一种大尺寸薄壁钛合金筒形件制造方法及筒形模具

摘要

本发明提供一种大尺寸薄壁钛合金筒形件制造方法，其步骤包括：(1)原料粉选择；(2)装粉及封装；(3)热等静压；(4)筒形件毛坯及加工。本发明还提供一种用于大尺寸薄壁钛合金筒形件制造的筒形模具，它包括筒形的外包套和筒形的内包套，由外包套和内包套形成装填钛合金粉的空腔，在内包套内设有筒形的定形模；在装填钛合金粉的空腔的顶端和底端分别固定有封装该空腔的上包套盖和下包套盖；在上包套盖上还设有除气管。本发明与传统的几种制造方法不同，可以同时满足高性能无缺陷、大尺寸薄壁、大长径比、高精度、低成本等要求。

权利要求

1.一种用于大尺寸薄壁钛合金筒形件制造的筒形模具，其适用于外径在200～800mm、高在300～1000mm、壁厚在1.5～10mm的大尺寸薄壁钛合金筒形件，其特征在于：它包括筒形的外包套(1)和筒形的内包套(2)，由外包套(1)和内包套(2)形成装填钛合金粉的空腔(7)，在内包套(2)内设有筒形的定形模(3)；在装填钛合金粉的空腔(7)的顶端和底端分别固定有封装该空腔的上包套盖(4)和下包套盖(8)；在上包套盖(4)上还设有除气管(6)；在上包套盖(4)下方设有垫片(5)。

2.根据权利要求1所述的一种用于大尺寸薄壁钛合金筒形件制造的筒形模具，其特征在于：所述的外包套(1)、内包套(2)及定形模(3)均采用碳钢或不锈钢制成。

说明书

一种大尺寸薄壁钛合金筒形件制造方法及筒形模具

技术领域

[0001] 本发明涉及钛合金筒形件的制造方法，具体涉及一种大尺寸薄壁钛合金筒形件的制造方法及筒形模具。

背景技术

[0002] 各种尺寸的钛合金筒形件在军、民品上均有广泛用途。由于钛合金强度高、热变形困难，因此钛合金筒形件加工成形非常困难，尤其是大尺寸、大长径比、薄壁产品。该类型产品传统的制造技术主要有铸造、锻造、滚弯焊接等。

[0003] 用铸造技术可以实现某些大尺寸薄壁筒形件的成形，但受方法本身的限制，其生产的产品材料性能较低、且有疏松、缩孔、偏析等缺陷，且无法通过后续处理完全消除这些缺陷，因此铸造产品在要求较高的产品上无法使用，如压力容器、气密性构件、部分关键结构件等。

[0004] 用锻造技术可以实现高性能产品的制造，但其成形能力非常有限，大尺寸薄壁筒形件的制造非常困难，尤其长径比较大的产品，无法制造，即使某些尺寸产品可以锻出来，其壁厚一般很大，材料浪费严重，成本昂贵。

[0005] 用滚弯焊接的方法制造大尺寸薄壁钛合金筒形件产品尺寸精度不好，有纵向焊缝，不是整体性产品，对后续的焊接等工艺有较大影响，难以在结构复杂、可靠性要求高的压力容器等产品上使用。

[0006] 因此，用传统技术制造大尺寸薄壁钛合金筒形件均存在明显的缺点：铸造技术成形能力较强，成本较低，但性能差产品缺陷多；锻造技术制备的产品材料性能好，但成形能力有限、成本高；滚弯焊接产品精度差，可靠性低。用传统技术难以制备同时具有高性能无缺陷、大尺寸薄壁、大长径比、高精度、低成本等要求的钛合金筒形件。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于提供一种低成本，高性能，适用于外径在200～800mm、高在300～1000mm、壁厚在1.5～10mm的大尺寸薄壁钛合金筒形件制造方法及筒形模具。

