專利名稱：：一種大尺寸薄壁鈦合金筒形件制造方法及筒形模具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及鈦合金筒形件的制造方法，具體涉及一種大尺寸薄壁鈦合金筒形件的制造方法及筒形模具。技術(shù)背景各種尺寸的鈦合金筒形件在軍、民品上均有廣泛用途。由于鈦合金強(qiáng)度高、熱變形困難，因此鈦合金筒形件加工成形非常困難，尤其是大尺寸、大長徑比、薄壁產(chǎn)品。該類型產(chǎn)品傳統(tǒng)的制造技術(shù)主要有鑄造、鍛造、滾彎焊接等。用鑄造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)某些大尺寸薄壁筒形件的成形，但受方法本身的限制，其生產(chǎn)的產(chǎn)品材料性能較低、且有疏松、縮孔、偏析等缺陷，且無法通過后續(xù)處理完全消除這些缺陷，因此鑄造產(chǎn)品在要求較高的產(chǎn)品上無法使用，如壓力容器、氣密性構(gòu)件、部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件等。用鍛造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高性能產(chǎn)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難，尤其長徑比較大的產(chǎn)品，無法制造，即使某些尺寸產(chǎn)品可以鍛出來，其壁厚一般很大，材料浪費(fèi)嚴(yán)重，成本昂貴。用滾彎焊接的方法制造大尺寸薄壁鈦合金筒形件產(chǎn)品尺寸精度不好，有縱向焊縫，不是整體性產(chǎn)品，對后續(xù)的焊接等工藝有較大影響，難以在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性要求高的壓力容器等產(chǎn)品上使用。因此，用傳統(tǒng)技術(shù)制造大尺寸薄壁鈦合金筒形件均存在明顯的缺點(diǎn)鑄造技術(shù)成形能力較強(qiáng)，成本較低，但性能差產(chǎn)品缺陷多；鍛造技術(shù)制備的產(chǎn)品材料性能好，但成形能力有限、成本高；滾彎焊接產(chǎn)品精度差，可靠性低。用傳統(tǒng)技術(shù)難以制備同時具有高性能無缺陷、大尺寸薄壁、大長徑比、高精度、低成本等要求的鈦合金筒形件。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種低成本，高性能，適用于外徑在200800mm、高在3001000mm、壁厚在1.510mm的大尺寸薄壁鈦合金筒形件制造方法及筒形模具。本發(fā)明所述的一種大尺寸薄壁鈦合金筒形件制造方法，其按如下步驟進(jìn)行(1)原料粉選擇選擇粒徑在45pm25(^m混合粒度的鈦合金球形粉；(2)裝粉及封裝在振動條件下將鈦合金球形粉裝入筒形模具中，裝滿后，除氣，在真空條件下封焊筒形模具，模具內(nèi)真空度高于4X10—卞a;(3)熱等靜壓將封裝好的筒形模具進(jìn)行熱等靜壓處理，溫度為8501000°C，壓力為80120MPa，保溫時間為0.54h;(4)筒形件毛坯及加工熱等靜壓后，脫模，得到筒形件毛坯；對筒形件毛坯進(jìn)行精加工，得到需要尺寸的鈦合金筒形件產(chǎn)品。如上所述的一種大尺寸薄壁鈦合金筒形件制造方法，其所述的鈦合金球形粉的粒徑分布范圍為，粒徑在180nm25(Him《50%，粒徑在150|om180}xm》10%，粒徑在45(im150^m》15X。