CN117600270A - 一种钛合金薄壁壳体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钛合金加工技术领域，具体涉及一种钛合金薄壁壳体及其制备方法，该方法包括以下步骤：将钛合金棒材进行加热、斜轧穿孔和定径，在线水冷，得到管坯；将管坯进行第一热处理、机加，得到去除氧化层的管坯；将去除氧化层的管坯进行至少一次冷加工得到冷加工态壳体；当冷加工的次数≥2时，多次冷加工之间进行第二热处理或不进行第二热处理；将冷加工态壳体进行成品热处理，得到钛合金薄壁壳体。本发明通过各步骤的相互配合，解决了目前以厚壁壳体或筒体制备薄壁壳体或筒体所存在的成材率低、成本高、效率低等问题，获得抗拉强度1000MPa以上、延伸率可到8％以上、壁厚≤10mm、径厚比≥50的钛合金薄壁壳体。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金加工技术领域，具体涉及一种钛合金薄壁壳体及其制备方法。
背景技术
薄壁金属壳体在先进飞行器、武器装备等领域有非常广阔的应用，目前薄壁金属壳体大都采用高强度钢材料。但是由于钢的密度比钛的密度大，随着先进飞行器、武器装备对减重的需求，高强钛合金壳体将是代替钢壳体的一种非常有潜力的候选材料。
然而，由于高强度钛合金存在变形抗力大，高强薄壁壳体很难加工的技术缺陷，因而目前一般采用挤压、斜轧穿孔来制备厚壁管材，然后通过机加生产薄壁金属壳体。但是与钢相比，钛合金的刚性相对差，机加获得薄壁壳体的过程中难免出现壳体变形，从而很难保证薄壁壳体的尺寸精度。另外，采用机加的方式，存在成材率低、效率低、成本高的问题。综上所述，挤压/斜轧穿孔，再机加的方式难以保证产品的批量、稳定、高效供货。
热旋压虽能得到减薄壁厚的目的，但是由于目前热旋压存在加热手段简单、坯料加热不均匀、旋压过程容易出现变形不均匀的问题，最终导致成品的形状不满足要求，且存在尺寸精度差、易开裂等问题。另外，热旋压薄壁壳体时，壳体表面氧化层去除困难，严重影响表面质量及尺寸精度。因此，热旋压直接得到薄壁壳体是不可行的。
TB2钛合金虽然可以冷轧或冷旋压，但是单次轧制或旋压变形量小，为了得到薄壁的壳体，需进行多道次的冷轧或冷旋压，每道次冷加工之间必须进行热处理，导致加工效率低，周期长，减薄率低。这可由以下文献证明。
文献1：《TB2钛合金筒形件旋压变形组织性能的研究》中提到冷旋压的减薄率为30～50％。
文献2：《TB2钛合金管材冷轧加工组织和性能研究》中提到从Φ54×5.25mm轧制到Φ43×4mm需要冷轧6道次。
发明专利“1200MPa级Ti-4Mo-3Cr-1Fe钛合金薄壁圆筒的室温旋压成形方法”公开了一种1200MPa级Ti-4Mo-3Cr-1Fe钛合金室温旋压方法，该合金需要进行三道次的旋压成形，每一道次旋压减薄率均≤45％，且第一道次旋压后需进行进行650℃/40min真空去应力退火。仍存在上述所提及的单道次旋压变形量小，冷旋压次数多，每道次加工之间必须进行热处理，导致加工效率低，周期长的问题。
发明内容
为了解决TB2钛合金进行冷轧或冷旋压的次数多，且每次冷加工之后均必须进行热处理，导致加工效率低，周期长，减薄率低的问题，本发明的目的在于提供一种TC16及其改型的钛合金薄壁壳体及其制备方法。
本发明选用可适于冷加工的高强钛合金，将钛合金棒材依次进行加热、斜轧穿孔和热轧/定径，在线水冷，得到管坯；将管坯进行中间热处理、机加，得到光亮的钛合金管坯；将光亮的钛合金管坯进行至少1次冷轧、或1次冷旋压或至少1次冷轧+至少1次冷旋压，再进行成品热处理得到高强钛合金薄壁壳体。该方法有效地解决了目前以厚壁管材或筒体进行机加工得到薄壁管材或筒体所存在的成材率低、成本高、效率低等问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
本发明的第一方面提供一种钛合金薄壁壳体的制备方法，包括以下步骤：
将钛合金棒材进行加热、斜轧穿孔和定径、在线水冷，得到管坯；其中，钛合金棒材为适于冷加工的钛合金棒材；
将管坯进行第一热处理、机加，得到去除氧化层的管坯；
将去除氧化层的管坯进行至少一道次冷加工，得到冷加工态壳体；当冷加工的道次数≥2时，两道次冷加工之间进行一次第二热处理；或，连续两道次冷加工之后进行一次第二热处理；或，连续两道次冷加工之后不进行第二热处理；
