CN101693279B - 一种大型钛合金深筒件镦挤精密模锻成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型钛合金深筒件镦挤精密模锻成型方法，首先使筒体模具的出模斜度为1～3°，再使坯料外径为模具筒体外径的50％～98％、坯料高度为所述筒体高度的60％～150％；接着在坯料上喷涂厚度为0.2～3mm的防护润滑层；然后坯料在电炉中按温度相变点(α+β/β)下5～50℃加热，加热系数≥0.6min/mm，同时将模具在200～450℃温度下预热6～24h；最后将模具安装在压力机、模锻锤或对击锤上，并将热透的坯料放入模具型腔内锻造。以该镦挤精密模锻成型方法生产大型钛合金深筒件，过程操作简单、质量控制容易、性能稳定可靠，易于实现产品的大批量、工业化生产。

Description

一种大型钛合金深筒件镦挤精密模锻成型方法

技术领域

本发明属于金属材料热加工成型领域，涉及一种钛合金深筒件成型方法，尤其是一种大型钛合金深筒件镦挤精密模锻成型方法。

背景技术

所谓大型钛合金深筒件是指内径(d)大于160mm、外径(D)大于200mm、高度(H)大于200mm、且H/D≥1、h(h1+h2)/d≥1的筒型回转体构件，主要产品形状见图1-1至图1-4。

大型钛合金深筒件在航空、航天、航海、化工等领域有着广泛的应用，但是由于钛合金属于稀有难加工金属材料，所以大型钛合金深筒件的成型问题是目前很多生产厂家所面临的一大技术难题。目前主要有三种方法生产此类产品：

第一种方法是采用大规格棒料直接机械加工而成，这种方法生产大型钛合金深筒件存在材料利用率低、生产成本高等缺点，且由于产品流线在机械加工过程中被切断导致产品性能低。

第二种方法是采用铸造技术生产，这种方法生产的大型钛合金深筒件由于自身铸造缺陷多及力学性能过低等原因，只能用于一些使用要求相对较低的场合，无法满足航空、航天等高端工业部门的需求。

第三种方法就是挤压机反挤压成型技术生产，这种方法生产的大型钛合金深筒件具有力学性能优异、流线分布较合理等优点，能够满足航空、航天等高端需求。近年来，我国航空部门使用的大量性能要求相对较高的钛合金深筒件主要采用该方法进行成型。试验结果表明，虽然该成型工艺方法生产的产品能够满足我国航空产品使用要求，但挤压机反挤压成型工艺方法生产大型钛合金深筒件，也存在一些无法解决的技术难点：

①、挤压机反挤压成型技术属于一火次、一次性成型方式，挤压变形完成后，经常出现产品规格尺寸不合格，无法翻修等原因，直接导致产品报废，产品合格率低。

②、挤压机反挤压成型技术由于是静压成型，下模腔与上冲头在整个成型过程中一直与热坯料接触，导致坯料表面温度急剧降低加上钛合金黏模等特性，从而在变形过程中壳体内外表面形成裂纹，如果润滑条件不好，裂纹过深超过该处机加余量将导致产品报废。

③、挤压机反挤压成型技术在挤压过程中由于坯料与模具一直接触，所以坯料容易抱死上冲头，脱模困难，生产效率低，甚至因此造成坯料报废或冲头报废。

④、大部分大型钛合金深筒件并非简单的桶体状，而是上边带有翻沿或下部呈凹状，见图1-2、1-3、1-4所示。对于这些形状的产品，挤压机反挤压法无法直接挤压完成，在热挤压过程中只能依靠增加余块先挤压成简单的直桶状(见图2-1至图2-4所示)，最后再将余块部分机械加工除去。这样做就造成：机械加工后产品流线不能完全按外形分布、部分被机加切断，致使最终零件使用性能、寿命降低；另外就造成材料利用率低、生产成本高等缺点。

⑤、挤压机反挤压成型技术对坯料及模具润滑要求很高，工艺过程稳定性差，过程操作复杂，不适合大批量、工业化生产。

发明内容

为了克服现有挤压机反挤压成型技术生产该类产品存在的技术难题，提高产品合格率和生产效率、优化产品性能、稳定产品质量、降低生产成本，满足我国航空、航天等部门对高性能大型钛合金深筒件的需求。本发明提供了一种镦挤精密模锻成型方法，生产此类大型钛合金深筒件。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种大型钛合金深筒件镦挤精密模锻成型方法，具体包括以下步骤：