如上所述的一種大尺寸薄壁鈦合金筒形件制造方法，其所述的鈦合金球形粉可采用TC4、TA7、TA15或TC11鈦合金球形粉。如上所述的一種大尺寸薄壁鈦合金筒形件制造方法，其所述的封焊筒形模具采用氬弧焊、電焊或氣焊。本發(fā)明所述的一種用于大尺寸薄壁鈦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內(nèi)包套，由外包套和內(nèi)包套形成裝填鈦合金粉的空腔，在內(nèi)包套內(nèi)設(shè)有筒形的定形模；在裝填鈦合金粉的空腔的頂端和底端分別固定有封裝該空腔的上包套蓋和下包套蓋；在上包套蓋上還設(shè)有除氣管。如上所述的一種用于大尺寸薄壁鈦合金筒形件制造的筒形模具，其在上包套蓋下方設(shè)有墊片。如上所述的一種用于大尺寸薄壁鈦合金筒形件制造的筒形模具，其外包套、內(nèi)包套及定形模均采用碳鋼或不銹鋼制成。本發(fā)明的效果在于本發(fā)明所述的大尺寸薄壁鈦合金筒形件的制造方法，可制造低成本，高性能，適用于外徑在200800mm、高在3001000mm、壁厚在1.510mm的大尺寸薄壁鈦合金筒形件。本發(fā)明選用了合適的原料粉及熱等靜壓參數(shù)，所制造的鈦合金材料性能優(yōu)良(達(dá)到了不低于鍛件的水平)、缺陷控制良好、產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性好，可制備各種鈦合金牌號的產(chǎn)品，僅產(chǎn)品尺寸受熱等靜壓機(jī)大小的限制。本發(fā)明所述的筒形模具對內(nèi)外包套、定形模結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)及配裝，從而實(shí)現(xiàn)了大尺寸薄壁鈦合金筒形件的近凈形成形，尺寸控制良好，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的低成本制造。由于實(shí)現(xiàn)了近凈形成形，粉末鈦合金筒形件毛坯壁厚較小，成本低。用這種方法制造筒形件不受長徑比限制。本發(fā)明與傳統(tǒng)的幾種制造方法不同，可以同時實(shí)現(xiàn)高性能無缺陷、大尺寸薄壁、大長徑比、高精度、低成本等要求，在制造用于關(guān)鍵件、重要件的大尺寸薄壁鈦合金筒形件領(lǐng)域里有獨(dú)到的優(yōu)勢。如制造一種尺寸為O600X2X800mm(外徑X壁厚X高)的粉末鈦合金筒形件，按GJB1580A-2004(變形金屬超聲檢驗(yàn)方法)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行超聲無損探傷，可達(dá)到AA級甚至更高的高標(biāo)準(zhǔn)，這說明粉末鈦合金筒形件內(nèi)部缺陷控制非常好。材料性能優(yōu)良，超過相應(yīng)鈦合金牌號鍛件標(biāo)準(zhǔn)，以TC4和TC11為例，粉末鈦合金材料室溫典型性能見表1。表1粉末鈦合金室溫典型性能<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>圖1一種大尺寸薄壁鈦合金筒形件;圖2—種用于大尺寸薄壁鈦合金筒形件制造的筒形模具結(jié)構(gòu)示意圖；圖中l(wèi).外包套；2.內(nèi)包套；3.定形模；4.上包套蓋；5.墊片；6.除氣管;7.裝填鈦合金粉的空腔；8.下包套蓋。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明所述的一種大尺寸薄壁鈦合金筒形件的制造方法及筒形模具。