專利名稱：鈦及鈦合金制品包覆成型制造方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬材料熱加工工藝，特別是一種鈦及鈦合金制品包覆成型制造方法。
背景技術：
鈦及鈦合金由于具有密度小、比強度高、耐熱性能好、耐蝕性能優良等特點，所以在航空、航天、航海、石油、化工、電力、醫療、體育等領域獲得了廣泛的應用。但是，鈦及鈦合金與其它金屬及其合金相比，其熱加工特性有眾多不同，主要特點有 (1)變形抗力高；
(2)冷作硬化傾向明顯；
(3)成型溫度范圍窄；
(4)容易吸收有害氣體；
(5)容易粘在|旲具上；
(6)易形成α硬脆層。鈦及鈦合金以上的熱加工特點中，特點(I) 一般采用噸位較大設備和加強毛坯的防護潤滑和模具潤滑進行克服；特點(4)、(5),(6) 一般采用保護氣氛加熱爐進行加熱或在毛坯表面涂覆保護涂層可以得到解決，但特點(2)和(3)則必須嚴格控制開始和終了成型溫度。鈦合金通常在兩相區進行成型，成型溫度范圍窄(約為碳鋼的1/3)。針對此特點，需要增加成型火次，并要求鍛工操作熟練、反應靈敏，做到從毛坯出爐、傳送、成型的每個環節都要迅速、準確，盡量爭取成型時間；所有操作工具和模具都要嚴格按照規定進行預熱，盡量在較窄的成型溫度范圍內，爭取較長的成型時間；此外，采用玻璃防護潤滑劑也能起到毛坯和模具之間的隔熱作用。鈦及鈦合金制品熱成型過程按溫度傳導可劃分為3個階段
(I)坯料轉移過程指坯料從出爐到坯料放置在下模上，該過程中坯料僅與周圍空氣進行熱傳導。(2)上下模閉模過程指上模向下模運動直至接觸到坯料，該過程坯料不但與周圍空氣進行熱傳導而且還與下模存有熱傳導。(3)成型過程該過程為坯料在上下模作用下的成型過程，該過程中坯料不但與空氣、上下模具進行熱傳導，本身還有變形發生，是變形-傳熱耦合過程。對于厚度較厚、變形量較小的鈦及鈦合金制品，傳統普通的鍛造、沖壓等熱成型工藝可以基本滿足成型需要，但對于厚度較薄、變形量較大的鈦及鈦合金制品傳統工藝方法則基本不能滿足熱成型需要。鈦及鈦合金薄壁制品單位體積的散熱面積大，在坯料出爐后的轉移過程中，坯料表面溫度和心部溫度將大大降低；在閉模過程和成型過程中，坯料與模具的熱傳導速度遠遠大于坯料與空氣的熱傳導速度，坯料與模具接觸的區域溫度會進一步大大降低。這些最終可能會導致實際成型溫度低于合金最低終了成型溫度，成型后制品的表面會出現大量裂紋、褶皺等缺陷，導致制品報廢。在傳熱總時間無法有效縮短的情況下，對于變形量較大且制品厚度相對較厚的鈦及鈦合金制品，傳統普通熱成型工藝通常采用如下措施予以處理
(I)進一步增加坯料投料厚度、放大加工余量進行熱成型以主要減少坯料溫降，而坯料產生的大部分裂紋也主要出現在增厚部分，該部分后續機加工掉，這導致成產成本大大提高，生產效率低下，制品合格率低。(2)增加成型火次以主要解決制品大變形量的問題。火次增加導致生產成本大大提高，生產效率低下，制品合格率低；同時，制品性能也會因火次的增加而降低。對于變形量較大且制品厚度δ < 5mm的鈦及鈦合金制品，由于鈦及鈦合金機加工變形問題，則基本無法有效增加坯料厚度，坯料變形開始時的溫度即很可能低于合金最低 終了成型溫度，熱成型后的制品更容易產生裂紋且產生的裂紋很容易貫穿整個制品厚度，致使制品報廢。所以，傳統普通熱成型方法基本無法實現該類制品的熱成型。因此，急需要一種新的鈦及鈦合金成型工藝方法。