一种钛合金薄壁无缝内衬直筒段超塑成形壁厚均匀性控制方法技术

本发明专利技术公开一种钛合金薄壁无缝内衬直筒段超塑成形壁厚均匀性控制方法，属于塑性加工技术领域。该方法采用变壁厚的小口径内衬旋压件进行超塑胀形，首先在内衬旋压件直筒段上加工减薄区，将原始等厚直筒段加工成环向相等，轴向梯度分布的变壁厚管材，然后进行超塑胀形。该方法通过特殊的壁厚梯度设计，可以实现对胀形后钛合金内衬直筒段壁厚分布的调整，得到直筒段厚度均匀分布的大口径内衬毛坯，满足后续机械加工减薄壁厚公差要求，同时还对内衬毛坯降温采取了控制措施，保证了成形后钛合金内衬的尺寸稳定性。该方法适合用于采用旋压/超塑集成成形的各种直径钛合金薄壁无缝内衬。

【技术实现步骤摘要】
一种钛合金薄壁无缝内衬直筒段超塑成形壁厚均匀性控制方法
本专利技术属于超塑成形
，具体涉及一种新型钛合金薄壁无缝内衬制备方法。
技术介绍
作为运载火箭、战略/战术导弹及深空探测器等航天型号增压输送系统关键部件，复合材料气瓶用的钛合金内衬通常采用“锻造+焊接”方式，但随着航天型号的发展，在可靠性、减重及先进性等方面无法满足需求，因此迫切需要一种新型工艺来实现钛合金内衬连续一体化成形替代当前工艺路线。钛合金内衬精密旋压/超塑成形集成技术是采用小规格管材为原材料，两端进行收口旋压成形无焊缝内衬毛坯，而后采用超塑胀形为大尺寸无焊缝内衬。该技术具有以下工艺特点：1)相对于“锻造+焊接”工艺，可减少焊接工序，整体成形保证了构件的高可靠性；2)相对于单一收口旋压工艺，可降低成形难度、消除无焊缝内衬封头内表面质量缺陷。但由于在超塑成形过程中，柱形内衬直筒段不同位置与超塑模具的接触存在先后顺序，先接触的位置壁厚略厚、而后接触的位置壁厚略薄，从而造成内衬直筒段壁厚分布的不均匀，且由于无焊缝内衬内表面无法进行机械加工，易造成壁厚超差、无法满足精度要求,因此需要对内衬直筒段超塑成形壁厚均匀性进行控制。目前来看，在国内外航天器的压力容器领域，壁厚控制技术在钛合金热成形工艺上应用十分广泛。荷兰EADS-CASA公司采用超塑成形技术制造了钛合金排气喷管，板材材料为Ti-6242，通过壁厚控制技术保证了构件壁厚的均匀性。日本学者Jinishi和Suzuki在2002年10月提出了的拼焊板控制厚度分布的超塑成形方法，即采用不同厚度的板材用等离子弧焊接拼焊在一起，在减薄大的部位用较厚的板材，可使成形件的壁厚分布更加均匀。国内来看，航天703所采用热压反胀拉薄技术实现钛合金半球壳体的控壁厚超塑胀形，并成功应用与探月工程贮箱的研制；625所也采用超塑成形制造了各种尺寸的钛合金贮箱，并通过正反胀形来控制壁厚，已经在国内某卫星型号上得到了应用。此外，703所采用变厚板胀形技术实现了钛合金环形壳体的控壁厚超塑成形，已经在XX-11A导弹的环形气瓶上得到了批量应用。但目前尚未见采用变壁厚筒形件胀形技术进行钛合金无缝柱形内衬的超塑成形，并获得工程应用的相关报道。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种钛合金薄壁无缝内衬直筒段超塑成形壁厚均匀性控制方法。