将冷加工态壳体进行成品热处理，得到钛合金薄壁壳体。
本发明选用适于冷加工的钛合金棒材，采用斜轧穿孔+热轧/定径、在线水冷制备钛合金管坯，然后机加工去除内外表面氧化层，最后经过冷轧+旋压或直接旋压的方式制备薄壁高强钛合金壳体。斜轧穿孔+热轧/定径制坯可以节约材料、降低成本、提高生产效率。在线水冷可以得到细的片层组织，有利于后续加工破碎组织。穿孔后的管坯再进行机加，可以起到去除管坯表面氧化层、规整管坯尺寸精度的作用。冷轧+旋压或直接旋压可以得到高尺寸精度的薄壁壳体。本发明的方法可实现高强钛合金薄壁壳体的高效、低成本、高精度制备。
在一些优选的实施例中，所述钛合金棒材为TC16钛合金棒材、Ti344钛合金棒材或Ti3441钛合金棒材。
本发明中，TC16钛合金棒材的成分为Ti-3Al-5Mo-4.5V，简写为TC16；Ti344钛合金棒材成分为Ti-3Al-4V-4Mo-0.5Cr-0.4Fe钛合金棒材，简写为Ti344；Ti3441钛合金棒材成分为Ti-3Al-4V-4Mo-1Nb-0.5Cr-0.4Fe钛合金棒材，简写为Ti3441。本发明选用的Ti344、Ti3441或TC16钛合金棒材均是适于冷加工的高强钛合金棒材。
在一些优选的实施例中，所述钛合金棒材进行加热的加热温度为950～980℃，加热时间根据以下公式计算：
T＝0.8D～(0.8D+120)；
其中，T为加热时间，min；D为钛合金棒材的直径，mm。
在一些优选的实施例中，所述第一热处理是将管坯加热至800℃，保温1h后随炉冷却至550℃，然后出炉进行空冷。
在一些优选的实施例中，所述第二热处理是在700～800℃保温1～2h进行真空热处理，保温结束后随炉冷却至室温出炉。
在一些优选的实施例中，所述冷加工为冷轧和/或冷旋压。具体的，冷加工为冷轧、旋压或者冷轧+冷旋压或冷旋+冷轧。
在一些优选的实施例中，所述一次道次变形量为45％～75％；第一热处理与所述第二热处理之间的累积变形量或第二热处理与成品热处理之间的累积变形量为45％～80％。
在一些优选的实施例中，所述成品热处理为真空热处理，真空热处理的条件是在750～800℃保温2～3h，之后在550～750℃保温2～3h；
所述成品热处理之前还包括将冷加工态壳体置于定型模具内，对冷加工态壳体进行固定，防止薄壁壳体热处理过程发生变形；所述成品热处理之后还包括进行快冷。
成品热处理的作用是使抗拉强度可达1000MPa以上，延伸率可到8％以上，使其具有良好的强塑性。成品热处理在保温结束后壳体立即推入冷却室进行快冷。
本发明的第二方面提供一种钛合金薄壁壳体，采用第一方面所述的制备方法制备得到。
在一些优选的实施例中，所述钛合金薄壁壳体的壁厚≤10mm，径厚比≥50，抗拉强度≥1000MPa，延伸率≥8％。具体的，所述钛合金薄壁壳体的壁厚≤10mm、径厚比≥50；抗拉强度≥1000MPa，延伸率≥8％。
本发明的有益效果：
1、本发明通过选择可适于冷加工的高强钛合金，将金属棒材依次进行加热、斜轧穿孔和热轧/定径、在线水冷，得到钛合金管坯；将所述钛合金管坯进行中间热处理、机加，得到光亮的钛合金管坯；将光亮的钛合金管坯进行至少1道次冷加工，再进行成品热处理得到高强钛合金薄壁壳体。本发明的方法通过各步骤的相互配合，有效地解决了目前以厚壁壳体或筒体制备薄壁壳体或筒体所存在的成材率低、成本高、效率低等问题。
2、本发明通过优化制备工艺，能够高效、低成本的获得抗拉强度
≥1000MPa、延伸率≥8％、壁厚≤10mm、径厚比≥50的等径、等壁厚或非等径、非等壁厚的钛合金薄壁壳体。
附图说明
图1是实施例1的产品图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的第一方面
本发明的第一方面提供一种钛合金薄壁壳体的制备方法，包括以下步骤：
(1)将钛合金棒材进行加热、斜轧穿孔和定径，在线快冷，得到管坯；
(2)将管坯进行第一热处理、机加，得到去除氧化层的管坯；
(3)将去除氧化层的管坯进行至少一道次冷加工，得到冷加工态壳体；当冷加工的道次数≥2时，两道次冷加工之间进行一次第二热处理或连续两道次冷加工之后进行一次第二热处理或不进行第二热处理；
(4)将冷加工态壳体进行成品热处理，得到钛合金薄壁壳体。
