[发明专利]一种薄壁钛合金复杂变截面管材的成形方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种薄壁钛合金复杂变截面管材的成形方法及应用，属于材料加工技术领域。

背景技术

钛合金管材因其比强度高、耐磨损、耐腐蚀而广泛应用于航空、机械化工等领域。

随着各行业的发展，产品形式日趋多样化，薄壁异形变截面钛合金管材市场需求日趋增加。由于钛合金室温塑性较差、成形后回弹严重，传统管材成形方法(如RBE法、排辊式成型法、W反向弯曲法等)均难以在钛合金管材成形中应用，因此市场上所销售的钛合金管材绝大多数为挤压或拉拔制备的等径管。目前，制作钛合金变径管的方法主要有钣金拉深对焊工艺、圆管扩口工艺与超塑气胀工艺。

钣金拉深对焊工艺是将变径管沿中心线分割，对分割后两部分分别拉深，经激光焊或氩弧焊将两个U形件焊合。该方法对焊接工艺与工装要求极高，易发生错位或焊接变形，成品率不高；拉深工序工艺端不可避免，增加成本；拉深工序板材为不均匀减薄，最终管材壁厚均匀性差；焊缝明显可见，焊缝组织性能低于母材；不适用于大批量生产。

圆管扩口工艺是将市面所销售的钛合金圆管通过模具挤压而形成变截面异形管材的方法，但对于复杂形状异型管材难以一次成形，且壁厚分布极不均匀。

超塑气胀工艺是利用钛合金超塑性而提出的一种异形钛管成形的方法。将管材两端密封，加热至900℃以上工艺温度，通过氩气加压使管材变形。该方法获得的异形管质量很好，但成形速率极慢，不适用于大批量生产。此外，超塑气胀所得管材壁厚分布不均匀，在变形量较大位置减薄严重，易在大变形区域产生应力集中而影响管材使用寿命。因此，难以适用于对壁厚均匀性要求高的产品制造。

随着航空航天产品对飞行速度的要求越来越高，传统镁铝合金零件在高速摩擦产生的高温下极易氧化或失稳，而钛合金具有高熔点、耐磨损、高比强度等优异性能，更适合作为高速率飞行器零部件制造的材料。在飞行器内部分布着大量用于连接热交换器、燃料室、汽轮机等部件的钛合金管线，为节约飞行器内部空间，各连接管线通常根据相邻零部件位置而设计成为复杂的变截面异形管材。附图1所示的管路连接用TC4钛合金产品作为典型样件，该产品两端管径差距极大，小径端外径尺寸约34×20mm，大径端外径尺寸约48×48mm，尺寸相差近一倍，整体形状近似于变截面的椭圆形管，管径从小径端均匀增加，在距大径端口约100mm位置管径发生突变，大径端豁口用于与其他零部件配合。但是这种产品对于管材焊缝处要求极高，焊缝强度应与母材相当，且焊缝需细小或不可见。目前，对于这类管件的成形方法主要是通过钣金拉深、激光对焊工艺或超塑成形工艺，但由于工序控制繁琐、成形质量不稳定、壁厚分布不均匀、成本控制困难、加工效率不高等因素限制，难以实现大批量生产。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供了一种薄壁钛合金复杂变截面管材的成形方法，采用的技术方案如下：

本发明的目的在于提供一种薄壁钛合金复杂变截面管材的成形方法，该方法是按照变截面异形管材展开的尺寸切割钛合金板材，获得异形钛板，将异形钛板、凹模、上模安放在扩散连接设备中，加热后将芯模完全压入凹模，进给左右模具，将板材闭合成异形管材，下压上工作平台，加热至扩散焊工艺温度后进行接头扩散焊接，降温，取件获得薄壁钛合金复杂变截面管材。

所述方法，步骤如下：

1)按照变截面异形管材的展开尺寸切割钛合金板材，获得异形钛板；

2)在凹模、芯模、上模、左右模与管材接触的部位喷涂阻焊剂；

3)将异形钛板、凹模和上模安放在扩散连接设备中；

4)加热至工艺温度，通过控制芯模加载速率使板材成形，直至芯模带动异形钛板完全压入凹模；

5)进给左右模具，将板材闭合成异形管材；

6)下压上工作平台，并加热至扩散焊工艺温度，保温后进行接头扩散焊接；

7)按照既定退火工艺降温，取件获得薄壁钛合金复杂变截面管材。

优选地，步骤1)所述钛合金板材，厚度为0.2mm-0.5mm，钛合金牌号为TC4、TA15或Ti55。

优选地，步骤2)所述凹模，具有复杂变截面管材外侧形状相同的型腔；所述芯模，与复杂变截面管材内侧形状相同；所述上模，与复杂变截面管材焊缝位置曲率相同；所述左右模，具有与凹模合围形成复杂变截面管材外侧形状相同的型腔。

优选地，步骤3)所述异形钛板、凹模和上模，中心线对齐。

优选地，步骤4)所述加热，温度为200℃以下；所述芯模加载速率，为0.2mm/s-0.5mm/s。