热完成时效热处理，不需冷却后再次加热，降低能耗。六、成形后空心薄壁构件在模具内，通过高压气体循环控制冷速速度，克服了现有技术冷却速度低、构件降温时间长，导致O相含量过多、组织粗大等问题，所以本专利技术得到的到Ti2AlNb基合金空心薄壁构件组织性能好：实现控形控性一体化。七、本专利技术得到的到Ti2AlNb基合金空心薄壁构件的微观组织为：在B2相基体中，均匀分布少量细小的等轴α2相以及适量细小片层状O相，其中层状O相片层尺寸为50～300nm。八、本专利技术得到的到Ti2AlNb基合金空心薄壁构件的力学性能为：室温条件下，拉伸屈服强度≥1200MPa，拉伸断裂强度≥1350MPa，断裂延伸率≥14％；高温条件下(750℃)，拉伸屈服强度≥680MPa(根据0.2％塑性应变)，拉伸断裂强度≥780MPa，断裂延伸率≥15％。九、本专利技术得到的到Ti2AlNb基合金空心薄壁构件的形状尺寸精度指标为：尺寸偏差≤0.2mm，角度偏差≤0.25°。本专利技术主要用于采用热态气压成形与热处理制备Ti2AlNb基合金空心薄壁构件。附图说明图1是具体实施方式一中所述模具的结构示意图，图中1表示模具，2表示管材进气口，3表示管材出气口，图中1-1表示上模具，图中1-2表示下模具；图2是具体实施方式一中合模后模具的结构示意图，图中1表示模具，4表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.Ti2AlNb基合金空心薄壁构件热态气压成形与热处理的方法，其特征在于它是按以下步骤完成的：一、热态气压成形：先将模具(1)加热至成形温度970～990℃，在模具(1)上设有管材进气口(2)和管材出气口(3)，利用进气口密封塞(4)密封管材坯料(10)进气端，且进气口密封塞(4)上设置与管材坯料(10)管道连通的气体进气口(6)，气体进气口(6)的外界开口处设置进气开关(8)，利用出气口密封塞(5)密封管材坯料(10)出气端，且出气口密封塞(5)上设置与管材坯料(10)管道连通的气体出气口(7)，气体出气口(7)的外界开口处设置出气开关(9)，将管材坯料(10)放入模具(1)中，合模后将管材坯料(10)进气端和出气端分别利用进气口密封塞(4)和出气口密封塞(5)密封，然后在温度970～990℃下保温5min～30min，出气开关(9)仍处于关闭状态，打开进气开关(8)，将压缩气体Ⅰ通过气体进气口(6)进入管材坯料(10)的管道内，在气胀压力为5MPa～70MPa和温度为970～990℃条件下进行热态气压成形，至管材坯料(10)完全成形为止，得到热态气压成形后管件；二、可控冷却热处理：打开出气开关(9)，从进气口密封塞(4)上的气体进气孔(6)充入压缩气体Ⅱ，使热态气压成形后管件的管道内的气体压力保持在1MPa～20MPa，以热态气压成形后管件的冷却速度为0.3℃/s～3.5℃/s进行气冷，当热态气压成形后管件的温度降至780～830℃时，停止进气，在温度为780～830℃下保温时间为30min～60min，然后继续通入压缩气体Ⅱ，使热态气压成形后管件的管道内的气体压力保持在1MPa～20MPa，以热态气压成形后管件的冷却速度为0.3℃/s～3.5℃/s进行气冷，当热态气压成形后管件的温度降至400～500℃时，停止进气，由出气口密封塞(5)上的气体出气口(7)进行泄压，然后开模取件，即得到Ti2AlNb基合金空心薄壁构件。...

【技术特征摘要】
1.Ti2AlNb基合金空心薄壁构件热态气压成形与热处理的方法，其特征在于它是按以下步骤完成的：一、热态气压成形：先将模具(1)加热至成形温度970～990℃，在模具(1)上设有管材进气口(2)和管材出气口(3)，利用进气口密封塞(4)密封管材坯料(10)进气端，且进气口密封塞(4)上设置与管材坯料(10)管道连通的气体进气口(6)，气体进气口(6)的外界开口处设置进气开关(8)，利用出气口密封塞(5)密封管材坯料(10)出气端，且出气口密封塞(5)上设置与管材坯料(10)管道连通的气体出气口(7)，气体出气口(7)的外界开口处设置出气开关(9)，将管材坯料(10)放入模具(1)中，合模后将管材坯料(10)进气端和出气端分别利用进气口密封塞(4)和出气口密封塞(5)密封，然后在温度970～990℃下保温5min～30min，出气开关(9)仍处于关闭状态，打开进气开关(8)，将压缩气体Ⅰ通过气体进气口(6)进入管材坯料(10)的管道内，在气胀压力为5MPa～70MPa和温度为970～990℃条件下进行热态气压成形，至管材坯料(10)完全成形为止，得到热态气压成形后管件；二、可控冷却热处理：打开出气开关(9)，从进气口密封塞(4)上的气体进气孔(6)充入压缩气体Ⅱ，使热态气压成形后管件的管道内的气体压力保持在1MPa～20MPa，以热态气压成形后管件的冷却速度为0.3℃/s～3.5℃/s进行气冷，当热态气压成形后管件的温度降至780～830℃时，停止进气，在温度为780～830℃下保温时间为30min～60min，然后继续通入压缩气体Ⅱ，使热态气压成形后管件的管道内的气体压力保持在1MPa～20MPa，以热态气压成形后管件的冷却速度为0.3℃/s～3.5℃/s进行气冷，当热态气压成形后管件的温度降至400～500℃时，停止进气，由出气口密封塞(5)上的气体出气口(7)进行泄压，然后开模取件，即得到Ti2AlNb基合金空心薄壁构件。2.根据权利要求1所述的Ti2AlNb基合金空心薄壁构件热态气压成形与热处理的方法，其特征在于步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘钢，苑世剑，王东君，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23