本发明选用适于冷加工的钛合金棒材，采用斜轧穿孔+热轧/定径制备钛合金管坯，然后机加工去除内外表面氧化层，最后经过冷轧或冷轧+旋压或直接旋压的方式制备薄壁高强钛合金壳体。斜轧穿孔+热轧/定径制坯可以节约材料、降低成本、提高生产效率。在线水冷可以得到细的片层组织，有利于后续加工破碎组织。穿孔后的管坯再进行机加，可以起到去除管坯表面氧化层、规整管坯尺寸精度的作用。冷轧+旋压或直接冷轧或直接冷旋压可以得到高尺寸精度的薄壁壳体。本发明的方法可实现高强钛合金薄壁壳体的高效、低成本、高精度制备。
在一些优选的实施例中，所述钛合金棒材为TC16钛合金棒材、Ti344钛合金棒材或Ti3441钛合金棒材。其中，Ti344、Ti3441或TC16钛合金棒材均是适于冷加工的高强钛合金棒材。
在一些优选的实施例中，所述钛合金棒材进行加热的加热温度为950～980℃；对钛合金棒的加热温度，举例如，950℃、955℃、960℃、965℃、970℃、975℃、980℃等。
所述钛合金棒材进行加热的加热时间根据以下公式计算：
T＝0.8D～(0.8D+120)；
其中，T为加热时间，min；D为钛合金棒材的直径，mm。0.8是加热时间与钛合金棒材直径的比值系数，也即在相同加热温度下，加热时间随钛合金棒材直径变化的比值系数。
在一些优选的实施例中，所述第一热处理是将管坯加热至800℃，保温1h，固溶后冷却至550℃，然后进行空冷。第一热处理在固溶保温后随炉冷却至550℃，出炉空冷。
在一些优选的实施例中，所述第二热处理是在700～800℃保温1～2h进行真空热处理。第二热处理在保温结束后随炉冷却至室温出炉。对热处理温度，举例如，750℃、755℃、760℃、765℃、770℃、775℃、780℃、785℃、790℃、795℃、800℃等。
在一些优选的实施例中，所述一次道次变形量为45％～75％；第一热处理与所述第二热处理之间的累积变形量或第二热处理与成品热处理之间的累积变形量为45％～80％。
在一些优选的实施例中，所述冷加工为冷轧和/或冷旋压。也即冷加工为旋压、冷轧或冷轧+冷旋压或冷旋压+冷轧。当冷加工的道次数≥2时，两道次冷加工之间进行一次第二热处理；或，连续两道次冷加工之后进行一次第二热处理；或，连续两道次冷加工之后不进行第二热处理；
两道次冷加工之间进行一次第二热处理，举例如，冷加工为两道次旋压时，两道次旋压之间进行第二热处理；冷加工为两道次冷轧时，两道次冷轧之间进行第二热处理；冷加工为一道次冷轧和一道次旋压时，一道次冷轧和一道次旋压之间进行第二热处理；冷加工为三道次冷轧时，三道次冷轧之间进行两次第二热处理，例如，第一道次冷轧和第二道次冷轧之后分别进行一次第二热处理；冷加工为三道次旋压时，三道次旋压之间进行两次第二热处理，例如，第一道次冷旋压和第二道次冷旋压之后分别进行一次第二热处理；冷加工为两道次冷轧和一道次旋压时，第一道次冷轧和第二道次冷轧之后分别进行第二热处理。
连续两道次冷加工之后进行一次第二热处理，举例如，冷加工为两道次旋压时，两道次旋压之间不进行第二热处理，直接在第二道次旋压完成后进行成品热处理；例如，冷加工为两道次冷轧时，两道次冷轧之间不进行第二热处理，直接在第二道次冷轧完成后进行成品热处理；冷加工为一道次冷轧和一道次旋压时，一道次冷轧和一道次旋压之间不进行第二热处理，直接在第二道次旋压完成后进行成品热处理；冷加工为三道次冷轧时，两道次冷轧后进行一次第二热处理，或第一冷轧后进行一次第二热处理，第二道次冷轧完不进行第二热处理，直接在第三道次冷轧后进行成品热处理；冷加工为三道次旋压时，两道次冷旋压后进行一次第二热处理，或第一冷旋压后进行一次第二热处理，第二道次冷旋压后不进行第二热处理，直接在第三道次冷旋压后进行成品热处理；冷加工为两道次冷轧和一道次旋压时，第一道次冷轧和第二道次冷轧之后分别进行第二热处理。
在一些优选的实施例中，所述成品热处理为真空热处理，真空热处理的条件是在750～800℃保温2～3h，之后在或550～750℃保温2～3h。具体为：800℃保温2～3h，之后在550℃保温2～3h或者是750℃保温2～3h。对于保温时间2～3h，举例如，2h、2.5h、3h等。当然，也可以是800℃保温2～3h，之后550℃保温2～3h或者是600℃保温2～3h或者是650℃保温2～3h或者是700℃保温2～3h或者是750℃保温2～3h。所述成品热处理之前还包括将冷加工态壳体置于定型模具内，配置为对冷加工态壳体进行固定；所述成品热处理之后，还包括进行快冷。本发明在进行成品热处理时，需要用定型模具将壳体进行固定，防止薄壁壳体热处理过程发生变形。成品热处理在保温结束后壳体立即推入冷却室进行快冷。
