大变径比异形钛合金薄壁件一体化成形模具及成形方法
阅读说明：本技术 大变径比异形钛合金薄壁件一体化成形模具及成形方法 (Integrated forming die and forming method for large-reducing-ratio special-shaped titanium alloy thin-wall part ) 是由 王斌 梁滨 刘太盈 李升� 王瑞 朱冬妹 周福见 郭成龙 于 2020-12-01 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种大变径比异形薄壁件一体化成形模具及成形方法,属于航空材料技术领域,解决了现有技术中对大变径比异性薄壁钛合金材料一次吹塑成形中难以控制壁厚均匀性的问题。本发明提供的一种大变径比异形钛合金薄壁件一体化成形模具,包括第一加热区、第二加热区、第三加热区和第四加热区；第一加热区为高温区,对应零件小变形区,设置温度为930℃至950℃；第二加热区为次高温区,对应零件中变形区,设置温度为910℃至930℃；第三加热区为低温区,对应零件大变形区,设置温度为890℃至910℃；第四加热区为次高温区,对应零件中变形区,设置温度为910℃至930℃。实现了在大变径比异性钛合金薄壁件一体化均匀成形。(The invention relates to an integrated forming die and a forming method for a large-reducing-ratio special-shaped thin-wall part, belongs to the technical field of aviation materials, and solves the problem that the uniformity of the wall thickness is difficult to control in one-time blow molding of a large-reducing-ratio special-shaped thin-wall titanium alloy material in the prior art. The invention provides an integrated forming die for a large-reducing-ratio special-shaped titanium alloy thin-wall part, which comprises a first heating area, a second heating area, a third heating area and a fourth heating area, wherein the first heating area is a cylindrical surface; the first heating area is a high-temperature area, corresponds to a small deformation area of the part and is set to be 930-950 ℃; the second heating area is a secondary high temperature area, corresponds to a deformation area in the part and is set to be 910-930 ℃; the third heating area is a low-temperature area, corresponds to a large deformation area of the part and is set to be 890-910 ℃; the fourth heating area is a secondary high-temperature area, and the temperature is set to be 910-930 ℃ corresponding to the deformation area in the part. The integrated uniform forming of the anisotropic titanium alloy thin-wall part with the large diameter-changing ratio is realized.)
技术领域
本发明涉及航空材料技术领域，尤其涉及一种大变径比异形钛合金薄壁件一体化成形模具及成形方法。
背景技术
