一种钛合金薄壁件热处理与气压成形一体化方法技术

本发明专利技术提供了一种钛合金薄壁件热处理与气压成形一体化方法，包括步骤：S1、将模具加热至成形后热处理温度T2，将筒坯放入模具中，通过密封冲头将模具闭合；S2、将筒坯加热到预先热处理温度T1并保持第一时长；S3、停止对筒坯的加热，并向密闭空腔内注入高压气体，使所述筒坯在高压气体的作用下发生快速胀形而贴合到模具的型腔，得到热态气压成形后管件；S4、将所述密闭空腔内的压力提高至应力松弛压力P3并保持第二时长；S5、停止对所述模具加热，打开排气口，并进行气冷，最后开模取件，得到钛合金薄壁件。本发明专利技术实现了钛合金薄壁件气压成形过程的形状精度与组织性能一体化调控，使构件同时获得高精度与高性能。

An integrated method of heat treatment and air pressure forming for titanium alloy thin wall parts

The invention provides a method for the integration of heat treatment and air pressure forming of titanium alloy thin-walled parts, which comprises the following steps: S1. Heating the die to the post forming heat treatment temperature T2, putting the tube blank into the die, closing the die through the sealing punch; S2. Heating the tube blank to the pre heat treatment temperature T1 and maintaining the first time length; S3. Stopping the heating of the tube blank and injecting high pressure into the sealed cavity Gas, which makes the cylinder blank expand rapidly under the action of high pressure gas and fit to the mold cavity to obtain the pipe fittings after hot air pressure forming; S4, increase the pressure in the closed cavity to the stress relaxation pressure P3 and maintain the second time; S5, stop heating the mold, open the exhaust port, conduct air cooling, and finally open the mold to take out the parts to obtain the thin-walled titanium alloy parts. The invention realizes the integrated control of the shape accuracy and the structure performance in the air pressure forming process of the titanium alloy thin-walled parts, so that the components can obtain the high accuracy and the high performance at the same time.