本发明的第二方面
本发明的第二方面提供一种钛合金薄壁壳体，采用第一方面所述的制备方法制备得到。
在一些优选的实施例中，所述钛合金薄壁壳体是壁厚≤10mm、径厚比≥50的等径、等壁厚的壳体；冷加工态壳体经热处理后，所述钛合金薄壁壳体的抗拉强度≥1000MPa，延伸率≥8％。
本发明所述的薄壁壳体是壁厚≤10mm，径厚比≥50的非等径、非等壁的壳体。冷加工态壳体经热处理后，所述钛合金薄壁壳体的抗拉强度≥1000MPa，延伸率≥8％。
下面结合实施例对本发明提供的一种薄壁钛合金壳的制备方法做进一步详细描述。
下述各实施例中，TC16钛合金棒材的成分为Ti-3Al-5Mo-4.5V，简写为TC16；Ti344钛合金棒材成分为Ti-3Al-4V-4Mo-0.5Cr-0.4Fe钛合金棒材，简写为Ti344；Ti3441钛合金棒材成分为Ti-3Al-4V-4Mo-1Nb-0.5Cr-0.4Fe钛合金棒材，简写为Ti3441。本发明选用的Ti344、Ti3441或TC16钛合金棒材均是适于冷加工的高强钛合金棒材。
下述各实施例中所述方法如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可在市场上购买得到。
实施例1
一种钛合金薄壁壳体的制备方法，包括以下步骤：
将Φ200mm的Ti344钛合金棒材在980℃进行加热，保温160～280min；出炉后进行斜轧穿孔和热连轧/定径，斜轧穿孔开始温度不低于900℃，穿孔过程温升不超过980℃，穿孔结束温度不低于800℃。在线水冷，得到Φ外径145×Φ内径124mm的管坯。
将管坯进行第一热处理，第一热处理的具体操作为：在800℃保温1h，炉冷至550℃后出炉进行空冷。管坯下料后机加，以去除氧化层，得到Φ内径120×9mm的去除氧化层的管坯。
将去除氧化层的管坯进行2道次旋压，Φ内径120×9mm→Φ内径120×4mm→Φ内径120×(1.0～1.8)mm，2道次旋压均为冷加工，得到Φ内径120×(1.0～1.8)mm的冷加工态变壁厚的Ti344钛合金壳体。两道次旋压之间进行第二热处理，第二热处理的具体操作为750℃保温2h进行真空热处理，保温结束后随炉冷却。
对Φ内径120×(1.0～1.8)mm冷加工态Ti344钛合金壳体进行成品热处理，成品热处理的具体操作为800℃保温2h进行真空热处理，保温结束后立即将得到的薄壁壳体推入冷却室进行快冷，之后在550℃保温3h进行真空热处理，保温结束后立即将得到的薄壁壳体推入冷却室进行快冷，得到成品钛合金薄壁壳体。所述钛合金薄壁壳体为Φ内径120×(1.0～1.8)mm的Ti344钛合金壳体，其外径、壁厚不等，内径相等。见图1。
本实施例制备的Ti344钛合金壳体的力学性能如下：Rm＝1025MPa，Rp0.2＝930MPa，A＝12％。
实施例2
一种钛合金薄壁壳体的制备方法，包括以下步骤：
将Φ160mm的Ti3441钛合金棒材在950℃进行加热，保温128～248min，出炉后进行斜轧穿孔和热连轧/定径，在线水冷，得到Φ外径122×Φ内径96mm的管坯。
将管坯进行第一热处理，第一热处理的具体操作为：在800℃保温1h，炉冷至550℃后出炉进行空冷。管坯下料后机加，以去除氧化层，得到Φ外径120×10mm的去除氧化层的管坯。
将去除氧化层的管坯进行3道次冷轧，Φ外径120×10mm→Φ外径103×5mm→Φ外径93×2mm→Φ外径90×0.8mm，得到Φ外径90×0.8mm冷加工态的薄壁Ti3441钛合金壳体。第一道次冷轧后的半成品管材进行第二热处理，第二热处理的具体操作为700℃保温2h真空热处理，保温结束后随炉冷却；第二道次冷轧后的半成品壳体进行第二热处理，第二热处理的具体操作为750℃保温1h真空热处理，保温结束后随炉冷却。
对Φ外径90×0.8mm的冷加工态壳体进行成品热处理，成品热处理的具体操作为750℃保温3h真空热处理，保温结束后立即将薄壁壳体推入冷却室进行快冷，之后再进行550℃保温3h真空热处理，保温结束后立即将薄壁壳体推入冷却室进行快冷，得到成品钛合金薄壁壳体。所述钛合金薄壁壳体为Φ外径90×0.8mm的Ti3441钛合金壳体，其外径壁厚相等，内径相等。