實(shí)施例1如圖l所示，制造一種尺寸為①600X2X800mm(外徑X壁厚X高)的TC4鈦合金筒形件，采用本發(fā)明所述的一種大尺寸薄壁鈦合金筒形件的制造方法及筒形模具。如圖2所示，所采用的模具包括筒形的外包套1和筒形的內(nèi)包套2，由外包套1和內(nèi)包套2形成裝填鈦合金粉的空腔7，在內(nèi)包套2內(nèi)設(shè)有筒形的定形模3;在裝填鈦合金粉的空腔7的頂端和底端分別固定有封裝該空腔的上包套蓋4和下包套蓋8;在上包套蓋4上設(shè)有除氣管6，在上包套蓋4下方設(shè)有墊片5。上述外包套1、內(nèi)包套2及定形模3均采用碳鋼制成。具體制造步驟如下(1)原料粉選擇選用45jim250Mm粒徑范圍內(nèi)混合粒度的TC4鈦合金球形粉，其中粒徑在181nm250nm占總量的30%，粒徑在151pm180拜占總量的55%，粒徑在45拜150阿占總量的15%。選用成分合格及合適粒度的粉料，是滿足產(chǎn)品性能要求的基礎(chǔ)，而且粉料合理的粒度分布可使粉末在裝填過程中得到較高的松裝密度，從而有利于控制產(chǎn)品的形變。(2)裝粉及封裝在振動條件下將鈦合金粉裝入由外包套1和內(nèi)包套2形成裝填鈦合金粉的空腔7中，裝滿后，通過除氣管6除氣，在真空條件下采用氬弧焊封焊上包套蓋4，空腔7內(nèi)真空度高于4X10—2Pa。由于粉末冶金過程是粉末材料的致密化過程，在這一致密化過程中粉末要收縮，伴隨著粉末的收縮，包套也要隨之收縮，因此包套的設(shè)計(jì)要考慮收縮的問題。本發(fā)明筒形模具中所用的定形模3是為了控制包套向內(nèi)收縮的尺寸，通過定形模3控制筒形件毛坯的內(nèi)徑，這樣易于實(shí)現(xiàn)對大尺寸薄壁筒形件徑向尺寸的控制。本發(fā)明所述的筒形模具中定形模3和內(nèi)包套2之間先裝配，然后再焊封筒形模具，這樣定形模3和內(nèi)包套2配合比較緊密。內(nèi)外包套及定形模通過滾彎焊接、機(jī)械加工等方法制造，材料可選用碳鋼、不銹鋼等。(3)熱等靜壓將上述封裝好的鈦合金粉的筒形模具進(jìn)行熱等靜壓處理，TC4鈦合金粉熱等靜壓參數(shù)溫度在850。C，壓力在80MPa，保溫時間在4h。熱等靜壓過程使鈦合金粉末致密化，粉末鈦合金材料實(shí)現(xiàn)全致密，性能達(dá)到不低于鍛件的水平，缺陷控制良好，組織均勻，尺寸穩(wěn)定性好。(4)筒形件毛坯及加工熱等靜壓后，去除內(nèi)外包套即得到筒形件毛坯，再根據(jù)圖紙的要求進(jìn)行精加工，即制造出低成本高性能、大尺寸薄壁鈦合金筒形件產(chǎn)品。實(shí)施例2制造一種尺寸為①200X1.5X300mm(外徑X壁厚X高)的TA7大尺寸薄壁筒形件，采用如圖2所示的筒形模具，具體制造步驟如下(1)原料粉選擇選用45pm250^m粒徑范圍內(nèi)混合粒度的TA7鈦合金球形粉，其中粒徑在18lMm250pm占總量的50%，粒徑在15lMm180Mm占總量的20%,粒徑在45^m150nm占總量的30%。(2)裝粉及封裝在振動條件下將鈦合金粉裝入由外包套1和內(nèi)包套2形成裝填鈦合金粉的空腔7中，裝滿后，通過除氣管6除氣，在真空條件下采用電焊封焊上包套蓋4，空腔7內(nèi)真空度高于4X10，a。(3)熱等靜壓將上述封裝好的鈦合金粉的筒形模具進(jìn)行熱等靜壓處理，溫度在900°C，壓力在lOOMPa，保溫時間在0.5h。