内加热金属管材高—中温超高水压一次成形技术、方法与设备技术

一种利用水在高温下所产生的巨大内高压，通过热传导（或压力传导），一次成形缩口管状金属部件的技术、方法和设备。设备由四部分组成，１．高温高压设备：高压容器（１）、内置式电热高温炉（２）、工作水（４）；２．温度（或压力）传导设备：高压金属管线（５）、高压阀（７）；３．成形设备：凹形金属模具（１２）、管材坯料（１１）、密封冲头（８）；４．控制设备。成形方法分两种：一是压力传导，直接利用高压容器中由高温水所产生的内高压，经由高压金属管线传导到管坯中，膨胀管壁；二是热传导，通过高压金属管线，将高压容器中高温工作水的高温传导到管材坯料水中，间接加热管坯中的水至高温，产生膨胀管壁所需的内高压。本发明专利技术可成形轴线为直线、曲线，以及变截面的缩口管状金属部件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种全新的缩口管状金属部件水压一次成形技术、方法与设备。具体的，就是利用水在高温下所产生的巨大的静压力这一技术及相关设备，进行缩口管状金属部件的一次成形。成形过程中所需内高压来源于高温水所产生的巨大静压力，成形介质为高温超高压水(超临界水)，金属坯料是在高温状态下成形。2.
技术介绍
目前通常所说的管材液压成形(内高压成形)是以液压泵(水泵或油泵)的机械压力为压力来源，低温流体(水或油)为成形介质，以管材作坯料，通过管材内部施加高压液体把管坯压入到模腔中使其成形为所需工件。具体地是将管材毛坯放入一液压成形组件的模腔中并用液压泵向毛坯内部提供高压流体，以使毛坯向外膨胀与限定模腔表面一致。此方法的缺点及局限①成本较高，需要一高性能液压泵；②工作压力相对较低，工作压力通常为0.3-0.5GPa；③升压较为困难，对于普通的液压泵，若要在工作压力范围的基础上再提升0.1GPa，常常较为困难；④所加工金属部件外表面容易产生扇形微裂隙，因为金属容器毛坯是在常温刚性状态下膨胀；⑤加工高强度金属部件(如钛合金等)受到限制，因是在常温状态下加工；⑥加工厚壁金属部件受到限制，因是在常温状态下加工。3.
技术实现思路
本专利技术是一种内加热金属管材高—中温超高压水压一次成形技术、方法与设备。本专利技术是利用水在高温下所产生的巨大静压力这一技术及相关设备，进行缩口管状金属部件的一次成形，其中采用内加热的方式对高压容器中的工作水进行加热，使其产生膨胀管壁所需要的内高压。本方法无论从压力产生机理、成形介质、成形过程中金属所处的状态，还是从设备构件上都与常规液压成形技术和设备不同，它是一种新的技术和方法。本专利技术是基于水的状态方程、水的p-V-T关系图、以及下面两组以水为传压介质高温超高压热模拟实验结果提出的①将加满水(约6-7滴)的外径为48mm，内径为8mm，内外径比为1∶6的Rene41钛钼合金高压釜通过锥形塞头加以密封，然后放入由控温仪控制的管式炉中，以外加热的方式按预先设定好的程序逐渐升温。当炉温升至350℃，发现由釜体内部的高温水所产生的巨大内高压使该钛钼合金高压釜体向外膨胀并爆裂一个长27mm、宽11mm的裂口(见图1B-1)；②同样的实验方法，将加满水(约8-9滴)的外径为60mm，内径为8mm，内外径比为1∶7.5的两个不锈钢高压釜体通过锥形塞头加以密封，然后放入管式炉中，以外加热的方式按预先设置好的程序逐渐升温。当炉温升至450℃和480℃时，由高压釜内部的高温水所产生的巨大内高压导致两个不锈钢高压釜体均向外膨胀，釜体外径由实验前的60mm分别膨胀变形为63.1mm和64.3mm(见图1B-2)。