本实施例制备的Ti3441钛合金壳体的力学性能如下：Rm＝1065MPa，Rp0.2＝995MPa，A＝10％。
实施例3
一种钛合金薄壁壳体的制备方法，包括以下步骤：
将Φ550mm的Ti344钛合金棒材在960℃进行加热，保温520～640min，出炉后进行斜轧穿孔和热连轧/定径，在线水冷，得到Φ外径645×Φ内径596mm管坯。
将管坯进行第一热处理，第一热处理的具体操作为：在800℃保温1h，炉冷至550℃后出炉进行空冷。管坯下料后机加，以去除氧化层，得到Φ内径600×20mm的去除氧化层的管坯。
将去除氧化层的管坯进行2道次冷旋压，Φ内径600×20mm→Φ内径370×12mm→Φ内径600×(5～8)mm，得到Φ内径600×(5～8)mm的冷加工态变壁厚的Ti344钛合金壳体。
对冷加工态Φ内径600×(5～8)mm变壁厚的Ti344钛合金壳体进行成品热处理，成品热处理的具体操作为550℃保温3h进行真空热处理，保温结束后立即将钛合金薄壁壳体推入冷却室进行快冷，得到成品钛合金薄壁壳体。所述钛合金薄壁壳体为Φ内径600×(5～8)mm的Ti344的钛合金壳体。
本实施例制备的Ti344钛合金壳体的力学性能如下：Rm＝1090MPa，Rp0.2＝985MPa，A＝9％。
实施例4
一种钛合金薄壁壳体的制备方法，包括以下步骤：
将Φ450mm的TC16钛合金棒材在970℃进行加热，保温360～480min，出炉后进行斜轧穿孔和热连轧/定径，在线水冷，得到Φ外径410×Φ内径365mm的管坯。
将管坯进行第一热处理，第一热处理的具体操作为：在800℃保温1h，炉冷至550℃后出炉进行空冷。管坯下料后机加，以去除氧化层，得到Φ内径370×18mm的去除氧化层的管坯。
将去除氧化层的管坯进行2道次次冷旋压，Φ内径370×18mm→Φ内径370×10mm→Φ内径370×4mm，得到Φ内径370×4mm的TC16钛合金壳体。
对Φ内径370×4mm的TC16钛合金壳体进行成品热处理，成品热处理的具体操作为600℃保温3h进行真空热处理，保温结束后立即将钛合金薄壁壳体推入冷却室进行快冷，得到成品钛合金薄壁壳体。钛合金薄壁壳体为Φ内径370×4mm的TC16钛合金壳体。
本实施例制备的TC16钛合金壳体的力学性能如下：Rm＝1050MPa，Rp0.2＝945MPa，A＝9％。
实施例5
一种钛合金薄壁壳体的制备方法，包括以下步骤：
将Φ200mm的Ti3441钛合金棒材在965℃进行加热，保温120～240min；出炉后进行斜轧穿孔和热连轧/定径，在线水冷，得到Φ外径152×Φ内径120mm的管坯。
将管坯进行第一热处理，第一热处理的具体操作为：在800℃保温1h，炉冷至550℃后出炉进行空冷。管坯下148料后机加，以去除氧化层，得到Φ外径148×12mm的去除氧化层的管坯。
将去除氧化层的管坯进行1道次冷轧+2道次冷旋压，Φ外径148×12mm冷轧→Φ外径120×6mm冷旋压→Φ内径108×3mm→Φ内径108×1.25mm，得到Φ内径108×1.25mm的冷加工态Ti3441钛合金等径、等壁厚薄壁壳体。冷轧之后进行第二热处理，第二热处理的具体操作为800℃保温1.5h真空热处理，保温结束后随炉冷却。
对Φ内径108×1.25mm冷加工态壳体进行成品热处理，成品热处理的具体操作为750℃保温2h真空热处理，保温结束后立即将薄壁壳体推入冷却室进行快冷；之后再进行700℃保温3h真空热处理，保温结束后立即将薄壁壳体推入冷却室进行快冷。所述钛合金薄壁壳体为Φ内径108×1.25mm的Ti3441钛合金壳体，其外径壁厚相等。
本实施例制备的Ti3441钛合金壳体的力学性能如下：Rm＝1130MPa，Rp0.2＝980MPa，A＝8％。
实施例6
一种钛合金薄壁壳体的制备方法，包括以下步骤：
将Φ100mm的TC16钛合金棒材在975℃进行加热，保温64～184min；出炉后进行斜轧穿孔和热连轧/定径，在线水冷，得到Φ外径104×Φ内径80mm的管坯。
将管坯进行第一热处理，第一热处理的具体操作为：在800℃保温1h，炉冷至550℃后出炉进行空冷。管坯下料后机加，以去除氧化层，得到Φ外径100×8mm的去除氧化层的管坯。