1)设计镦挤模锻成型的模具：模具设计成筒体，模具的出模斜度为1～3°；

2)坯料尺寸的选择：坯料外径为所述筒体外径的50％～98％、坯料高度为所述筒体高度的60％～150％；

3)在坯料上喷涂厚度为0.2～3mm的防护润滑层；

4)坯料在电炉中按温度液相点下5～50℃加热，加热系数≥0.6min/mm，同时将模具在200～450℃温度下预热6～24h；

5)将模具安装在压力机、模锻锤或对击锤上，并将热透的坯料放入模具型腔内锻造；

6)将坯料打磨至表面无裂纹或折叠；

7)若锻造后的锻件未充满，重复步骤3)～5)，直至锻件完全成型；得到成型的大型钛合金深筒件。

以上步骤3)中所述防护润滑层为玻璃粉、M60树脂和水的混合物。其中以质量百分比计，所述混合物含有15～40％的玻璃粉，40％的M60树脂，其余为水；所述玻璃粉是FRG5玻璃粉、FRG15玻璃粉、FRG25玻璃粉或FRG35玻璃粉。

本发明具有以下有益效果：

为了降低成型过程中坯料与模具的摩擦力、降低原材料消耗、提高成材率，本发明在模锻件设计中将拔模斜度选为1～3°之间。这种小的拔模斜度可使工装与锻件之间的摩擦力增加，降低了出模难度。另外该成型方法的关键是坯料尺寸的选择，即坯料外径为筒体外径的50％-98％、坯料高度外筒体高度的60％-150％。该技术优点主要有几点：一是避免或减少坯料与下模内腔的接触时间，减少坯料温度损失；二是减少了刚开始变形时坯料与下模腔的接触面积，降低了摩擦阻力，利于金属流动；三是在每次锤击过程中将一定的空气密闭于下腔内，避免了锻件黏模；这样，就解决了筒体件在成型过程中内外表面出现大量裂纹的问题。另外，这种方法增大了成型过程中的变形量，有利于改善坯料中的不理想组织，从另外一方面理解，可以进一步降低坯料的供应标准、即降低原材料采购价格，大幅度降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明的大型钛合金深筒件结构示意图；

其中：图1-1为直筒型深筒件；图1-2为带翻沿直筒型深筒件；图1-3为带底槽直筒型深筒件；图1-4为带底槽和翻沿的直筒型深筒件；

图2为现有技术挤压机反挤压工艺生产特殊形状钛合金深筒件毛坯结构示意图；

其中：图2-1为直筒型深筒件；图2-2为带翻沿直筒型深筒件；图2-3为带底槽直筒型深筒件；图2-4为带底槽和翻沿的直筒型深筒件；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例1