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種鈦及鈦合金制品包覆成型制造方法，解決厚度相對較薄、變形量較大的鈦及鈦合金半球殼、封頭等制品熱加工成型問題；對于厚度δ > 5mm厚度鈦及鈦合金制品，采用包覆成型以提高鈦及鈦合金制品材料利用率、制品合格率，減少熱成型火次從而提高成型效率，使成本降低、生產效率提高；對于對于厚度δ ( 5mm鈦及鈦合金半球殼、封頭，采用包覆成型以實現普通成型方法無法實現的良好效果O為了實現解決上述技術問題的目的，本發明采用了如下技術方案
本發明的鈦及鈦合金制品包覆成型制造方法，生產過程中所需設備包括電爐、壓力成型機、紅外測溫儀，過程具體由以下步驟組成
(1)包覆層設計
A、包覆材料選擇根據鈦及鈦合金力學性能，選用鋼或者純鈦等進行包覆；
B、包覆層厚度選擇根據鈦及鈦合金制品厚度選擇包覆層厚度，選擇在5±2_；
C、包覆層方式選擇在坯料板材厚度方向的兩個面進行雙層包覆，除厚度尺寸外，包覆板其余尺寸基本同坯料板材，以最大程度包覆坯料；
(2)成型前準備
A、坯料檢驗板坯料表面首先要著色檢驗，以防止板坯料本身裂紋帶入球殼毛坯；
B、防氧化和潤滑包覆層和板坯料涂覆潤滑劑，以保護鈦合金坯料不受氧化和增大成型過程中坯料和包覆層之間、包覆層與模具之間的潤滑；
C、包覆層與坯料的連接將包覆層和坯料進行點焊或者其它方式連接，以保證后續加熱過程中或者成型過程中包覆層不脫落坯料；
(3)加熱
A、采用電爐加熱，防止有害氣氛對鈦合金性能的破壞；爐內需墊放不銹鋼板，以避免爐內爐渣等對鈦合金表面的污染；
B、加熱溫度為相變點以下50±30°C，保溫時間沿厚度方向按1±0.2min/mm計算；C、成形前模具預熱至200±50°C，以避免模具與包覆層溫差過大，造成包覆層局部激
冷；
(4)成型
A、加熱好的包覆坯料迅速轉移到壓力成型機上進行成型，坯料轉移時間20±10s；
B、成型火次采用f2火次(鈦合金2火次、純鈦I火次)進行成型；
C、成形過程采用紅外測溫儀對坯料表面測溫，以保證成形時坯料溫度不低于相變點以下溫度200±50°C。具體的，所述的潤滑劑為防護玻璃潤滑劑。本發明的鈦及鈦合金包覆成型工藝是一種用金屬材料板材來包覆鈦及鈦合金制品坯料，進而進行熱成型的工藝方法。湖南大學陶友瑞對的薄壁鋁合金的包覆拉伸進行了相應的研究，其方法主要是用上下2層Φ400Χ2πιπι的鐵板、不銹鋼板或者鋁板來包覆一層(j5 400X0.8 lmn^3FVS0812鋁板進行拉伸成型。但鈦及鈦合金的包覆成型的特點與此并不完全相同。主要有
(I)相比鋁合金，鈦及鈦合金價格昂貴，塑性較差，生產工藝復雜，其熱成型一般都是多火次成型，表面易產生裂紋、褶皺、錯層等缺陷，造成材料利用率低，成本高。對厚度40^ δ >10大直徑鈦及鈦合金半球殼、封頭類制品采用包覆成型，可以明顯降低材料減薄率、提高材料利用率，減少成型火次、提高生產效率，明顯降低生產成本。由于半球殼、封頭類制品最易出現裂紋的部位出現在變形量較大的外球面，所以，如果半球殼、封頭類制品坯料厚度較厚，包覆層可以采用外球面的單層包覆；如果半球殼、封頭類制品坯料厚度較薄，包覆層可以采用內外雙層包覆。此時，包覆層厚度小于坯料厚度，包覆層厚度在5_左右。(2)由于鈦及鈦合金變形溫度范圍窄等特點，δ ( 5mm以下的鈦及鈦合金薄壁的半球殼、封頭類制品熱成型，普通成型工藝很難勝任，必須采用包覆成型。此時包覆層必須是雙層包覆，且包覆層厚度應不小于坯料厚度。與普通成型工藝方法相比，包覆成型工藝方法具有以下特點
