一種薄壁鈦合金復(fù)雜變截面管材的成形方法及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種薄壁鈦合金復(fù)雜變截面管材的成形方法及應(yīng)用，屬于材料加工技 術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 鈦合金管材因其比強(qiáng)度高、耐磨損、耐腐蝕而廣泛應(yīng)用于航空、機(jī)械化工等領(lǐng)域。 [0003] 隨著各行業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品形式日趨多樣化，薄壁異形變截面鈦合金管材市場(chǎng)需求 日趨增加。由于鈦合金室溫塑性較差、成形后回彈嚴(yán)重，傳統(tǒng)管材成形方法（如RBE法、排 輥式成型法、W反向彎曲法等）均難以在鈦合金管材成形中應(yīng)用，因此市場(chǎng)上所銷售的鈦合 金管材絕大多數(shù)為擠壓或拉拔制備的等徑管。目前，制作鈦合金變徑管的方法主要有鈑金 拉深對(duì)焊工藝、圓管擴(kuò)口工藝與超塑氣脹工藝。
[0004] 鈑金拉深對(duì)焊工藝是將變徑管沿中心線分割，對(duì)分割后兩部分分別拉深，經(jīng)激光 焊或氬弧焊將兩個(gè)U形件焊合。該方法對(duì)焊接工藝與工裝要求極高，易發(fā)生錯(cuò)位或焊接變 形，成品率不高；拉深工序工藝端不可避免，增加成本；拉深工序板材為不均勻減薄，最終 管材壁厚均勻性差；焊縫明顯可見(jiàn)，焊縫組織性能低于母材；不適用于大批量生產(chǎn)。
[0005] 圓管擴(kuò)口工藝是將市面所銷售的鈦合金圓管通過(guò)模具擠壓而形成變截面異形管 材的方法，但對(duì)于復(fù)雜形狀異型管材難以一次成形，且壁厚分布極不均勻。
[0006] 超塑氣脹工藝是利用鈦合金超塑性而提出的一種異形鈦管成形的方法。將管材兩 端密封，加熱至900°C以上工藝溫度，通過(guò)氬氣加壓使管材變形。該方法獲得的異形管質(zhì)量 很好，但成形速率極慢，不適用于大批量生產(chǎn)。此外，超塑氣脹所得管材壁厚分布不均勻，在 變形量較大位置減薄嚴(yán)重，易在大變形區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中而影響管材使用壽命。因此，難以 適用于對(duì)壁厚均勻性要求高的產(chǎn)品制造。
[0007] 隨著航空航天產(chǎn)品對(duì)飛行速度的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)鎂鋁合金零件在高速摩擦產(chǎn) 生的高溫下極易氧化或失穩(wěn)，而鈦合金具有高熔點(diǎn)、耐磨損、高比強(qiáng)度等優(yōu)異性能，更適合 作為高速率飛行器零部件制造的材料。在飛行器內(nèi)部分布著大量用于連接熱交換器、燃料 室、汽輪機(jī)等部件的鈦合金管線，為節(jié)約飛行器內(nèi)部空間，各連接管線通常根據(jù)相鄰零部 件位置而設(shè)計(jì)成為復(fù)雜的變截面異形管材。附圖1所示的管路連接用TC4鈦合金產(chǎn)品作 為典型樣件，該產(chǎn)品兩端管徑差距極大，小徑端外徑尺寸約34X20mm，大徑端外徑尺寸約 48X48mm，尺寸相差近一倍，整體形狀近似于變截面的橢圓形管，管徑從小徑端均勻增加， 在距大徑端口約IOOmm位置管徑發(fā)生突變，大徑端豁口用于與其他零部件配合。但是這種 產(chǎn)品對(duì)于管材焊縫處要求極高，焊縫強(qiáng)度應(yīng)與母材相當(dāng)，且焊縫需細(xì)小或不可見(jiàn)。目前，對(duì) 于這類管件的成形方法主要是通過(guò)鈑金拉深、激光對(duì)焊工藝或超塑成形工藝，但由于工序 控制繁瑣、成形質(zhì)量不穩(wěn)定、壁厚分布不均勻、成本控制困難、加工效率不高等因素限制，難 以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種薄壁鈦合金復(fù)雜變截面管材的成形方 法，采用的技術(shù)方案如下：