随着飞行器飞行速度的提高，主体结构外形更加复杂，尺寸显著增大，精度控制要求更加严格。其结构形式从单一的回转体向复杂型面转变、从分体的小零件组装向整体化的大型零件转变，具有大型整体化、薄壁轻量化、形状复杂化等特点，制造难度大、精度要求高、生产周期长，已经成为制约航空器快速研制瓶颈。
大变径比零件是零件最大处直径与最小处直径之比大于3的特殊曲面零件，大变径比薄壁整体钛合金零件主要包括TC4，TA15，Ti55，Ti60，Ti2AlNb，其应用随着航空航天的发展，需求越来越多。传统热成形+拼焊的制造方法，需要多次成形、焊接及高温退火完成工艺，不仅难以提高精度，而且频繁高温导致组织性能多次损耗，以及表面富氧层厚度急增。对于一些两端截面小，中间截面尺寸大的变径比复杂型面零件，其两端头与中间部位高度落差大，仅靠热压成形蒙皮两端头部位起皱。为避免热压成形折皱，需采用压边拉伸成形，因此需要带自动压边装置的大型热成形设备，现有技术还没有能够满足钛合金热拉伸设备。目前工艺方法是采用周边螺钉固定的成形方式，由于零件形状特殊形，在成形过程中需要多次紧固螺钉，这导致蒙皮需要多次进炉经历热循环，成形时间长，成形后表面富氧α层厚度达到0.2mm以上，如此之厚氧化层很难通过酸洗或打磨方式去除，富氧α层为典型脆性层，严重损伤钛合金合金的力学性能，同时为焊接裂纹源，其严重后果是导致后续加强筋焊接时产生批次性裂纹，产品无法使用，直接经济损失巨大。
因此，摆脱螺钉固定形式，采取气压加载成形即超塑成形成为新技术趋势。但传统气压加载通常是通过阶梯式加载曲线完成增压和保压，加载方式相对简单，无法有效利用温度场变化和气压加载变化提高变形均匀性的原因。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种大变径比异形薄壁件一体化成形方法，用以解决现有技术对大变径比异性薄壁钛合金材料一次吹塑成形中难以控制壁厚均匀性的问题。
一方面，本发明提供一种大变径比异形钛合金薄壁件一体化成形模具，包括第一加热区、第二加热区、第三加热区和第四加热区；
所述第一加热区为高温区，对应零件小变形区，设置温度为930℃至950℃；
所述第二加热区为次高温区，对应零件中变形区，设置温度为910℃至930℃；
所述第三加热区为低温区，对应零件大变形区，设置温度为890℃至910℃；
所述第四加热区为次高温区，对应零件中变形区，设置温度为910℃至930℃。
进一步地，所述第一加热区、第二加热区、第三加热区和第四加热区依次设置，所述大变径比异形钛合金薄壁件的坯料的大直径端与所述第一加热区对应；所述大变径比异形钛合金薄壁件的坯料的小直径端与所述第四加热区对应。
进一步地，所述大变径比异形钛合金薄壁件的坯料为锥形。
进一步地，所述钛合金包括TC4、TA15、Ti55、Ti60和Ti2AlNb中的一种或多种。
进一步地，所述薄壁件的壁厚不大于3毫米。
另一方面，本发明提供一种大变径比异形钛合金薄壁件一体化成形方法，其特征在于，使用上述的大变径比异形钛合金薄壁件一体化成形模具，采用气压加载成形的方式进行异形构件一体化成形。
进一步地，包括：
步骤a.加热单元对各加热区进行加热，当各加热区达到所设置温度场后，开始气压加载成形；
步骤b.加载气压到0.2-0.5MPa，保持压力；
步骤c.增大气压，加载气压到1.0-2.0MPa，保持压力，等待变形区材料完全贴合在模具；
步骤d.对所有加热区进行统一升温，气压加载到1.0-2.0MPa，保持压力，使得零件各个部位均充分贴合模具。
进一步地，所述步骤b中保持压力10-25min；
所述步骤c中保持压力10-20min；
所述步骤d中保持压力10-20min。
进一步地，所述步骤b中压力加载速率为0.01-0.015MPa/min；
所述步骤c中压力加载速率为0.01-0.015MPa/min。
进一步地，所述步骤d中，所有加热区统一升温至940-960℃。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
(1)传统气压加载通常是通过阶梯式加载曲线完成增压和保压，加载方式相对简单，本发明通过温度场变化和气压加载变化动态结合实现对复杂结构不同区域变形顺序的控制。
(2)本发明通过对模具进行分区，不同分区在不同阶段进行不同温度的加热，同时在不同阶段采用不同的加载气压，针对横截面为圆形、具有大变径比薄壁构件形状特征，形成与之匹配的动态加载方式，充分考虑了加载条件下材料不同区域的应力-应变分布，应变速率变化特征，以及变形特性对构件整体厚度分布的影响，随温/随动分布气压加载变形均匀性控制技术，有效的实现了大变径比异形薄壁构件的均匀超塑成形。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1a为钛合金大变径比零件主视示意图；