将去除氧化层的管坯进行1次冷轧和2道次冷旋压：Φ外径100×8mm冷轧→Φ外径85×5mm冷旋压→Φ内径75×2.5mm冷旋压→Φ内径75×1.2mm，得到Φ外径77.4×1.2mm的TC16钛合金薄壁壳体。冷轧之后进行第二热处理，第二热处理的具体操作为780℃保温1h进行真空热处理，保温结束后随炉冷却。
对Φ外径77.4×1.2mm冷加工态壳体进行成品热处理，成品热处理的具体操作为750℃保温2h进行真空热处理，保温结束后立即将得到的薄壁壳体推入冷却室进行快冷，得到成品钛合金薄壁壳体。所述钛合金薄壁壳体为Φ外径77.4×1.2mm的TC16钛合金壳体。
本实施例制备的TC16钛合金壳体的力学性能如下：Rm＝1000MPa，Rp0.2＝930MPa，A＝11％。
对比例1
TB2钛合金筒形件旋压变形组织性能的研究：
采用真空自耗电弧炉二次熔炼法得到直径为380mm的TB2合金铸锭，将铸锭锻造为Φ200棒材，锻棒经线切割去除内芯直接机加为Φ153×12mm管坯，再进行790℃/30min固溶处理，接着进行热旋压，热旋压加热温度＞700℃，道次减薄率20～30％，累计减薄率50％，热旋压后再进行790℃/30min固溶处理，接着冷旋压，冷旋压的减薄率为20～40％，冷旋压后进行790℃/30min固溶空冷+520℃/8h时效，抗拉强度为1240MPa，屈服强度1180MPa，延伸率为12％。
或将棒材固溶热处理后去除内芯后在1020℃挤压为Φ外180×Φ内150mm的管坯，再进行790℃/30min固溶处理，接着进行热旋压，热旋压加热温度≥700℃，道次减薄率20～30％，累计减薄率50％，热旋压后再进行790℃/30min固溶处理，接着冷旋压，冷旋压的减薄率为30～50％。
减薄率的计算公式如下：
减薄率＝[(变形前的壁厚-变形后的壁厚)/变形前的壁厚]×100％。
对比例2
TB2钛合金壳体冷轧加工组织和性能研究：
采用真空自耗电弧炉二次熔炼法得到直径为380mm的TB2合金铸锭，将铸锭加热1050℃，经开坯、锻造或轧制等工序得到截面为55×55热轧棒材，再经斜轧穿孔试验得到中Φ外55×Φ内43.5mm的冷轧管坯，将管坯经790℃/30min退火、喷砂等处理，得到外径54mm，壁厚5.25mm的冷轧管坯，经6道次冷轧得到中Φ外43×Φ内35的冷轧壳体。冷轧态壳体抗拉强度为1005MPa，延伸率为8％。710℃/30min固溶空冷+520℃/8h时效后，抗拉强度为1245MPa，延伸率为8％。
对比例3
发明专利：1200MPa级Ti-4Mo-3Cr-1Fe钛合金薄壁圆筒的室温旋压成形方法主要是以1200MPa级Ti-4Mo-3Cr-1Fe钛合金进行室温旋压，制备薄壁圆筒。
首先对Ti-4Mo-3Cr-1Fe钛合金旋压毛坯进行750℃×40min/水冷
+650℃×2h/水冷双级固溶处理，使其达到强塑性匹配的最佳状态，再进行三道次的错矩反向旋压成形。第一道次旋压时主轴转速为56r/min，进给速度为25～30mm/r，第一道次旋压减薄率为20～25％，第一道次旋压后毛坯进行650℃/40min真空去应力退火。第二道次旋压时主轴转速为60r/min，进给速度为25～30mm/r，第二道次旋压减薄率为35～45％，第二道次旋压后毛坯进行650℃/40min真空去应力退火。第三道次旋压时主轴转速为60r/min，进给速度为45～55mm/r，第三道次旋压减薄率为35～45％，最终实现了高强钛合金薄壁圆筒的高精度旋压成形。
对比例3的方法得到的钛合金薄壁旋压圆筒的圆度≤0.5，直线度≤0.5，旋压圆筒经过固溶时效后(固溶时效的制度未提及)，抗拉强度Rm≥1200MPa，延伸率A≥6％。
对上述各实施例提供的制备方法制备的钛合金薄壁壳体进行测试。
1、实施例1的Ti344钛合金薄壁壳体的尺寸见表1。
表1实施例1的Ti344钛合金薄壁壳体的尺寸
| 外径(mm) | 内径(mm) | 壁厚(mm) | |
| 台阶处 | 123.6-0.08 +0.14 | 120-0.10 +0.15 | 1.8-0.03 +0.04 |
| 非台阶处 | 122-0.12 +0.13 | 120-0.10 +0.15 | 1.0-0.03 +0.03 |
2、实施例2的Ti3441钛合金薄壁壳体的尺寸见表2。
表2实施例2的Ti3441钛合金薄壁壳体的尺寸
| 外径(mm) | 内径(mm) | 壁厚(mm) | |