(I)保溫。由于具有包覆層的保護，成型坯料不與空氣、模具等溫度較低介質直接接觸，從而在坯料轉移以及成型過程中可以大幅度減少坯料溫降，尤其是減少坯料表面溫降，這樣實際上就提高了坯料的實際成型溫度，使坯料塑性提高，可以有效防止裂紋產生。該特點可以使熱成型起到近似等溫鍛造成型的作用，從而可以降低坯料減薄率，提高材料利用率，提聞廣品合格率。(2)協調變形。包覆層與模具直接接觸，二者接觸面變形量最大，摩擦力最大，但模具本身不變形，所以接觸面所有變形均由包覆層獨立完成，此部位極易產生裂紋。由于包覆層與模具接觸和包覆層與坯料接觸條件不一致，所以包覆層與坯料之間會產生相對滑動，從而起到協調變形的作用，從而降低坯料產生裂紋的可能性，另外，這也有利于坯料減薄率的降低。(3)防止裂紋產生和阻礙裂紋擴展。與模具接觸部位，由于模具不變形且溫度較低，會造成坯料表面溫度驟冷，所以該部位極易產生裂紋。普通成型時，坯料與模具直接接觸，所以接觸面極易產生裂紋；但包覆成型是包覆層與模具接觸，故即使產生裂紋也是從包覆層開始，而坯料本身并不產生裂紋，相當于將裂紋的產生由坯料轉嫁給包覆層。如果裂紋在包覆層產生后并擴展，則裂紋很有可能穿透整個包覆層，但由于包覆層和坯料并非一個整體，所以，裂紋穿透整個包覆層后并不會繼續擴展至坯料本身，包覆層與坯料中間的空氣或潤滑劑會起到阻礙裂紋擴展的作用。相反，如果沒有包覆層，坯料本身如果產生裂紋則會在強大的拉應力下迅速擴展，造成裂紋很深，甚至穿透坯料，造成坯料報廢。(4)性能提高。與普通成型工藝方法相比，在變形量相同的情況下，減少熱成型火次可減少鈦及鈦合金制品在爐中高溫區的停留時間，可以細化鈦合金材料晶粒組織或避免鈦合金材料晶粒組織由于高溫停留時間過長而長大，從而使鈦及鈦合金制品的強度、塑性等性能指標得到提聞。通過采用上述技術方案，本發明具有以下的有益效果
采用本發明所述的鈦及鈦合金制品包覆成型制造工藝方法制造的半球殼在較低的制造成本下滿足了各項技術指標的要求。 首先，成型火次由以前2 3火次減少到f 2火次，使生產效率提高，生產成本降低。其次，由于與模具接觸部位的包覆層變形量較大，而鈦及鈦合金制品坯料變形量相對較小，加之二者的協調變形作用，所以材料減薄率降低，材料利用率提升，使生產成本進一步降低。最后，對于δ =5mm左右的薄壁欽及欽合金制品,可大幅提聞制品制造合格率。生產實踐表明，此項工藝是非常成功的，相比普通成型工藝方法，成型火次的減少使生產效率提高33 50% ;成型火次的減少、材料利用率和制品合格率的提高使成產成本降低50%以上。
圖I是鈦合金半球殼不意圖。圖2是鈦合金包覆(沖壓)成型模具等零部件組成示意圖。圖3是包覆好坯料示意圖。圖4是鈦合金包覆(沖壓)成型過程第I火沖壓后示意圖。圖5是鈦合金包覆(沖壓)成型過程第2火沖壓后示意圖。圖6是鈦合金包覆(沖壓)成型后零件示意圖。圖中，I為上模(即沖頭),2為壓邊圈，3為包覆層,4為還料,5為下模。
具體實施例方式下面結合附圖對本專利進一步解釋說明。但本專利的保護范圍不限于具體的實施方式。本發明已應用于Φ 550 X 24規格的TC4鈦合金半球殼的制造，方案如下
(I)包覆層設計