此现象为我们利用水介质在高温下所产生巨大的静压力，来进行缩口管状金属部件的一次成形奠定了基础。本专利技术的一项内容是一种利用水在高温下所产生的巨大静压力，一次液压成形缩口管状金属部件的技术(见图2)。其特点是，成形过程中所需的内高压来源于水在高温下所产生的巨大压力。水的p-V-T关系是水的基本的物理化学性质，水的密度随着温度和压力变化而变化，当压力增高时，流体的密度可以从水蒸气的密度值连续地变化到液体水的密度值。在高温，如200℃、500℃和1000℃时，要维持常温常压下水的密度(1g/cm3)，所需外部压力分别要达到0.3GPa、0.8GPa、1.82GPa。换句话说，将充满水的(即充填度为100％)封闭的金属容器分别加热到200℃、500℃和1000℃，容器中的高温水将会产生约0.3GPa、0.8GPa、1.82GPa的压力，并均匀作用于四周容器壁上(见图1A)。我们正是利用水的这一特性来进行缩口管状金属部件的一次成形。即将充满水或充填一定量水的管状金属毛坯，加以密封，然后通过间接的热传导的方式对管材坯料中的水进行加热。随着水温的升高，管坯中由高温工作水所产生的压力亦随之增加，当此水压超过管坯壁所能承受的张力时，管坯的壁开始膨胀，此时若用凹形模具加以控制，就得到各种既具有外部形态又具有内部形态的双形态的缩口管状金属部件(见图2和3)。水在高温下能够产生用于膨胀管材坯料的巨大的内高压可以从上述两组高温高压实验中得到印证(见图1B-1，图1B-2)。本专利技术第二项内容涉及一种内加热并产生成形缩口管状金属部件所需内高压的技术及组件(见图6A和6B)。其特点是将高温电热元件置于高压容器内部，从内部直接对高压容器中的工作水进行加热，使其产生成形过程中所需要的内高压。同时，高压容器外壁缠绕有方形(或圆形)铜管冷却水循环装置，以提高高压容器外壁的抗张强度，进而提高高压容器中工作水的工作温度及工作压力，扩大设备的压力使用范围，提供膨胀厚壁金属材料、高强度金属材料所需的内高压。内加热技术包括高压容器内部内置式电热高温炉加热技术和容器外壁的冷却技术两部分。其组件主要由高压容器、工作水、内置式电热高温炉、冷却水循环装置四部分组成。本专利技术第三项内容涉及一种内置式电热高温炉组件。其特点是将电热高温炉置于高压容器内部，从内部直接对高压容器中的工作水进行加热，以便产生成形过程中所需的内超高压(见图6A，6B)。本组件包括高温电热元件(2-1)、绝缘涂层(2-2)、电热元件外面的金属保护壳体(2-3)、以及外裹绝缘层的金属导线四部分(见图6A)。内加热设计既要保证高压(超高压)工作环境下的高压容器的密封性，又要保证电热元件以及金属导线在加热过程中与工作水和高压容器壁之间的绝缘性。因此，在电热元件和金属导线外面必须涂有耐高温的绝缘材料。电热元件采用碳化硅棒(工作温度为1000-1350℃)，或硅化钼棒(工作温度1350-1600℃，最高达1800℃)。使用前对碳化硅棒和硅化钼棒在高温下进行烧结，使碳化硅棒和硅化钼棒外表面产生一层较厚的耐高温硅质绝缘及防氧化层，然后用耐高温的金属壳体包裹在碳化硅棒和硅化钼棒高温电热元件外面，从而避免电热元件与高温水直接接触，以保护碳化硅棒和硅化钼棒外表面的硅质绝缘层，延长高温电热元件的使用寿命。高温电热元件连同外面的金属保护壳体焊接在高压容器壁上，或用螺具通过锥面-锥面或锥面-球面固定在高压容器壁上，并用外涂绝缘涂层的金属导线将高温电热元件和测温热电偶引出，与外接电源和控温仪相连，同时要保证高压容器在高压下具有良好的密封性。高温电热元件既可以置于高压容器侧壁上(见图6A)，也可以置于高压容器底部壁上(见图6B)，这要视具体情况而定。