图1b为钛合金大变径比零件A-A剖视示意图；
图1c为钛合金大变径比零件B-B剖视示意图；
图2为锥形坯料示意图；
图3为两端焊接封焊板示意图；
图4为焊接进气管示意图；
图5温度区域分布示意图；
图6成形时材料流动示意图。
附图标记：
1-第一封焊板；2-第二封焊板；3-进气管；4-第一加热区；5-第二加热区；6-第三加热区；7-第四加热区。
具体实施方式
大变径比零件是零件最大处直径与最小处直径之比大于3的特殊曲面零件。超塑成形大变径比构件主要通过气压加载成形，气压加载方式直接决定了构件的变形特征，目前，传统气压加载通常是通过阶梯式加载曲线完成增压和保压，加载方式相对简单，无法有效利用温度场变化和气压加载变化提高变形均匀性的原因。研究随温/随动分布气压加载技术，主要是通过温度场变化，气压加载变化之间动态结合实现对复杂结构不同区域变形顺序的控制。
本发明提供的大变径比异形薄壁件一体化成形模具，包括第一加热区4、第二加热区5、第三加热区6和第四加热区7；
第一加热区4为高温区，对应零件小变形区域，设置温度为920℃至950℃；
第二加热区5为次高温区，对应零件中变形区，设置温度为900℃至930℃；
第三加热区6为低温区，对应零件大变形区，设置温度为880℃至910℃；
第四加热区7为次高温区，对应零件中变形区，设置温度为900℃至930℃。
模具内各加热区的加热功能可以由管路加热、电加热和光加热三种方式实现。管路加热在加热区布置多根加热管，加热管内通过加热流体，一种可能的实施方式中，在加热管中通过加燃烧后的燃气。电加热的方式采用电加热丝，通过通电后电加热丝的热阻作用实现加热。光加热是采用适合加热的光波对坯料进行加热实现气压加载成形，考虑到各种光波的特性，在一种可能的实施方案中，采用红外光或微波实现加热区的加热功能。为实现加热的均匀，管路加热的加热管、电加热实现方式的加热丝和光加热中光发生器的布置均应当均匀布置，防止加热不均匀对成形过程造成影响。
在同一横截面上，气压加载成形前坯料的直径为d0，成形后薄壁件的直径为d，则变形率δ为：
δ＜10％为小变形区域，10％≤δ＜20％为中变形区域，δ≥20％为大变形区域。
由于钛合金具有耐高温的特有热学性能，大变径比的异性件在气压加载成形过程中无法在现有的一体化成型模具中实现有效变形，变形效果不佳，一体化成形后钛合金薄壁件壁厚不均匀。本发明采用分区加热，且加热中随成形过程加热不同区的加热温度不断变化，同时加载气压不断变化，得到了一种随温随动变化的一体化成形模具。
具体的，第一加热区4、第二加热区5、第三加热区6和第四加热区7可依次设置，大变径比异形钛合金薄壁件的坯料的大直径端与所述第一加热区对应；大变径比异形钛合金薄壁件的坯料的小直径端与所述第四加热区对应。
具体的，大变径比异形钛合金薄壁件的坯料为锥形。
具体的，钛合金包括TC4、TA15、Ti55、Ti60和Ti2AlNb中的一种或多种。
具体的，薄壁件的壁厚不大于3毫米。
本发明提供的大变径比异形薄壁件一体化成形方法，包括：
步骤一.坯料设计
采用有限元手段进行坯料优化设计，使坯料外形最大化，本实施例中将坯料设计成锥形，锥形坯料横截面最大直径为目标异形构件横截面最大直径的0.7-0.8倍，锥形坯料横截面最大直径为目标异形构件横截面最大直径的0.9-0.9倍，坯料长度为目标异形构件长度的1.1-1.2倍。
步骤二.成形工艺设计
经过试验研究，Ti55、Ti60成形温度场为880～940℃区间，TA15钛合金成形温度场范围为880℃～920℃；TC4成形温度场为880℃～960℃区间，Ti2AlNb成形温度场为900℃～960℃区间；可采用有限元软件进行模拟，模拟成形时温度场分布，确定成形温度场以及不同阶段加载气压变化。
步骤三.锥形坯料制备
步骤3a.根据模拟优化的坯料结果计算展开料；
步骤3b.激光切割下料；
步骤3c.制备锥形坯料，示例性的,使用专利ZL201218006301.7的卷圆+热成形制备锥形坯料；
步骤3d.酸洗锥形管坯；
步骤四.焊接封焊板
步骤4a.下料制备两端钛合金第一封焊板1和第二封焊板2，采用和管坯同材质的钛合金板材，钛合金封焊板厚度为目标异形构件的厚度。
步骤4b.按照钛合金酸洗工艺酸洗第一封焊板1和第二封焊板2；
步骤4c.在锥形筒坯两端焊接钛合金第一封焊板1和第二封焊板2，采用真空氩弧焊或者保护措施良好的氩弧焊接方式接进行封焊；
步骤4d.焊接进气管3，进气管可采用TA15或者TA18钛合金管，钛合金管直径长度5-15mm；