本专利技术的解决方案：一种新型钛合金薄壁无缝内衬直筒段超塑成形壁厚均匀性制备方法，所述内衬包括管嘴、封头和直筒段；包括如下步骤：(1)根据内衬产品结构特点设计呈对称分布的上下模具，上下模具闭合后内型面的尺寸大于内衬构件外轮廓2-3mm；(2)将壁厚T0的钛合金管材坯料两端进行收口旋压，旋压完成后，两端管嘴的中心位置打孔并对R角内表面进行打磨，得到小口径内衬旋压件；(3)设计内衬旋压件直筒段减薄区，所述的减薄区环向等壁厚且沿轴向阶梯式分布，即从直筒段两端开始到中心处对称设置台阶，每个台阶为环向等壁厚设置且长度L为由于超塑成形过程壁厚变化为公差Δδ的直筒段距离，直筒段两端的台阶的原始厚度为T0，其余台阶的原始厚度Ti＝2(δmin+Δδ/2)/(λi+λi+1)；其中，台阶编号为直筒段两端向中心均从0开始逐一递增，λi、λi+1为台阶i两端点对应的超塑成形后直筒段壁厚与原始壁厚之比，i＝1、2......；Δδ为最终构件要求的壁厚公差；δmin为等厚直筒段胀形后壁厚的最小值；(4)按照步骤(3)中设计的减薄区对内衬旋压件直筒段进行加工，之后进行进气管路焊接；(5)利用步骤(1)中设计的上下模具进行超塑成形，得到内衬毛坯；(6)将内衬毛坯转移至保温箱，待其冷却到室温；(7)按照产品图纸要求，对内衬毛坯的直线段和两端封头进行车加工减薄，并打螺纹孔，得到最终的薄壁无缝内衬。优选的，所述的坯料为超塑管，显微组织为基本等轴的α+β两相组织，但允许有总量不超过15％的长条α晶粒，其横向平均晶粒尺寸≤12μm；内径为待成形内衬构件内径50％～60％；旋压温度850～920℃。优选的，所述的超塑管优选为TC4钛合金。优选的，钛合金管材坯料的壁厚T0为5-8mm。优选的，等厚直筒段胀形后壁厚的最小值δmin通过下述方式确定：根据钛合金管材坯料的原始厚度，按照等壁厚直筒段小口径旋压件超塑成形数值仿真结果绘制等厚直筒段单向胀形壁厚分布规律曲线；根据该曲线确定壁厚的最小值δmin。优选的，步骤(4)中对直筒段进行加工，加工后使用超声测厚设备对每个台阶的壁厚进行检测，每个台阶的壁厚精度应控制在±0.05mm。优选的，超塑成形通过下述方式实现：步骤a、在超塑成形模具的型面上均匀涂覆止焊剂，要求覆盖模具本色，然后将步骤(1)中的上下模具放入超塑设备中，开始升温，升温速率不超过40℃/h，当模具平均温度达到装料温度时，保温；所述的装料温度范围700～800℃；步骤b、打开炉门，抬起上模具，将步骤(4)处理后的内衬放入下模具的指定位置，然后合模，关闭炉门；步骤c、以原有速率继续升温，观察模具热电偶的温度指示，当模具平均温度到达超塑成形温度880～920℃后，停止加热，开始保温；步骤d、控制超塑设备使上平台压住上模具，采用双向进气方式进行升压，总时间为t1，压力先升至p2，然后线性升至p1，在p1压力下的保压时间为t2，最后降压时间为t3；其中时间t1＞t2＞t3，压力p1＞p2；步骤e、卸载上平台对模具的机械压力，并停止设备保温，使模具随炉降温，直至到达800℃以下；步骤f、脱模，得到内衬毛坯。优选的，脱模过程中采用氩气吹拂冷却工件的手段，降低脱模力。优选的，p1取值范围10-12bar，p2最低取值为40％p1。优选的，步骤(6)中将内衬毛坯转移至保温箱，待其冷却到室温，冷却时间应控制在4～5h。本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：为了结构减重和保证疲劳性能，复合材料气瓶用钛合金内衬壁厚薄和公差要求严，而常规超塑成形壁厚不可控，且由于无焊缝内衬内表面无法进行机械加工，易造成壁厚超差、无法满足设计精度要求。国内现有超塑控壁厚技术一般通过正反胀形、动凸模等特殊方法，会大幅增加热成形时间和模具成本，影响产品最终机械性能和制造效率。同时上述控壁厚方法主要是依靠板坯与模具之间的摩擦来保证最终控壁厚的精度，而高温状态下摩擦力很难控制，并且随着模具使用时间的增加，摩擦系数会发生变化，因而导致控制精度不稳定。