[0009] 本發(fā)明的目的在于提供一種薄壁鈦合金復(fù)雜變截面管材的成形方法，該方法是 按照變截面異形管材展開的尺寸切割鈦合金板材，獲得異形鈦板，將異形鈦板、凹模、上模 安放在擴(kuò)散連接設(shè)備中，加熱后將芯模完全壓入凹模，進(jìn)給左右模具，將板材閉合成異形管 材，下壓上工作平臺(tái)，加熱至擴(kuò)散焊工藝溫度后進(jìn)行接頭擴(kuò)散焊接，降溫，取件獲得薄壁鈦 合金復(fù)雜變截面管材。
[0010] 所述方法，步驟如下：
[0011] 1)按照變截面異形管材的展開尺寸切割鈦合金板材，獲得異形鈦板；
[0012] 2)在凹模、芯模、上模、左右模與管材接觸的部位噴涂阻焊劑；
[0013] 3)將異形鈦板、凹模和上模安放在擴(kuò)散連接設(shè)備中；
[0014] 4)加熱至工藝溫度，通過(guò)控制芯模加載速率使板材成形，直至芯模帶動(dòng)異形鈦板 完全壓入凹模；
[0015] 5)進(jìn)給左右模具，將板材閉合成異形管材；
[0016] 6)下壓上工作平臺(tái)，并加熱至擴(kuò)散焊工藝溫度，保溫后進(jìn)行接頭擴(kuò)散焊接；
[0017] 7)按照既定退火工藝降溫，取件獲得薄壁鈦合金復(fù)雜變截面管材。
[0018] 優(yōu)選地，步驟1)所述鈦合金板材，厚度為0. 2mm-0. 5mm，鈦合金牌號(hào)為TC4、TA15或 Ti55〇
[0019] 優(yōu)選地，步驟2)所述凹模，具有復(fù)雜變截面管材外側(cè)形狀相同的型腔；所述芯模， 與復(fù)雜變截面管材內(nèi)側(cè)形狀相同；所述上模，與復(fù)雜變截面管材焊縫位置曲率相同；所述 左右模，具有與凹模合圍形成復(fù)雜變截面管材外側(cè)形狀相同的型腔。
[0020] 優(yōu)選地，步驟3)所述異形鈦板、凹模和上模，中心線對(duì)齊。
[0021] 優(yōu)選地，步驟4)所述加熱，溫度為200°C以下；所述芯模加載速率，為0. 2mm/ s-〇. 5mm/s〇
[0022] 優(yōu)選地，步驟6)所述擴(kuò)散焊工藝溫度，為900°C _970°C ;所述保溫，時(shí)間為 l〇-15min〇
[0023] 優(yōu)選地，步驟7)所述既定退火工藝，為爐冷至800°C _900°C保溫1-2小時(shí)，以不大 于50°C /h降溫速率爐冷至700-750°C以下，空冷至室溫。
[0024] 優(yōu)選地，所述方法具體步驟為：
[0025] 1)按照變截面異形管材的展開尺寸切割鈦合金板材，獲得異形鈦板；
[0026] 2)在凹模、芯模、上模、左右模與管材接觸的部位噴涂阻焊劑；所述凹模，與復(fù)雜 變截面管材外側(cè)形狀相同的型腔；所述芯模，為與復(fù)雜變截面管材內(nèi)側(cè)形狀相同的模具； 所述上模，為與復(fù)雜變截面管材焊縫位置曲率相同的模具；所述左右模，為與凹模合圍形成 復(fù)雜變截面管材外側(cè)形狀的模具。
[0027] 3)將異形鈦板、凹模和上模安放在擴(kuò)散連接設(shè)備中，并調(diào)節(jié)位置使三者中心線對(duì) 齊；
[0028] 4)加熱至200°C以下的工藝溫度，通過(guò)控制芯模加載速率0. 2mm/s-〇. 5mm/s使板 材成形，直至芯模完全壓入凹模；
[0029] 5)進(jìn)給左右模具，將板材閉合成異形管材；
[0030] 6)下壓上工作平臺(tái)，并加熱至擴(kuò)散焊工藝溫度900°C -970°c，保溫10-15min后進(jìn) 行接頭擴(kuò)散焊接；
[0031] 7)按照既定退火工藝降溫，取件獲得薄壁鈦合金復(fù)雜變截面管材；所述既定退火 工藝，為爐冷至800°C _900°C保溫1-2小時(shí)，以不大于50°C /h降溫速率爐冷至700-750°C 以下，空冷至室溫。