步骤4e.气密性检查，采用打压进行焊缝气密性检查，打压气压0.01-0.03MPa，保压4-6min，可同时结合肥皂水进行检漏；
步骤4f.封焊完毕后在零件外表面涂覆防氧化涂料并自然风干；
步骤五.装配
步骤5a.将坯料装入模具中；
步骤5b.再次检查气密性；
步骤六.工艺参数设置
步骤6a.设置模具内各加热区加热温度：
第一加热区4为高温区，对应零件小变形区域，设置温度：920℃～940℃；
第二加热区5为次高温区，对应零件中变形区，设置温度：910℃～960℃；
第三加热区6为低温区，对应零件大变形区，设置温度：880℃～900℃；
第四加热区7为次高温区，对应零件中变形区，设置温度：910～960℃；
步骤6b.调节气体管路，设置加载气压参数；
步骤七.气压加载成形
步骤7a.模具各加热区开始加热，当模具各加热区达到所设置温度场后，开始气压加载成形；
步骤7b.以0.01-0.015MPa/min的加载速率加载气压到0.2-0.5MPa，保压10-25min，使材料发生较小变形，此时材料第一加热区4和第四加热区7由于温度高材料软化变形大，第二加热区5和第三加热区6由于温度低材料变形难度大，第二加热区5和第三加热区6会把第一加热区4和第四加热区7的材料向中间拖拽；
步骤7c.增大气压，以0.01-0.015MPa/min的加载速率加载气压到1.0-2.0MPa，保压10-20min。等待易变形区域材料完全贴合在模具；
步骤7d.将第一加热区4、第二加热区5、第三加热区6、第四加热区7统一升温到890-980℃，气压加载到1.0-2.0MPa，保压10-20min，使得零件各个部位均充分贴合模具；
步骤7e.开始降温，降温过程中为维持零件形状，保持气压0.01-0.05MPa。
步骤八.出炉取件
成形结束后降温冷却，冷却到400-650℃时，卸载零件内部气压，出炉取件；
步骤九.切除工艺边
机械加工去除零件工艺边，再对零件表面处理。
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例一
本发明的一个具体实施例，公开了一种大变径比异形薄壁件一体化成形方法。
本实施例中所选材料为Ti60高温钛合金，零件轴向尺寸(长度)560mm，最大直径480mm，最小直径150mm，变径比3.2，所选择材料板材厚度2mm，如图1a、1b、1c所示。
步骤一.坯料设计
采用有限元手段进行坯料优化设计，使坯料外形最大化，本实施例中将坯料设计成锥形(纵截面为梯形)，锥形坯料最大直径420mm，最小直径140mm，长度650mm，如图2所示。
步骤二.成形工艺设计
采用有限元软件，通过模拟成形过程确定成型过程中各区域形变大小以此确定加热区分布，并确定不同阶段加载气压变化。根据模拟仿真，Ti60成形温度场为880～940℃区间；
步骤三.锥形坯料制备
步骤3a.根据模拟优化的坯料结果计算展开料；
步骤3b.激光切割下料；
步骤3c.制备锥形坯料，具体的,使用专利ZL201218006301.7的卷圆+热成形制备锥形坯料；
步骤3d.酸洗锥形管坯；
步骤四.焊接封焊板
步骤4a.下料制备钛合金第一封焊板1和第二封焊板2，第一封焊板1直径420mm，厚度2mm，采用和管坯同材质的钛合金板材，钛合金第二封焊板2直径140mm，厚度2mm，也采用和管坯同材质的钛合金板材，如图3所示；
步骤4b.按照钛合金酸洗工艺酸洗第一封焊板1和第二封焊板2；
步骤4c.在锥形筒坯两端焊接钛合金第一封焊板1和第二封焊板2，采用真空氩弧焊或者保护措施良好的氩弧焊接方式接进行封焊；
步骤4d.如图4所示，在第一封焊板1端焊接进气管3，进气管可采用TA15钛合金管，钛合金管直径钛合金管长度8mm；
步骤4e.气密性检查，采用打压进行焊缝气密性检查，打压气压0.02MPa，保压5min，可同时结合肥皂水进行检漏；
步骤4f.封焊完毕后在零件外表面涂覆防氧化涂料并自然风干；
步骤五.装配
步骤5a.将坯料装入模具中；
步骤5b.再次检查气密性；
步骤六.工艺参数设置
步骤6a.设置模具内各电加热区加热温度，如图5所示：
第一加热区4为高温区，对应零件小变形区域，设置温度：920℃～940℃；
第二加热区5为次高温区，对应零件中变形区，设置温度：900℃～920℃；
第三加热区6为低温区，对应零件大变形区，设置温度：880℃～900℃；
第四加热区7为次高温区，对应零件中变形区，设置温度：900～920℃；
步骤6b.调节气体管路，设置加载气压参数；
步骤七.气压加载成形
步骤7a.模具各加热区开始加热，当模具各加热区达到所设置温度场后，开始气压加载成形；