1)模具设计：模具设计为筒体，出模斜度为1°；

2)坯料尺寸的选择：坯料尺寸为φ230×320，坯料外径为筒体外径的80％，坯料高度外筒体高度的120％；

3)在坯料上喷涂厚度为3mm的防护润滑层；防护润滑层由质量百分比为15％的玻璃粉，40％的M60树脂和45％的水混合成的混合物喷涂而成。

4)坯料在电炉中加热，温度液相点(相变点α+β/β)下50℃，加热系数为1.0min/mm；同时预热模具，预热温度为200℃，预热时间24h；

5)将模具安装在400KJ对击锤上，把热透的坯料放入模具型腔内锻造1火；

6)打磨坯料裂纹、折叠缺陷，直至表面无裂纹或折叠为止；

7)重复3)～5)步骤一次，锻件成型，得到成型的大型钛合金深筒件；

8)热处理；

9)性能测试。

本实施例中的每批锻件解剖一件，取样加工后测试性能，结果如下表：

表1-1室温力学性能

表1-2高温力学性能

实施例2

1)模具设计：模具设计为筒体，出模斜度2°；

2)坯料尺寸的选择：坯料尺寸为φ280×260，坯料外径为筒体外径的98％，坯料高度为外筒体高度的120％；

3)在坯料上喷涂厚度为0.2mm的防护润滑层；防护润滑层由质量百分比为25％的玻璃粉，40％的M60树脂和35％的水混合成的混合物喷涂而成。

4)坯料在电炉中加热，温度液相点(相变点α+β/β)下40℃，加热系数为0.8min/mm；同时预热模具，预热温度300℃，预热时间12h；

5)将模具安装在25t模锤上，把热透的坯料放入模具型腔内锻造1火；

6)打磨坯料裂纹、折叠缺陷，直至表面无裂纹或折叠为止；

7)重复步骤3)～5)两次，锻件完全成型，，得到成型的大型钛合金深筒件；

8)热处理；

9)性能测试。

本实施例中的每批锻件解剖一件，取样加工后测试性能，结果如下表：

表2-1室温力学性能

表2-2高温力学性能

实施例3

1)模具设计：模具设计为筒体，出模斜度为1°；

2)坯料尺寸的选择：坯料尺寸为φ230×320，坯料外径为筒体外径的80％，坯料高度外筒体高度的120％；

3)坯料上喷涂厚度为1.5mm的防护润滑层；防护润滑层由质量百分比为35％的玻璃粉，40％的M60树脂和25％的水混合成的混合物喷涂而成。

4)坯料在电炉中加热，温度液相点(相变点α+β/β)下30℃，加热系数为0.9min/mm；同时预热模具，预热温度400℃，预热时间6h；

5)将模具安装在400KJ对击锤上，把热透的坯料放入模具型腔内锻造1火；

6)打磨坯料裂纹、折叠缺陷，直至表面无裂纹或折叠为止；

7)重复步骤3)～5)两次，锻件完全成型，，得到成型的大型钛合金深筒件；

8)热处理；

9)性能测试。

本实施例中的每批锻件解剖一件，取样加工后测试性能，结果如下表：

表3-1室温力学性能

表3-2高温力学性能

实施例4

1)模具设计：模具设计为筒体，出模斜度2°；

2)坯料尺寸的选择，坯料尺寸为φ280×260，坯料外径为筒体外径的98％，坯料高度为外筒体高度的120％；

3)在坯料上喷涂厚度为0.5mm的防护润滑层；防护润滑层由质量百分比为40％的玻璃粉，40％的M60树脂和20％的水混合成的混合物喷涂而成。

4)坯料在电炉中加热，温度液相点(相变点α+β/β)下20℃，加热系数为0.65min/mm；同时预热模具，模具预热温度250℃，预热时间15h；

5)将模具安装在25t模锤上，把热透的坯料放入模具型腔内锻造1火；

6)打磨坯料裂纹、折叠缺陷，直至表面无裂纹或折叠为止；

7)重复步骤3)～5)两次，锻件完全成型，，得到成型的大型钛合金深筒件；

8)热处理；

9)性能测试。

本实施例中的每批锻件解剖一件，取样加工后测试性能，结果如下表：

表4-1室温力学性能

表4-2高温力学性能

实施例5

1)模具设计：模具设计为筒体，出模斜度1.5°；

2)坯料尺寸的选择：坯料尺寸为φ250×400，坯料外径为筒体外径的60％，坯料高度为外筒体高度的150％；

3)在坯料上喷涂厚度为0.5mm的防护润滑层；防护润滑层由质量百分比为15％的玻璃粉，40％的M60树脂和45％的水混合成的混合物喷涂而成。

4)坯料在电炉中加热，温度液相点(相变点α+β/β)下5℃，加热系数为0.6min/mm；同时预热模具，预热温度250℃，预热时间15h；

5)将模具安装在10t模锤上，把热透的坯料放入模具型腔内锻造1火；

6)打磨坯料裂纹、折叠缺陷，直至表面无裂纹或折叠为止；

7)重复步骤3)～5)两次，锻件完全成型，，得到成型的大型钛合金深筒件；

8)热处理；

9)性能测试。

本实施例中的每批锻件解剖一件，取样加工后测试性能，结果如下表：

表5-1室温力学性能

表5-2高温力学性能

实施例6

1)模具设计：模具设计为筒体，出模斜度3°；