(4)筒形件毛坯及加工熱等靜壓后，去除內(nèi)外包套即得到筒形件毛坯，再根據(jù)圖紙的要求進(jìn)行精加工，即制造出低成本高性能、大尺寸薄壁鈦合金筒形件產(chǎn)品。實(shí)施例3制造一種尺寸為①800X10X1000mm(外徑X壁厚X高)的TC4大尺寸薄壁筒形件，具體制造步驟如下(1)原料粉選擇選用45)im250nm粒徑范圍內(nèi)混合粒度的TC4鈦合金球形粉，其中粒徑在181jim250^m占總量的30%，粒徑在151[im180(im占總量的50%，粒徑在45jim150Mm占總量的20%。(2)裝粉及封裝在振動條件下將鈦合金粉裝入筒形模具中，裝滿后，除氣，在真空條件下采用氬弧焊封焊模具，模具內(nèi)真空度高于4X10々Pa。(3)熱等靜壓將上述封裝好的鈦合金粉的筒形模具進(jìn)行熱等靜壓處理，TC4鈦合金粉熱等靜壓參數(shù)溫度在1000。C，壓力在120MPa，保溫時間在lh。(4)筒形件毛坯及加工熱等靜壓后，去除內(nèi)外包套即得到筒形件毛坯，再根據(jù)圖紙的要求進(jìn)行精加工，即制造出低成本高性能、大尺寸薄壁鈦合金筒形件產(chǎn)品。實(shí)施例4制造一種尺寸為O500X5X800mm(外徑X壁厚X高)的TC11大尺寸薄壁筒形件，采用如圖2所示的筒形模具，具體制造步驟如下(1)原料粉選擇選用45pm250Mm粒徑范圍內(nèi)混合粒度的TC11鈦合金球形粉，其中粒徑在181拜250^m占總量的20%，粒徑在151nm180jim占總量的40%，粒徑在45pm150nm占總量的40%。(2)裝粉及封裝在振動條件下將鈦合金粉裝入由外包套1和內(nèi)包套2形成裝填鈦合金粉的空腔7中，裝滿后，通過除氣管6除氣，在真空條件下采用氣焊封焊上包套蓋4，空腔7內(nèi)真空度高于4Xl(^Pa。(3)熱等靜壓將上述封裝好的鈦合金粉的筒形模具進(jìn)行熱等靜壓處理，TC4鈦合金粉熱等靜壓參數(shù)溫度在900。C，壓力在100MPa，保溫時間在2h。(4)筒形件毛坯及加工熱等靜壓后，去除內(nèi)外包套即得到筒形件毛坯，再根據(jù)圖紙的要求進(jìn)行精加工，即制造出低成本高性能、大尺寸薄壁鈦合金筒形件產(chǎn)品。實(shí)施例5制造一種尺寸為①600X2X800mm(外徑X壁厚X高)的TC11大尺寸薄壁筒形件，采用本發(fā)明所述的一種大尺寸薄壁鈦合金筒形件的制造方法及筒形模具。如圖2所示，所述的模具包括筒形的外包套1和筒形的內(nèi)包套2，由外包套1和內(nèi)包套2形成裝填鈦合金粉的空腔7，在內(nèi)包套2內(nèi)設(shè)有筒形的定形模3;在裝填鈦合金粉的空腔7的頂端和底端分別固定有封裝該空腔的上包套蓋4和下包套蓋8;在上包套蓋4上設(shè)有除氣管6，在上包套蓋4下方設(shè)有墊片5。所述的外包套l、內(nèi)包套2及定形模3均采用不銹鋼制成。具體制造步驟如下(1)原料粉選擇選用45阿250拜粒徑范圍內(nèi)混合粒度的TC11鈦合金球形粉，其中粒徑在181(jm25(Him占總量的40%，粒徑在151pm180nm占總量的25%，粒徑在45nm150jim占總量的25%。(2)裝粉及封裝在振動條件下將鈦合金粉裝入由外包套1和內(nèi)包套2形成裝填鈦合金粉的空腔7中，裝滿后，通過除氣管6除氣，在真空條件下采用氬弧焊封焊上包套蓋4，空腔7內(nèi)真空度高于4X10—2Pa。(3)熱等靜壓將上述封裝好的鈦合金粉的筒形模具進(jìn)行熱等靜壓處理，TC11鈦合金粉熱等靜壓參數(shù)溫度在95(TC，壓力在110MPa，保溫時間在3h。