【技术实现步骤摘要】
一种钛合金薄壁件热处理与气压成形一体化方法
本专利技术涉及薄壁构件塑性成形制造
，特别涉及一种钛合金薄壁件热处理与气压成形一体化方法。
技术介绍
钛合金异形截面薄壁件是火箭、飞机中常用的一类轻质耐热构件，如排气道、发动机喷管等，为了满足气动性能、高温高压服役性能等苛刻要求，对此类构件的尺寸精度和组织性能提出了很高的要求。以TA15钛合金构件为例，为了满足室温和高温(服役温度约500℃)强韧性合理匹配，传统技术在成形后将构件放入热处理炉进行组织性能调控，由于热处理过程导致的应力应变极易造成薄壁构件形状畸变，难以实现型面轮廓精度的要求，对于大尺寸超薄构件，这一问题将更加突出。由于现有技术无法整体制造这样的钛合金异形截面薄壁构件，被迫采用分块成形-焊接-校形的传统技术，而这种分块成形-焊接-校形的工艺不能满足钛合金异形截面薄壁件的制造要求，主要问题是：1)焊接构件尺寸精度低，由于分块成形构件在焊接时易产生形状畸变，尺寸偏差可达到2mm以上(一般此类构件设计精度要求均小于0.5mm)；2)构件力学性能差，由于产品分块成形和校形热暴露时间长(20-30小时)，且为避免破坏尺寸精度不能进行后续热处理，现有工艺构件综合性能一般均低于母材，不能发挥出材料最佳的效能。可以看出，采用传统工艺成形时，精度控制和组织性能调控是一对矛盾体，在同一个构件上不能高效率的同时保证精度和性能，因此急需开发新的成形技术来解决上述难题。
技术实现思路
本专利技术旨在一定程度上解决现有技术中钛合金异形截面薄壁件制造工艺存在的尺寸精度低、组织性能差等问题。为解决上述问题，本专利技术提供了一种钛合金薄壁件热处理与气压成形一体化方法，包括步骤：S1、装模：将模具加热至成形后热处理温度T2，然后将筒坯放入模具中，通过密封冲头将模具闭合，以使密封冲头和所述筒坯之间形成密闭空腔；S2、筒坯加热：将筒坯加热到预先热处理温度T1并保持第一时长t1；S3、进气补料成形：停止对筒坯的加热，并向密闭空腔内注入高压气体，使所述筒坯在高压气体的作用下发生快速胀形而贴合到所述模具的型腔，得到热态气压成形后管件；S4、应力松弛及成形后热处理：将所述密闭空腔内的压力提高至应力松弛压力P3并保持第二时长t2；S5、开模取件：停止对所述模具加热，打开排气口，并对所述热态气压成形后管件进行气冷，最后开模取件，得到钛合金薄壁件。可选的，步骤S1中，所述将模具加热，包括步骤：将嵌设在所述模具内的加热元件通电，对所述模具进行加热。可选的，步骤S1中，所述将筒坯放入模具中，通过密封冲头将模具闭合，包括步骤：将筒坯放入由上模和下模组成的所述模具的型腔内，合模并施加合模力，通过左冲头和右冲头对筒坯的端部实行密封；其中所述左冲头上设置有感应加热线圈，在装模完成后，所述感应加热线圈位于筒坯内部。可选的，步骤S3中，所述向密闭空腔内注入高压气体，使所述筒坯在高压气体的作用下发生快速胀形而贴合到所述模具的型腔，包括步骤：通过设置在左冲头上的进气孔，向密闭空腔内注入进气压力P1的压缩气体，同时左冲头和右冲头进行轴向补料，补料完成后，将密闭空腔内的压力提高至胀形压力P2，进行热态气压成形。可选的，所述对热态气压成形后管件进行气冷，包括步骤：打开设置在右冲头上的排气孔，通过所述进气孔向所述密闭空腔内注入气冷压力P4的压缩气体，以热态气压成形后管件的冷却速度为5-30℃/s进行气冷，当热态气压成形后管件的温度降至取件温度T3时，停止进气。可选的，其特征在于，步骤S4中，在所述应力松弛及成形后热处理过程下，所述热态气压成形后管件的温度与所述模具温度相同或相近。可选的，所述预先热处理温度T1的范围为850-1000℃，所述成形后热处理温度T2的范围为400-700℃。可选的，所述进给压力P1的范围为0.5-3MPa，所述胀形压力P2的范围为3-12MPa，所述应力松弛压力P3的范围为12-35Mpa。可选的，所述第一时长t1的范围为5-30min，第二时长t2的范围为60-180min。可选的，所述筒坯为钛合金管，所述钛合金管为近α相系和/或α+β双相系钛合金。相对于现有技术，本专利技术提供的钛合金薄壁件热处理与气压成形一体化方法具有以下优势：(1)本专利技术将钛合金薄壁件的成形精度控制与组织性能调控相结合，在成形模具内完成热处理与气压成形两个加工过程的工艺方法，由于筒坯进行了预先热处理，因此在应力松弛温度下进行应力松弛时，可以同时完成钛合金薄壁件的成形后热处理，将控形与控性合二为一，从而获得高精度、高性能钛合金异形截面薄壁件。(2)本专利技术通过分别对模具和筒坯进行加热，有效提高工艺过程中的加热效率、降低能源消耗，从而节约成本；还可以根据筒坯材料热处理调控需求，相对自由的设计筒坯和模具温度，提高了工艺操作的灵活性。(3)本专利技术一体化方法制备的TA15钛合金薄壁件，在室温使用条件下，其抗拉强度比成形前提高了11.5％；在500℃使用条件下，其抗拉强度比成形前提高7.7％。附图说明图1为钛合金薄壁件热处理与气压成形一体化装置在成形前的结构示意图；图2为钛合金薄壁件热处理与气压成形一体化装置在成形后的结构示意图；图3为钛合金薄壁件热处理与气压成形一体化方法工艺步骤图；图4为TA15钛合金筒坯成形前的微观组织图；图5为TA15钛合金筒坯成形后的微观组织图；图6为TA15钛合金筒坯成形前后在室温下的应力应变曲线图；图7为TA15钛合金筒坯成形前后在500℃下的应力应变曲线图；图8为TA15钛合金筒坯成形后热处理应力松弛曲线图；图9为钛合金异形截面薄壁件结构示意图之一；图10为钛合金异形截面薄壁件结构示意图之二。附图标记说明：1-筒坯，2-下模，3-上模，4-右冲头，5-左冲头，6-感应加热线圈，7-加热元件，8-进气孔，9-排气孔，10-感应发热器，11-钛合金薄壁件。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，对该具体实施方式中涉及到方位作简要说明：下述在提到每个结构件的“顶端”、“底端”这些位置关系仅是为了便于描述和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。结合图9-10所示，现有的钛合金异形截面薄壁件，具有空间曲面形状复杂、截面形状尺寸变化剧烈等几何特征，此类构件制造难度在于：1)形状复杂，对材料成形性能要求高，由于钛合金热成形组织性能演变复杂，工艺参数不合理极易导致局部减薄、破裂等缺陷；2)构件组织性能调控难度大，现有成形工艺主要从保证成形精度角度出发，若调控组织性能，需进行成形后热处理，然而热处理过程易导致形状畸变，难以满足高精度要求。且钛合金异形截面薄壁构件若采用分块成形-焊接-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钛合金薄壁件热处理与气压成形一体化方法，其特征在于，包括步骤：/nS1、装模：将模具加热至成形后热处理温度T2，然后将筒坯(1)放入所述模具中，通过密封冲头将所述模具闭合，以使所述密封冲头和所述筒坯(1)之间形成密闭空腔；/nS2、筒坯加热：将所述筒坯(1)加热到预先热处理温度T1并保持第一时长t1；/nS3、进气补料成形：停止对所述筒坯(1)的加热，并向所述密闭空腔内注入高压气体，使所述筒坯(1)在高压气体的作用下发生快速胀形而贴合到所述模具的型腔，得到热态气压成形后管件；/nS4、应力松弛及成形后热处理：将所述密闭空腔内的压力提高至应力松弛压力P3并保持第二时长t2；/nS5、开模取件：停止对所述模具加热，打开排气口，并对所述热态气压成形后管件进行气冷，最后开模取件，得到钛合金薄壁件(11)。/n