步骤7b.以0.01MPa/min的加载速率加载气压到0.3MPa，保压15min，使材料发生较小变形，此时材料第一加热区4和第四加热区7由于温度高材料软化变形大，第二加热区5和第三加热区6由于温度低材料变形难度大，第二加热区5和第三加热区6会把第一加热区4和第四加热区7的材料向中间拖拽，如图6所示；
步骤7c.增大气压，以0.01MPa/min的加载速率加载气压到1.0MPa，保压15min。等待第一加热区4和第四加热区7材料完全贴合在模具；
步骤7d.将第一加热区4、第二加热区5、第三加热区6、第四加热区7统一升温到940℃，气压加载到1.5MPa，保压15min，使得零件各个部位均充分贴合模具；
步骤7e.开始降温，降温过程中为维持零件形状，保持气压0.02MPa。
步骤八.出炉取件
成形结束后降温冷却，冷却到600℃时，卸载零件内部气压，出炉取件；
步骤九.切除工艺边
机械加工去除零件工艺边，再对零件表面处理。
成形后对零件各处壁厚进行测量，两件各处壁厚均在1.8mm至2.2mm之间，符合壁厚和均匀性的要求。
实施例二
本发明的一个具体实施例，公开了一种大变径比异形薄壁件一体化成形方法。
本实施例中所选材料为TA15高温钛合金，零件轴向尺寸(长度)600mm，最大直径500mm，最小直径150mm，变径比3.33，所选择材料板材厚度2mm。
步骤一.坯料设计
采用有限元手段进行坯料优化设计，使坯料外形最大化，本实施例中将坯料设计成锥形，锥形坯料最大直径450mm，最小直径145mm，长度700mm。
步骤二.成形工艺设计
采用有限元软件，模拟成形是温度场分布，不同阶段加载气压变化。根据模拟仿真，TA15钛合金成形温度场范围为880℃～920℃；
步骤三.锥形坯料制备
步骤3a.根据模拟优化的坯料结果计算展开料；
步骤3b.激光切割下料；
步骤3c.使用专利ZL201218006301.7的卷圆+热成形制备锥形坯料；
步骤3d.酸洗锥形管坯；
步骤四.焊接封焊板
步骤4a.下料制备钛合金第一封焊板1和钛合金第二封焊板2，第一封焊板1直径450mm，厚度2mm，采用和管坯同材质的钛合金板材，钛合金第二封焊板2直径145mm，厚度2mm，也采用和管坯同材质的钛合金板材。
步骤4b.按照钛合金酸洗工艺酸洗第一封焊板1和第二封焊板2；
步骤4c.在锥形筒坯两端焊接钛合金第一封焊板1和第二封焊板2，采用真空氩弧焊或者保护措施良好的氩弧焊接方式接进行封焊；
步骤4d.在第一封焊板1端焊接进气管3，进气管可采用TA18钛合金管，钛合金管直径长度为10mm；
步骤4e.气密性检查，采用打压进行焊缝气密性检查，打压气压0.015MPa，保压5min，可同时结合肥皂水进行检漏；
步骤4f.封焊完毕后在零件外表面涂覆防氧化涂料并自然风干；
步骤五.装配
步骤5a.将坯料装入模具中；
步骤5b.再次检查气密性；
步骤六.工艺参数设置
步骤6a.设置模具内各光加热区加热温度：
第一加热区4为高温区，对应零件小变形区域，设置温度：930℃～950℃；
第二加热区5为次高温区，对应零件中变形区，设置温度：910℃～930℃；
第三加热区6为低温区，对应零件大变形区，设置温度：890℃～910℃；
第四加热区7为次高温区，对应零件中变形区，设置温度：910～930℃；
步骤6b.调节气体管路，设置加载气压参数；
步骤七.气压加载成形
步骤7a.模具各加热区开始加热，当模具各加热区达到所设置温度场后，开始气压加载成形；
步骤7b.以0.012MPa/min的加载速率加载气压到0.2MPa，保压15min，使材料发生较小变形，此时材料第一加热区4和第四加热区7由于温度高材料软化变形大，第二加热区5和第三加热区6由于温度低材料变形难度大，第二加热区5和第三加热区6会把第一加热区4和第四加热区7的材料向中间拖拽；
步骤7c.增大气压，以0.012MPa/min的加载速率加载气压到1.5MPa，保压15min。等待第一加热区4和第四加热区7材料完全贴合在模具；
步骤7d.将第一加热区4、第二加热区5、第三加热区6、第四加热区7统一升温到950℃，气压加载到1.6MPa，保压15min，使得零件各个部位均充分贴合模具；
步骤7e.开始降温，降温过程中为维持零件形状，保持气压0.02MPa。
步骤八.出炉取件
成形结束后降温冷却，冷却到650℃时，卸载零件内部气压，出炉取件；
步骤九.切除工艺边
机械加工去除零件工艺边，再对零件表面处理。
成形后对零件各处壁厚进行测量，两件各处壁厚均在1.8mm至2.2mm之间，符合壁厚和均匀性的要求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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