| 头端 | 90-0.03 +0.04 | 88.4-0.05 +0.04 | 0.8-0.05 +0.05 |
| 中间 | 90-0.03 +0.03 | 88.4-0.04 +0.05 | 0.8-0.04 +0.07 |
| 尾端 | 90-0.03 +0.03 | 88.4-0.04 +0.05 | 0.8-0.06 +0.07 |
3、实施例3的Ti344钛合金薄壁壳体的尺寸见表3。
表3实施例2的Ti344钛合金薄壁壳体的尺寸
| 外径(mm) | 内径(mm) | 壁厚(mm) | |
| 台阶处 | 616-0.14 +0.15 | 600-0.15 +0.15 | 8-0.06 +0.14 |
| 非台阶处 | 610-0.15 +0.15 | 600-0.15 +0.15 | 5-0.08 +0.12 |
4、实施例4的TC16钛合金薄壁壳体的尺寸见表4。
表4实施例4的TC16钛合金薄壁壳体的尺寸
| 外径(mm) | 内径(mm) | 壁厚(mm) | |
| 头端 | 378-0.13 +0.08 | 370-0.15 +0.14 | 4-0.08 +0.10 |
| 中间 | 378-0.13 +0.07 | 370-0.14 +0.15 | 4-0.10 +0.09 |
| 尾端 | 378-0.14 +0.08 | 370-0.14 +0.15 | 4-0.10 +0.09 |
5、实施例5的Ti3441钛合金薄壁壳体的尺寸见表5。
表5实施例5的Ti3441钛合金薄壁壳体的尺寸
| 外径(mm) | 内径(mm) | 壁厚(mm) | |
| 头端 | 110.5-0.03 +0.06 | 108-0.05 +0.06 | 1.25-0.06 +0.07 |
| 中间 | 110.5-0.04 +0.06 | 108-0.04 +0.06 | 1.25-0.05 +0.08 |
| 尾端 | 110.5-0.05 +0.05 | 108-0.04 +0.07 | 1.25-0.06 +0.09 |
6、实施例6的TC16钛合金薄壁壳体的尺寸见表6。
表6实施例6的TC16钛合金薄壁壳体的尺寸
| 外径(mm) | 内径(mm) | 壁厚(mm) | |
| 头端 | 77.4-0.03 +0.02 | 75-0.02 +0.02 | 1.2-0.0 +0.03 |
| 中间 | 77.4-0.02 +0.03 | 75-0.02 +0.02 | 1.2-0.02 +0.03 |
| 尾端 | 77.4-0.03 +0.03 | 75-0.03 +0.02 | 1.2-0.03 +0.02 |
7、实施例1～2和实施例5～6在第一热处理与第二次加热之间的累积变形量见表7。
表7第一热处理与第二热处理及累积变形量
注：第二热处理a和第二热处理b均是在多道次冷加工之间进行的第二热处理。
累积变形量c为冷变形一道次后未进行第二热处理，接着又进行一次冷变形，两道次冷变形的累积变形量。
累积变形量的计算公式如下：
累积变形量＝[(变形前的截面积-两道次变形后截面积)/变形前的截面积]×100％。
由表7结果可以看出，实施例1～2和实施例5～6在第一热处理与第二热处理之间的累积变形量在45％～80％，一道次变形量为45％～75％。
8、实施例1～6制备的钛合金薄壁壳体的壁厚和径厚比，见表6。
表8实施例1～6制备的钛合金薄壁壳体的壁厚和径厚比
| 实施例 | 钛合金牌号 | 壁厚1 | 径厚比1 | 壁厚2 | 径厚比2 |
| 实施例1 | Ti344 | 1.8 | 68.7 | 1 | 122 |
| 实施例2 | Ti3441 | 0.8 | 112.5 | - | - |
| 实施例3 | Ti344 | 8 | 77 | 5 | 122 |
| 实施例4 | TC16 | 4 | 94.5 | - | - |
| 实施例5 | Ti3441 | 1.25 | 110 | - | - |
| 实施例6 | TC16 | 1.2 | 64.5 | - | - |
注：壁厚1表示最大壁厚，径厚比1表示最大壁厚处的径厚比；壁厚2表示最小壁厚，径厚比2表示最小壁厚处的径厚比。
由表8结果可以看出，实施例1～6制备的钛合金薄壁壳体的壁厚≤10mm，径厚比≥50。其中，实施例1～2和实施例5～6制备的钛合金薄壁壳体的壁厚在0.8～1.8mm，径厚比在64～122。