本专利技术第四项内容涉及一种以热传导的方式间接加热管材坯料中的工作水至高温，产生膨胀管材毛坯壁并一次成形缩口管状金属部件所需内高压的技术及组件(见图7)。其特征为，首先将高压容器和管材坯料中都加满水，然后采用内加热方式加热高压容器中的工作水至高温，以高压容器中的高温工作水为热源，利用高压容器中高温水和管材坯料中的低温水之间的温度差，通过连接高压容器和管材坯料之间的高压金属管线，以热传导的方式，将高压容器中高温工作水的高温传导到管材坯料水中，间接加热管材坯料中的水至高温，使其产生膨胀管壁并一次成形缩口管状金属部件所需内高压的技术。本技术主要包括高压容器、内置式电热高温炉、高压金属管线、管材毛坯、以及工作水五个基本组件。本专利技术第五项内容涉及一种以压力传导的方式直接提供膨胀管材毛坯壁，并一次成形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用水在高温下所产生的巨大静压力，一次液压成形缩口管状金属部件的技术。本专利技术是基于水的状态方程、水的ｐ－Ｖ－Ｔ关系图、以及下面两组高温超高压热模拟实验结果。技术特点为成形过程中所需的内高压来源于水在高温下所产生的巨大压力。根据水 的ｐ－Ｖ－Ｔ关系图以及水的状态方程，水的密度随着温度和压力变化而变化，当压力增高时，流体的密度可以从水蒸气的密度值连续地变化到液体水的密度值。在高温，如２００℃、５００℃和１０００℃时，要维持常温常压下水的密度（１ｇ／ｃｍ↑［３］），所需外部压力分别要达到０．３ＧＰａ、０．８ＧＰａ、１．８２ＧＰａ。换句话说，如果将充满水（即充填度为１００％）的封闭的金属容器分别加热到２００℃、５００℃和１０００℃，容器中的水将会产生近０．３ＧＰａ、０．８ＧＰａ、１．８２ＧＰａ的压力，并均匀作用于四周容器壁上。我们正是利用水的这一特性来进行缩口管状金属部件的一次成形。即利用热传导的方式间接加热管材坯料中的工作水至高温；随着水温的升高，管材坯料中由高温水所产生的压力也迅速增加，当高温水所产生的压力超过管壁所能承受的张力时，膨胀管材毛坯的壁使其变形，此时若用凹形模具加以控制，就得到各种既具有外部形态又具有内部形态的双形态的缩口管状金属部件。水在高温下能够产生用于膨胀管坯的巨大的内高压可以从以下两组高温高压实验中得到印证。一组是将加满水（约６－７滴）的外径为４８ ｍｍ，内径为８ｍｍ，内外径比为１∶６的Ｒｅｎｅ４１钛钼合金高压釜通过锥形塞头加以密封，然后放入由控温仪控制的管式炉中，以外加热的方式按预先设定好的程序逐渐升温。当炉温升至３５０℃，发现由釜体内部的高温水所产生的巨大内高压使该钛钼合金高压釜体向外膨胀并爆裂一个长２７ｍｍ、宽１１ｍｍ的裂口；第二组实验方法与第一组相同，即将加满水（约８－９滴）的外径为６０ｍｍ，内径为８ｍｍ，内外径比为１∶７．５的两个不锈钢高压釜体通过锥形塞头加以密封，然后放入管式炉中，以外加热的方式按预先设置好的程序逐渐升温。当炉温升至４５０℃和４８０℃时，由高压釜内部的高温水所产生的巨大内高压导致两个不锈钢高压釜体均向外膨胀，釜体外径由实验前的６０ｍｍ分别膨胀变形为６３．１ｍｍ和６４．３ｍｍ。此现象为实际利用水介质在高温下所产生巨大的静压力，来进行缩口管状金属部件的一次成形提供了依据。本专利技术与目前常规的液压成形最大的不同有三点：①压力产生机理（或压力来源）不同。常规液压...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙旭光，
申请(专利权)人：孙旭光，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]