为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种钛合金薄壁无缝内衬直筒段超塑成形壁厚均匀控制技术，此方法可以利用同样的模具，仅通过改变直筒段壁厚特征，来实现对超塑成形后内衬直筒段壁厚较为精确的控制。(1)本专利技术模具结构简单，且可以利用一件模具，只需通过改变壁厚梯度结构，来成形出具有直筒段壁厚均匀分布的钛合金无缝内衬产品，工艺方法更为灵活，技术柔性较大，有效降低模具成本。(2)本专利技术由于不再依靠模具与板坯之间的摩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型钛合金薄壁无缝内衬直筒段超塑成形壁厚均匀性制备方法，所述内衬包括管嘴、封头和直筒段；其特征在于包括如下步骤：/n(1)根据内衬产品结构特点设计呈对称分布的上下模具，上下模具闭合后内型面的尺寸大于内衬构件外轮廓2-3mm；/n(2)将壁厚T

【技术特征摘要】
1.一种新型钛合金薄壁无缝内衬直筒段超塑成形壁厚均匀性制备方法，所述内衬包括管嘴、封头和直筒段；其特征在于包括如下步骤：
(1)根据内衬产品结构特点设计呈对称分布的上下模具，上下模具闭合后内型面的尺寸大于内衬构件外轮廓2-3mm；
(2)将壁厚T0的钛合金管材坯料两端进行收口旋压，旋压完成后，两端管嘴的中心位置打孔并对R角内表面进行打磨，得到小口径内衬旋压件；
(3)设计内衬旋压件直筒段减薄区，所述的减薄区环向等壁厚且沿轴向阶梯式分布，即从直筒段两端开始到中心处对称设置台阶，每个台阶为环向等壁厚设置且长度L为由于超塑成形过程壁厚变化为公差Δδ的直筒段距离，直筒段两端的台阶的原始厚度为T0，其余台阶的原始厚度Ti＝2(δmin+Δδ/2)/(λi+λi+1)；其中，台阶编号为直筒段两端向中心均从0开始逐一递增，λi、λi+1为台阶i两端点对应的超塑成形后直筒段壁厚与原始壁厚之比，i＝1、2......；Δδ为最终构件要求的壁厚公差；δmin为等厚直筒段胀形后壁厚的最小值；
(4)按照步骤(3)中设计的减薄区对内衬旋压件直筒段进行加工，之后进行进气管路焊接；
(5)利用步骤(1)中设计的上下模具进行超塑成形，得到内衬毛坯；
(6)将内衬毛坯转移至保温箱，待其冷却到室温；
(7)按照产品图纸要求，对内衬毛坯的直线段和两端封头进行车加工减薄，并打螺纹孔，得到最终的薄壁无缝内衬。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的坯料为超塑管，显微组织为基本等轴的α+β两相组织，但允许有总量不超过15％的长条α晶粒，其横向平均晶粒尺寸≤12μm；内径为待成形内衬构件内径50％～60％；旋压温度850～920℃。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的超塑管优选为TC4钛合金。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：钛合金管材坯料的壁厚T0为5-8mm。


5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈正章，赵磊，微石，陆子川，常若寒，黄啸辰，姚草根，
申请(专利权)人：航天材料及工艺研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11