A.包覆板材料純鈦板。B.包覆層厚度δ =5mm。C.包覆位置及數量 料厚度方向兩個面進行2層包覆。(2)成型前準備
A.成型坯料和包覆板表面涂覆防護玻璃潤滑劑。
B.坯料和包覆板邊部點焊連接。(3)加熱
A.加熱設備電爐加熱。B.模具加熱溫度200°C。C.坯料加熱溫度950°C，保溫時間25min。(4)成型
A.成型火次2火次。B.過程中采用紅外測溫儀進行工件表面測溫，確保工件溫度> SOO0C。采用此種方法成功制造出滿足技術性能指標要求的半球殼毛坯，與普通沖壓成型方法對比如表I所示。由表I可見，包覆沖壓成型與普通沖壓成型對比，其生產成本降低50%以上，生產效率提高60%以上。表I TC4合金半球殼成型結果對比
權利要求
1.一種鈦及鈦合金制品包覆成型制造方法，其特征是生產過程中所需設備包括電爐、壓力成型機、紅外測溫儀，過程具體由以下步驟組成 (1)包覆層設計 A、包覆材料選擇根據鈦及鈦合金力學性能，選用鋼或者純鈦等進行包覆；B、包覆層厚度選擇根據鈦及鈦合金制品厚度選擇包覆層厚度，選擇在5±2_； C、包覆層方式選擇在坯料板材厚度方向的兩個面進行雙層包覆，除厚度尺寸外，包覆板其余尺寸基本同坯料板材，以最大程度包覆坯料； (2)成型前準備 A、坯料檢驗板坯料表面首先要著色檢驗，以防止板坯料本身裂紋帶入球殼毛坯； B、防氧化和潤滑包覆層和板坯料涂覆潤滑劑，以保護鈦合金坯料不受氧化和增大成型過程中坯料和包覆層之間、包覆層與模具之間的潤滑； C、包覆層與坯料的連接將包覆層和坯料進行點焊或者其它方式連接，以保證后續加熱過程中或者成型過程中包覆層不脫落坯料； (3)加熱 A、采用電爐加熱，防止有害氣氛對鈦合金性能的破壞；爐內需墊放不銹鋼板，以避免爐內爐渣等對鈦合金表面的污染；B、加熱溫度為相變點以下50±30°C，保溫時間沿厚度方向按1±0.2min/mm計算； C、成形前模具預熱至200±50°C，以避免模具與包覆層溫差過大，造成包覆層局部激冷； (4)成型A、加熱好的包覆坯料迅速轉移到壓力成型機上進行成型，坯料轉移時間20±10s； B、成型火次采用f2火次(鈦合金2火次、純鈦I火次)進行成型； C、成形過程采用紅外測溫儀對坯料表面測溫，以保證成形時坯料溫度不低于相變點以下溫度200±50°C。
2.根據權利要求I所述鈦及鈦合金制品包覆成型制造方法，其特征是所述的潤滑劑為防護玻璃潤滑劑。
全文摘要
本發明介紹了一種鈦及鈦合金制品包覆成型制造方法，生產過程中所需設備包括式電爐、成型機、紅外測溫儀，選用鋼或者純鈦進行包覆；選擇單層或雙層包覆；成型前進行坯料檢驗、防氧化和潤滑、加熱、成型前模具預熱至200℃左右；加熱好的包覆坯料迅速轉移到壓力機上進行成型，采用1~2火次進行成型；成形過程采用紅外測溫儀對坯料表面測溫，以保證成形時坯料溫度始終保持在鈦合金熱成形溫度范圍內，最后得到鈦及鈦合金成型制品。本發明制造的半球殼在較低的制造成本下滿足了各項技術指標的要求；成型火次由以前2~3火次減少到1~2火次，使生產效率提高，生產成本降低；材料減薄率降低，材料利用率提升。
文檔編號B32B15/01GK102963100SQ201210462918
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月16日 優先權日2012年11月16日
發明者呂逸帆, 孫建剛, 楊瑞 申請人:中國船舶重工集團公司第七二五研究所