【技术特征摘要】
1.一种钛合金薄壁件热处理与气压成形一体化方法，其特征在于，包括步骤：
S1、装模：将模具加热至成形后热处理温度T2，然后将筒坯(1)放入所述模具中，通过密封冲头将所述模具闭合，以使所述密封冲头和所述筒坯(1)之间形成密闭空腔；
S2、筒坯加热：将所述筒坯(1)加热到预先热处理温度T1并保持第一时长t1；
S3、进气补料成形：停止对所述筒坯(1)的加热，并向所述密闭空腔内注入高压气体，使所述筒坯(1)在高压气体的作用下发生快速胀形而贴合到所述模具的型腔，得到热态气压成形后管件；
S4、应力松弛及成形后热处理：将所述密闭空腔内的压力提高至应力松弛压力P3并保持第二时长t2；
S5、开模取件：停止对所述模具加热，打开排气口，并对所述热态气压成形后管件进行气冷，最后开模取件，得到钛合金薄壁件(11)。


2.根据权利要求1所述的钛合金薄壁件热处理与气压成形一体化方法，其特征在于，步骤S1中，所述将模具加热，包括步骤：
将嵌设在所述模具内的加热元件(7)通电，对所述模具进行加热。


3.根据权利要求1所述的钛合金薄壁件热处理与气压成形一体化方法，其特征在于，步骤S1中，所述将筒坯(1)放入所述模具中，通过密封冲头将所述模具闭合，包括步骤：
将所述筒坯(1)放入由上模(3)和下模(2)组成的所述模具的型腔内，合模并施加合模力，通过左冲头(5)和右冲头(4)对所述筒坯(1)的端部实行密封；
其中所述左冲头(5)上设置有感应加热线圈(6)，在装模完成后，所述感应加热线圈(6)位于筒坯(1)内部。


4.根据权利要求3所述的钛合金薄壁件热处理与气压成形一体化方法，其特征在于，步骤S3中，所述向密闭空腔内注入高压气体，使所述筒坯(1)在高压气体的作用下发生快速胀形而贴合到所述模具的型腔，包括步骤：<...

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