[0008] 本发明所述的一种大尺寸薄壁钛合金筒形件制造方法，其按如下步骤进行：

[0009] (1)原料粉选择：选择粒径在45μm～250μm混合粒度的钛合金球形粉；

[0010] (2)装粉及封装：在振动条件下将钛合金球形粉装入筒形模具中，装满后，除气，-2在真空条件下封焊筒形模具，模具内真空度高于4×10 Pa；

[0011] (3)热等静压：将封装好的筒形模具进行热等静压处理，温度为850～1000℃，压力为80～120MPa，保温时间为0.5～4h；

[0012] (4)筒形件毛坯及加工：热等静压后，脱模，得到筒形件毛坯；对筒形件毛坯进行精加工，得到需要尺寸的钛合金筒形件产品。

[0013] 如上所述的一种大尺寸薄壁钛合金筒形件制造方法，其所述的钛合金球形粉的粒径分布范围为，粒径在180μm～250μm≤50％，粒径在150μm～180μm≥10％，粒径在45μm～150μm≥15％。

[0014] 如上所述的一种大尺寸薄壁钛合金筒形件制造方法，其所述的钛合金球形粉可采用TC4、TA7、TA15或TC11钛合金球形粉。

[0015] 如上所述的一种大尺寸薄壁钛合金筒形件制造方法，其所述的封焊筒形模具采用氩弧焊、电焊或气焊。

[0016] 本发明所述的一种用于大尺寸薄壁钛合金筒形件制造的筒形模具，它包括筒形的外包套和筒形的内包套，由外包套和内包套形成装填钛合金粉的空腔，在内包套内设有筒形的定形模；在装填钛合金粉的空腔的顶端和底端分别固定有封装该空腔的上包套盖和下包套盖；在上包套盖上还设有除气管。

[0017] 如上所述的一种用于大尺寸薄壁钛合金筒形件制造的筒形模具，其在上包套盖下方设有垫片。

[0018] 如上所述的一种用于大尺寸薄壁钛合金筒形件制造的筒形模具，其外包套、内包套及定形模均采用碳钢或不锈钢制成。

[0019] 本发明的效果在于：

[0020] 本发明所述的大尺寸薄壁钛合金筒形件的制造方法，可制造低成本，高性能，适用于外径在200～800mm、高在300～1000mm、壁厚在1.5～10mm的大尺寸薄壁钛合金筒形件。本发明选用了合适的原料粉及热等静压参数，所制造的钛合金材料性能优良(达到了不低于锻件的水平)、缺陷控制良好、产品尺寸稳定性好，可制备各种钛合金牌号的产品，仅产品尺寸受热等静压机大小的限制。

[0021] 本发明所述的筒形模具对内外包套、定形模结构进行了合理设计及配装，从而实现了大尺寸薄壁钛合金筒形件的近净形成形，尺寸控制良好，实现了产品的低成本制造。由于实现了近净形成形，粉末钛合金筒形件毛坯壁厚较小，成本低。用这种方法制造筒形件不受长径比限制。

[0022] 本发明与传统的几种制造方法不同，可以同时实现高性能无缺陷、大尺寸薄壁、大长径比、高精度、低成本等要求，在制造用于关键件、重要件的大尺寸薄壁钛合金筒形件领域里有独到的优势。如制造一种尺寸为Ф600×2×800mm(外径×壁厚×高)的粉末钛合金筒形件，按GJB1580A-2004(变形金属超声检验方法)标准进行超声无损探伤，可达到AA级甚至更高的高标准，这说明粉末钛合金筒形件内部缺陷控制非常好。材料性能优良，超过相应钛合金牌号锻件标准，以TC4和TC11为例，粉末钛合金材料室温典型性能见表1。

[0023] 表1粉末钛合金室温典型性能

[0024]

附图说明

[0025] 图1一种大尺寸薄壁钛合金筒形件；

[0026] 图2一种用于大尺寸薄壁钛合金筒形件制造的筒形模具结构示意图；

[0027] 图中：1.外包套；2.内包套；3.定形模；4.上包套盖；5.垫片；6.除气管；7.装填钛合金粉的空腔；8.下包套盖。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种大尺寸薄壁钛合金筒形件的制造方法及筒形模具。