[0032] 以上所述任一方法在薄壁鈦合金復(fù)雜變截面管材成形工藝中的應(yīng)用。
[0033] 本發(fā)明有益效果：
[0034] 1.本發(fā)明提供了一種能夠快速成形高精度復(fù)雜變截面薄壁鈦合金管材的成形方 法，采用鈑金成形配合擴(kuò)散焊工藝，通過(guò)一次裝模完成兩個(gè)工藝步驟，同時(shí)將擴(kuò)散焊工序與 熱處理工序有機(jī)結(jié)合，一次熱循環(huán)即可獲得無(wú)殘余應(yīng)力、高尺寸精度、高焊縫強(qiáng)度及微細(xì)焊 縫的鈦合金變截面管材，為該產(chǎn)品大批量生產(chǎn)提供了切實(shí)可靠的工藝技術(shù)保證。
[0035] 2.本發(fā)明方法僅通過(guò)兩道工序、一次熱循環(huán)就可以獲得壁厚十分均勻、尺寸精度 很高、焊縫幾乎不可見(jiàn)的高質(zhì)量鈦合金變截面管材，可實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，是極具前瞻性的。
[0036] 3.本發(fā)明方法適用于大批量生產(chǎn)高尺寸精度、無(wú)焊縫、均勻壁厚的產(chǎn)品，解決了目 前市場(chǎng)該類產(chǎn)品短缺的現(xiàn)狀。
【附圖說(shuō)明】
[0037] 圖1為連接管產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。
[0038] 圖2為本發(fā)明下壓芯模；
[0039] 圖3為本發(fā)明左右模具合模；
[0040] 圖4為本發(fā)明上模合模；
[0041] (1，芯模；2,板材；3,定位銷；4,凹模；5,6左右模具；7,上模）。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明不受實(shí)施例的限制。
[0043] 實(shí)施例1 :
[0044] 本實(shí)施例提供了一種薄壁鈦合金復(fù)雜變截面管材超塑氣脹成形的方法，具體步驟 如下：
[0045] 1)在管材一端焊接帶有進(jìn)氣通道的封頭；
[0046] 2)在凹模、凸模與管材接觸的部位噴涂阻焊劑；并將帶有進(jìn)氣通道的管材放置在 凹模型腔中，合模；
[0047] 3)向模具及管材內(nèi)部通入高純氬氣，抽真空，反復(fù)3次，以排出模具及管材內(nèi)部氣 體；
[0048] 4)加熱至超塑成形工藝溫度（通常為950°C )，保溫1小時(shí)確保模具及管材溫 度均勻，通過(guò)進(jìn)氣通道向管材內(nèi)部緩慢通入高純氬氣，使管材變形過(guò)程中應(yīng)變速率控制在 5 X 10 Vs左右，成形時(shí)間約3小時(shí)，卸載氣壓，并以50°C /h速率降溫至200°C以下，空冷至 室溫；
[0049] 5)開啟模具，取出管材；
[0050] 6)采用線切割的方式將管材連接進(jìn)氣通道的工藝端切除，即獲得復(fù)雜變截面管 材。
[0051] 以下實(shí)施例2-3所用模具分型面由管材橫截面最大寬度尺寸所形成的分型面確 定，模具組成及各部分形狀結(jié)構(gòu)如下：凹模，具有與復(fù)雜變截面管材外表面下分型面形狀相 同的型腔，凹模最大開口尺寸與管材橫截面最大尺寸相吻合，在凹模型腔兩側(cè)分別開設(shè)一 定深度的倒梯形凹槽，凹槽貫通模具邊緣與凹模型腔；左右模，具有與復(fù)雜變截面管材外 表面上分型面形狀相同的型腔，左右模具型腔一側(cè)分別設(shè)置與凹模向配合的倒梯形凸起， 凸起與凹模凹槽相配合以起到左右模具進(jìn)給導(dǎo)向及位置限定的作用，左右模具上端開設(shè)斜 坡，優(yōu)選為25° ;芯模，與復(fù)雜變截面管材內(nèi)表面形狀相同，芯模一端截面尺寸大于另一端， 以便于成形結(jié)束后脫模；上模，與復(fù)雜變截面管