CN103008995A - 一种航天燃料用高强度钛合金气瓶的成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航天器燃料用高强度钛合金气瓶的成型方法，该方法采用TB8钛合金板材，经过裁切、固溶、冷旋压、精整、电子束焊接等加工工艺获得高强钛合金气瓶。采用该方法制备航天飞行器钛合金气瓶加工过程简单、质量控制容易、制造成本低、产品成品率高，达90%以上。
Description
技术领域
本发明属于航天器技术领域，涉及一种钛合金气瓶，尤其是一种航天器燃料用高强度钛合金气瓶的成型方法。
背景技术
近年来随着材料科学的发展以及能源危机的冲击，航空航天工业对高强度、高弹性模量、低密度、耐高温的新型结构材料的需要越来越迫切。钛合金由于密度小、强度高、耐高温和抗腐蚀性好等优点，在航空航天领域中获得了广泛的应用。航天飞行器在飞行过程中需要携带大量液态燃料（如液氢）及其液态助燃剂（如液氧、液N2O2），这些液态燃料及助燃剂都是在存储在高压气瓶中，先期用于制造高压气瓶的材料有30CrMnSiA等高强的结构钢等，近年来为了降低航天飞行器重量、增加其有效载荷，大量采用TC4钛合金制造燃料存储气瓶。目前TC4钛合金气瓶都是采用热加工成型+机械精加工+电子束焊接的方法制备，具体结构方案见附图1、附图2。一般采用的工艺是将TC4钛棒坯下料后热模锻造成型半球形气瓶坯料（及热轧成型TC4环坯）进行精加工后，在采用真空电子束焊接为一体的气瓶。
这种工艺方法的缺点是：模锻（及环轧）对设备要求高、设备投资大，机械加工难度相对较大，坯料利用率低（最终零件重量只占坯料投料重量的10%～20%，大部分坯料最终变为车屑而浪费），最终产品焊缝相对较多，生产制造周期长，制造成本、质量控制成本相对较高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种航天器燃料用高强度钛合金气瓶的成型方法，该方法采用TB8板材进行裁剪制备板坯，并针对该TB8板材的特性进行加工处理，然后焊接成型，该方法制备航天飞行器钛合金气瓶加工过程简单、质量控制容易、制造成本低、产品成品率高，达90%以上。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
这种航天器燃料用高强度钛合金气瓶的成型方法，包括以下步骤：
1）将TB8板材裁剪为圆形板坯；
2）将裁剪好的圆形板坯置于真空热处理炉中进行固溶处理：加热温度800℃～850℃，保温0.5～1.5小时，通氩气冷却或油淬；
3）将固溶处理后的圆形板坯在旋压机上冷旋压为半球体或半球筒体；
4）将旋压获得的半球体或半球筒体精整裁边；
5）将精整裁边后的半球体或半球筒体置于真空电子束焊机中进行对焊成型，形成钛合金气瓶。
进一步，以质量百分比计，上述TB8板材化学成分为：
Al：2.5-3.5%；Mo：14.0-16.0%；Nb：2.4-3.2%；Si：0.15-0.25%；O：0.08-0.15%；C：≤0.05%；Fe：≤0.20%；N：≤0.03%；H：≤0.008%；其余为Ti；其他元素：单个≤0.10%、总和≤0.40%。
进一步的，以上步骤5）后，对焊接成型的钛合金气瓶进行外观、尺寸检查，对焊缝进行X射线检测、并进行打压实验，使其满足设计要求。
本发明与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的成型方法采用TB8钛合金板材，获得的TB8钛合金气瓶较传统TC4钛合金气瓶工艺流程简化、加工制造难度大幅度降低（不需要热锻）、材料利用率大幅度增加（不需要机械加工）、气瓶强度及塑性增加、焊缝减少、生产周期大幅度缩短、制造及质量控制成本大幅度降低，同时TB8钛合金较TC4钛合金具有相对优异的高低温性能、耐腐蚀性能、疲劳性能等。
附图说明
图1为现有技术中的TC4钛合金球状气瓶的横向截面结构示意图；
图2为现有技术的TC4钛合金球筒状气瓶的轴截面结构示意图；
图3为本发明TB8钛合金球状气瓶的横向截面结构示意图；