(4)筒形件毛坯及加工熱等靜壓后，去除內(nèi)外包套即得到筒形件毛坯，再根據(jù)圖紙的要求進(jìn)行精加工，即制造出低成本高性能、大尺寸薄壁鈦合金筒形件產(chǎn)品。權(quán)利要求1.一種大尺寸薄壁鈦合金筒形件制造方法，其按如下步驟進(jìn)行(1)原料粉選擇選擇粒徑在45μm～250μm混合粒度的鈦合金球形粉；(2)裝粉及封裝在振動條件下將鈦合金球形粉裝入筒形模具中，裝滿后，除氣，在真空條件下封焊筒形模具，模具內(nèi)真空度高于4×10-2Pa；(3)熱等靜壓將封裝好的筒形模具進(jìn)行熱等靜壓處理，溫度為850～1000℃，壓力為80～120MPa，保溫時間為0.5～4h；(4)筒形件毛坯及加工熱等靜壓后，脫模，得到筒形件毛坯；對筒形件毛坯進(jìn)行精加工，得到需要尺寸的鈦合金筒形件產(chǎn)品。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大尺寸薄壁鈦合金筒形件制造方法，其特征在于所述的鈦合金球形粉的粒徑分布范圍為，粒徑在181^im250Mm《50%，粒徑在151^111180拜>10%，粒徑在45nm150^m^l5X。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種大尺寸薄壁鈦合金筒形件制造方法，其特征在于所述的鈦合金球形粉可采用TC4、TA7、TA15或TC11鈦合金球形粉。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大尺寸薄壁鈦合金筒形件制造方法，其特征在于所述的封焊筒形模具采用氬弧焊、電焊或氣焊。5.—種用于大尺寸薄壁鈦合金筒形件制造的筒形模具，其特征在于它包括筒形的外包套(1)和筒形的內(nèi)包套(2)，由外包套(1)和內(nèi)包套(2)形成裝填鈦合金粉的空腔(7)，在內(nèi)包套(2)內(nèi)設(shè)有筒形的定形模(3);在裝填鈦合金粉的空腔(7)的頂端和底端分別固定有封裝該空腔的上包套蓋(4)和下包套蓋(8);在上包套蓋(4)上還設(shè)有除氣管(6)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于大尺寸薄壁鈦合金筒形件制造的筒形模具，其特征在于在上包套蓋(4)下方設(shè)有墊片(5)。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于大尺寸薄壁鈦合金筒形件制造的筒形模具，其特征在于所述的外包套(1)、內(nèi)包套(2)及定形模(3)均采用碳鋼或不銹鋼制成。全文摘要本發(fā)明提供一種大尺寸薄壁鈦合金筒形件制造方法，其步驟包括(1)原料粉選擇；(2)裝粉及封裝；(3)熱等靜壓；(4)筒形件毛坯及加工。本發(fā)明還提供一種用于大尺寸薄壁鈦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內(nèi)包套，由外包套和內(nèi)包套形成裝填鈦合金粉的空腔，在內(nèi)包套內(nèi)設(shè)有筒形的定形模；在裝填鈦合金粉的空腔的頂端和底端分別固定有封裝該空腔的上包套蓋和下包套蓋；在上包套蓋上還設(shè)有除氣管。本發(fā)明與傳統(tǒng)的幾種制造方法不同，可以同時滿足高性能無缺陷、大尺寸薄壁、大長徑比、高精度、低成本等要求。文檔編號B22F5/12GK101579741SQ20091014237公開日2009年11月18日申請日期2009年6月4日優(yōu)先權(quán)日2009年6月4日發(fā)明者亮王,郎澤保申請人:航天材料及工藝研究所