2)坯料尺寸的选择：坯料尺寸为φ290×280，坯料外径为筒体外径的70％，坯料高度为外筒体高度的110％；

3)在坯料上喷涂厚度为0.5mm的防护润滑层；防护润滑层由质量百分比为15％的玻璃粉，40％的M60树脂和45％的水混合成的混合物喷涂而成。

4)坯料在电炉中加热，温度液相点(相变点α+β/β)下15℃，加热系数为0.6min/mm；同时预热模具，预热温度450℃，预热时间6h；

5)将模具安装在10000t压力机上，把热透的坯料放入模具型腔内锻造1火；

6)打磨坯料裂纹、折叠缺陷，直至表面无裂纹或折叠为止；

7)重复步骤3)～5)两次，锻件完全成型，得到成型的大型钛合金深筒件；

8)热处理；

9)性能测试。

本实施例中的每批锻件解剖一件，取样加工后测试性能，结果如下表：

表6-1室温力学性能

表6-2高温力学性能

实施例7

1)模具设计：模具设计为筒体，出模斜度3°；

2)坯料尺寸的选择：坯料尺寸为φ290×280，坯料外径为筒体外径的70％，坯料高度为外筒体高度的110％；

3)在坯料上喷涂厚度为0.5mm的防护润滑层；

4)坯料在电炉中加热，温度液相点(相变点α+β/β)下15℃，加热系数为0.6min/mm；同时预热模具，预热温度450℃，预热时间6h；

5)将模具安装在10000t压力机上，把热透的坯料放入模具型腔内锻造1火；

6)打磨坯料裂纹、折叠缺陷，直至表面无裂纹或折叠为止；

7)重复步骤3)～5)两次，锻件完全成型，得到成型的大型钛合金深筒件；

8)热处理；

9)性能测试。

本实施例中的每批锻件解剖一件，取样加工后测试性能，结果如下表：

表7-1室温力学性能

表7-2高温力学性能

综上所述，本发明的镦挤精密模锻成型方法生产大型钛合金深筒件，成功解决了挤压机反挤压成型工艺方法的一系列技术难题：

(1)采用本发明的镦挤精密模锻成型技术生产的大型钛合金深筒件，表面质量良好、规格尺寸精确、流线分布合理、组织性能优异、机械加工余量小、材料利用率高，各项技术指标完全符合技术标准要求。

(2)采用本发明的镦挤精密模锻成型技术生产大型钛合金深筒件，产品合格率达100％，克服了油压机反挤压工艺成型过程中由于一火次成型造成产品规格尺寸不合格、且无法返修，而导致产品合格率低的缺点。

(3)本发明镦挤精密模锻成型技术生产大型钛合金深筒件体过程中，通过对成型原理、工艺流程等分析、改进、优化，解决了油压机反挤压过程中筒体表面经常出现裂纹、抱死冲头等技术难题，不但提高了产品合格率，而且还大大提高了生产效率、同时降低了工模具的消耗。

(4)该镦挤精密模锻成型方法生产大型钛合金深筒件，过程操作简单、质量控制容易、性能稳定可靠，易于实现产品的大批量、工业化生产。

(5)对于大部分上边带有翻沿或下部呈凹状的形状复杂的大型钛合金深筒件，挤压机反挤压法无法直接挤压生产，只能依靠增加余块先挤压成简单的直桶状，最后再将余块部分机械加工除去，机械加工后产品流线不能完全按零件外形分布、部分被机加切断，致使最终零件使用性能、寿命降低，另外材料利用率低、生产成本高。而我本发明的镦挤精密模锻成型方法则可以完全按零件外形锻造生产出此类产品，产品流线完全按照零件外形分布，组织性能优异、材料消耗少。

(6)本发明的镦挤精密模锻成型方法研制、生产大型钛合金深筒件的成功，为我们国家今后研制、生产此类产品打下了基础，为难变形钛合金深筒件的热成型工艺等各方面积累了丰富的经验，达到了技术储备的目的。

截止目前，采用该镦挤精密模锻成型方法试验生产了多种型号飞机用多种规格的大型钛合金深筒件共几百件，产品合格率达100％，并顺利通过了地面试车考核，可以批量装机使用。

Claims (2)

1.一种大型钛合金深筒件镦挤精密模锻成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设计镦挤模锻成型的模具：模具设计成筒体，模具的出模斜度为1～3°；

2)坯料尺寸的选择：坯料外径为所述筒体外径的50％～98％、坯料高度为所述筒体高度的60％～150％；

3)在坯料上喷涂厚度为0.2～3mm的防护润滑层；

4)坯料在电炉中按温度液相点下5～50℃加热，加热系数≥0.6min/mm，同时将模具在200～450℃温度下预热6～24h；

5)将模具安装在压力机、模锻锤或对击锤上，并将热透的坯料放入模具型腔内锻造；

6)将坯料打磨至表面无裂纹或折叠；

7)若锻造后的锻件未充满，重复步骤3)～5)，直至锻件完全成型；得到成型的大型钛合金深筒件。

2.根据权利要求1所述的大型钛合金深筒件镦挤精密模锻成型方法，其特征在于，步骤3)中所述防护润滑层为玻璃粉、M60树脂和水的混合物。

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