[0029] 实施例1

[0030] 如图1所示，制造一种尺寸为Ф600×2×800mm(外径×壁厚×高)的TC4钛合金筒形件，采用本发明所述的一种大尺寸薄壁钛合金筒形件的制造方法及筒形模具。

[0031] 如图2所示，所采用的模具包括筒形的外包套1和筒形的内包套2，由外包套1和内包套2形成装填钛合金粉的空腔7，在内包套2内设有筒形的定形模3；在装填钛合金粉的空腔7的顶端和底端分别固定有封装该空腔的上包套盖4和下包套盖8；在上包套盖4上设有除气管6，在上包套盖4下方设有垫片5。上述外包套1、内包套2及定形模3均采用碳钢制成。

[0032] 具体制造步骤如下：

[0033] (1)原料粉选择：

[0034] 选用45μm～250μm粒径范围内混合粒度的TC4钛合金球形粉，其中粒径在181μm～250μm占总量的30％，粒径在151μm～180μm占总量的55％，粒径在45μm～
150μm占总量的15％。选用成分合格及合适粒度的粉料，是满足产品性能要求的基础，而且粉料合理的粒度分布可使粉末在装填过程中得到较高的松装密度，从而有利于控制产品的形变。

[0035] (2)装粉及封装：

[0036] 在振动条件下将钛合金粉装入由外包套1和内包套2形成装填钛合金粉的空腔7中，装满后，通过除气管6除气，在真空条件下采用氩弧焊封焊上包套盖4，空腔7内真空度-2高于4×10 Pa。

[0037] 由于粉末冶金过程是粉末材料的致密化过程，在这一致密化过程中粉末要收缩，伴随着粉末的收缩，包套也要随之收缩，因此包套的设计要考虑收缩的问题。本发明筒形模具中所用的定形模3是为了控制包套向内收缩的尺寸，通过定形模3控制筒形件毛坯的内径，这样易于实现对大尺寸薄壁筒形件径向尺寸的控制。本发明所述的筒形模具中定形模3和内包套2之间先装配，然后再焊封筒形模具，这样定形模3和内包套2配合比较紧密。内外包套及定形模通过滚弯焊接、机械加工等方法制造，材料可选用碳钢、不锈钢等。

[0038] (3)热等静压

[0039] 将上述封装好的钛合金粉的筒形模具进行热等静压处理，TC4钛合金粉热等静压参数：温度在850℃，压力在80MPa，保温时间在4h。

[0040] 热等静压过程使钛合金粉末致密化，粉末钛合金材料实现全致密，性能达到不低于锻件的水平，缺陷控制良好，组织均匀，尺寸稳定性好。

[0041] (4)筒形件毛坯及加工

[0042] 热等静压后，去除内外包套即得到筒形件毛坯，再根据图纸的要求进行精加工，即制造出低成本高性能、大尺寸薄壁钛合金筒形件产品。

[0043] 实施例2

[0044] 制造一种尺寸为Ф200×1.5×300mm(外径×壁厚×高)的TA7大尺寸薄壁筒形件，采用如图2所示的筒形模具，具体制造步骤如下：

[0045] (1)原料粉选择：

[0046] 选用45μm～250μm粒径范围内混合粒度的TA7钛合金球形粉，其中粒径在181μm～250μm占总量的50％，粒径在151μm～180μm占总量的20％，粒径在45μm～
150μm占总量的30％。

[0047] (2)装粉及封装：

[0048] 在振动条件下将钛合金粉装入由外包套1和内包套2形成装填钛合金粉的空腔7中，装满后，通过除气管6除气，在真空条件下采用电焊封焊上包套盖4，空腔7内真空度高-2于4×10 Pa。

[0049] (3)热等静压

[0050] 将上述封装好的钛合金粉的筒形模具进行热等静压处理，温度在900℃，压力在100MPa，保温时间在0.5h。

[0051] (4)筒形件毛坯及加工

[0052] 热等静压后，去除内外包套即得到筒形件毛坯，再根据图纸的要求进行精加工，即制造出低成本高性能、大尺寸薄壁钛合金筒形件产品。

[0053] 实施例3

[0054] 制造一种尺寸为Ф800×10×1000mm(外径×壁厚×高)的TC4大尺寸薄壁筒形件，具体制造步骤如下：

[0055] (1)原料粉选择：

[0056] 选用45μm～250μm粒径范围内混合粒度的TC4钛合金球形粉，其中粒径在181μm～250μm占总量的30％，粒径在151μm～180μm占总量的50％，粒径在45μm～
150μm占总量的20％。