9、实施例1～6制备的钛合金薄壁壳体的力学性能测试结果见表9。
表9实施例1～6制备的钛合金薄壁壳体的力学性能测试结果
| 钛合金 | 规格(mm) | Rm(MPa) | Rp0.2(MPa) | A(％) | |
| 实施例1 | Ti344 | Φ内径120×(1.0～1.8) | 1025 | 930 | 12 |
| 实施例2 | Ti3441 | Φ外径90×0.8 | 1065 | 995 | 10 |
| 实施例3 | Ti344 | Φ内径600×(5～8) | 1090 | 985 | 9 |
| 实施例4 | TC16 | Φ内径370×4 | 1050 | 945 | 9 |
| 实施例5 | Ti3441 | Φ内径108×1.25 | 1130 | 980 | 8 |
| 实施例6 | TC16 | Φ内径75×1.2 | 1000 | 930 | 11 |
| 对比例1 | TB2 | - | 1240 | 1180 | 12 |
| 对比例2 | TB2 | - | 1245 | - | 8 |
| 对比例3 | Ti-4Mo-3Cr-1Fe | - | ≥1200 | - | ≥6 |
注：Rm表示抗拉强度，MPa；Rp0.2表示屈服强度，MPa；A表示延伸率，％。
由表9结果可以看出，本发明实施例1～2及实施例5～6的方法制备的钛合金薄壁壳体，壁厚在0.8～1.8mm，径厚比在64～122，且具有较好的力学性能，其抗拉强度在1000～1130MPa，延伸率在8～12％。可见，本发明制备的钛合金薄壁壳体的抗拉强度≥1000MPa，延伸率≥8％。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种钛合金薄壁壳体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将钛合金棒材进行加热、斜轧穿孔和定径，在线水冷，得到管坯；
将管坯进行第一热处理、机加，得到去除氧化层的管坯；
将去除氧化层的管坯进行至少一道次冷加工，得到冷加工态壳体；
当冷加工的道次数≥2时，两道次冷加工之间进行一次第二热处理；或，连续两道次冷加工之后进行一次第二热处理；或，连续两道次冷加工之后不进行第二热处理；
将冷加工态壳体进行成品热处理，得到钛合金薄壁壳体。
2.根据权利要求1所述的钛合金薄壁壳体的制备方法，其特征在于，所述钛合金棒材为TC16钛合金棒材、Ti344钛合金棒材或Ti3441钛合金棒材。
3.根据权利要求1所述的钛合金薄壁壳体的制备方法，其特征在于，所述钛合金棒材进行加热的加热温度为950～980℃，加热时间根据以下公式计算：
T＝0.8D～(0.8D+120)；
其中，T为加热时间，min；D为钛合金棒材的直径，mm。
4.根据权利要求1所述的钛合金薄壁壳体的制备方法，其特征在于，所述第一热处理是将管坯加热至800℃，保温1h后随炉冷却至550℃，然后出炉进行空冷。
5.根据权利要求1所述的钛合金薄壁壳体的制备方法，其特征在于，所述第二热处理是在700～800℃保温1～2h进行真空热处理，保温结束后随炉冷却至室温出炉。
6.根据权利要求1所述的钛合金薄壁壳体的制备方法，其特征在于，所述冷加工为冷轧和/或冷旋压。
7.根据权利要求1所述的钛合金薄壁壳体的制备方法，其特征在于，所述一道次变形量为45％～75％，第一热处理与所述第二热处理之间的累积变形量或第二热处理与成品热处理之间的累积变形量为45％～80％。
8.根据权利要求1所述的钛合金薄壁壳体的制备方法，其特征在于，所述成品热处理为真空热处理，真空热处理的条件是在750～800℃保温2～3h，之后在550～750℃保温2～3h；
所述成品热处理之前还包括将冷加工态壳体置于定型模具内，靠模具为对冷加工态壳体进行固定；
所述成品热处理保温结束后要进行快冷。
9.一种钛合金薄壁壳体，其特征在于，采用权利要求1～8中任意一项所述的制备方法制备得到。
10.根据权利要求9所述的钛合金薄壁壳体，其特征在于，所述钛合金薄壁壳体的壁厚≤10mm，径厚比≥50，抗拉强度≥1000MPa，延伸率≥8％。
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