[0057] (2)装粉及封装：

[0058] 在振动条件下将钛合金粉装入筒形模具中，装满后，除气，在真空条件下采用氩弧-2焊封焊模具，模具内真空度高于4×10 Pa。

[0059] (3)热等静压

[0060] 将上述封装好的钛合金粉的筒形模具进行热等静压处理，TC4钛合金粉热等静压参数：温度在1000℃，压力在120MPa，保温时间在1h。

[0061] (4)筒形件毛坯及加工

[0062] 热等静压后，去除内外包套即得到筒形件毛坯，再根据图纸的要求进行精加工，即制造出低成本高性能、大尺寸薄壁钛合金筒形件产品。

[0063] 实施例4

[0064] 制造一种尺寸为Ф500×5×800mm(外径×壁厚×高)的TC11大尺寸薄壁筒形件，采用如图2所示的筒形模具，具体制造步骤如下：

[0065] (1)原料粉选择：

[0066] 选用45μm～250μm粒径范围内混合粒度的TC11钛合金球形粉，其中粒径在181μm～250μm占总量的20％，粒径在151μm～180μm占总量的40％，粒径在45μm～
150μm占总量的40％。

[0067] (2)装粉及封装：

[0068] 在振动条件下将钛合金粉装入由外包套1和内包套2形成装填钛合金粉的空腔7中，装满后，通过除气管6除气，在真空条件下采用气焊封焊上包套盖4，空腔7内真空度高-2于4×10 Pa。

[0069] (3)热等静压

[0070] 将上述封装好的钛合金粉的筒形模具进行热等静压处理，TC4钛合金粉热等静压参数：温度在900℃，压力在100MPa，保温时间在2h。

[0071] (4)筒形件毛坯及加工

[0072] 热等静压后，去除内外包套即得到筒形件毛坯，再根据图纸的要求进行精加工，即制造出低成本高性能、大尺寸薄壁钛合金筒形件产品。

[0073] 实施例5

[0074] 制造一种尺寸为Ф600×2×800mm(外径×壁厚×高)的TC11大尺寸薄壁筒形件，采用本发明所述的一种大尺寸薄壁钛合金筒形件的制造方法及筒形模具。

[0075] 如图2所示，所述的模具包括筒形的外包套1和筒形的内包套2，由外包套1和内包套2形成装填钛合金粉的空腔7，在内包套2内设有筒形的定形模3；在装填钛合金粉的空腔7的顶端和底端分别固定有封装该空腔的上包套盖4和下包套盖8；在上包套盖4上设有除气管6，在上包套盖4下方设有垫片5。所述的外包套1、内包套2及定形模3均采用不锈钢制成。

[0076] 具体制造步骤如下：

[0077] (1)原料粉选择：

[0078] 选用45μm～250μm粒径范围内混合粒度的TC11钛合金球形粉，其中粒径在181μm～250μm占总量的40％，粒径在151μm～180μm占总量的25％，粒径在45μm～
150μm占总量的25％。

[0079] (2)装粉及封装：

[0080] 在振动条件下将钛合金粉装入由外包套1和内包套2形成装填钛合金粉的空腔7中，装满后，通过除气管6除气，在真空条件下采用氩弧焊封焊上包套盖4，空腔7内真空度-2高于4×10 Pa。

[0081] (3)热等静压

[0082] 将上述封装好的钛合金粉的筒形模具进行热等静压处理，TC11钛合金粉热等静压参数：温度在950℃，压力在110MPa，保温时间在3h。

[0083] (4)筒形件毛坯及加工

[0084] 热等静压后，去除内外包套即得到筒形件毛坯，再根据图纸的要求进行精加工，即制造出低成本高性能、大尺寸薄壁钛合金筒形件产品。