图4为本发明TB8钛合金球状气瓶的轴截面结构示意图。
其中：1为TB8钛合金半球体；2为焊缝；3为半球筒体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明提出一种航天器燃料用高强度钛合金气瓶的成型方法，包括以下步骤：
1）按照计算好的尺寸将TB8板材裁剪为圆形板坯；所述TB8板材化学成分为：
Al：2.5-3.5%；Mo：14.0-16.0%；Nb：2.4-3.2%；Si：0.15-0.25%；O：0.08-0.15%；C：≤0.05%；Fe：≤0.20%；N：≤0.03%；H：≤0.008%；其余为Ti；其他元素：单个≤0.10%、总和≤0.40%。
2）将裁剪好的TB8钛合金圆形板坯置于真空热处理炉中进行固溶处理：加热温度800℃～850℃，保温0.5～1.5小时，通氩气冷却或油淬；
3）将固溶处理后的TB8钛合金板坯在旋压机上冷旋压为半球体或半球筒体（TC4钛合金由于室温塑性差，不能进行冷压力成型加工；而TB8钛合金固溶处理后在保证强度与TC4相当的水平下可获得极好的室温塑性，能够方便的进行冷压力成型加工）；
4）将旋压获得的TB8钛合金半球体或半球筒体精整裁边；
5）将精整裁边后的TB8钛合金半球体1或TB8钛合金半球筒体3置于真空电子束焊机中进行对焊成型（见图3、图4）；
6）成品试验：对焊接成型的钛合金气瓶进行外观、尺寸检查，对焊缝2进行X射线检测、并进行打压实验，使其满足设计要求。
下面通过实施例进一步详细描述：
实施例1：内径Ф160mm、厚度3mm球形高强钛合金气瓶制备
（1）按照计算好的尺寸将厚度为10mm的冷轧TB8钛合金板材裁剪为Ф135×10规格的圆形板坯；
（2）将裁剪好的Ф135×10规格TB8钛合金圆形板坯置于真空热处理炉中进行固溶处理：加热温度830℃，保温1小时，通氩气冷却；
（3）将固溶处理后的Ф135×10规格TB8钛合金圆形板坯在旋压机上冷旋压为内径Ф160mm、壁厚3mm的半球体；
（4）将旋压获得的内径Ф160mm、壁厚3mm的TB8钛合金半球体进行精整裁切毛边；
（5）将精整裁边后的Ф160mm、壁厚3mm的TB8钛合金半球体置于真空电子束焊机中进行对焊成型（见图3）；
（6）成品试验（外观、尺寸、焊缝X射线、打压等）。
实施例2：内径Ф320mm、厚度5mm球形高强钛合金气瓶制备
（1）按照计算好的尺寸将厚度为10mm的冷轧TB8钛合金板材裁剪为Ф335×10规格的圆形板坯；
（2）将裁剪好的Ф335×10规格TB8钛合金圆形板坯置于真空热处理炉中进行固溶处理：加热温度835℃，保温1小时，通氩气冷却；
（3）将固溶处理后的Ф335×10规格TB8钛合金圆形板坯在旋压机上冷旋压为内径Ф320mm、壁厚5mm的半球体；
（4）将旋压获得的内径Ф320mm、壁厚5mm的TB8钛合金半球体进行精整裁切毛边；
（5）将精整裁边后的Ф320mm、壁厚5mm的TB8钛合金半球体置于真空电子束焊机中进行对焊成型（见图3）；
（6）成品试验（外观、尺寸、焊缝X射线、打压等）。
实施例3：内径Ф400mm、厚度5mm球形高强钛合金气瓶制备
（1）按照计算好的尺寸将厚度为10mm的冷轧TB8钛合金板材裁剪为Ф420×10规格的圆形板坯；
（2）将裁剪好的Ф420×10规格TB8钛合金圆形板坯置于真空热处理炉中进行固溶处理：加热温度840℃，保温1小时，通氩气冷却；
（3）将固溶处理后的Ф420×10规格TB8钛合金圆形板坯在旋压机上冷旋压为内径Ф400mm、壁厚5mm的半球体；
（4）将旋压获得的内径Ф400mm、壁厚5mm的TB8钛合金半球体进行精整裁切毛边；
（5）将精整裁边后的Ф400mm、壁厚5mm的TB8钛合金半球体置于真空电子束焊机中进行对焊成型（见图3）；
（6）成品试验（外观、尺寸、焊缝X射线、打压等）。
实施例4：内径Ф320mm、厚度5mm球筒形高强钛合金气瓶制备
（1）按照计算好的尺寸将厚度为10mm的冷轧TB8钛合金板材裁剪为Ф465×10规格的圆形板坯；
（2）将裁剪好的Ф465×10规格TB8钛合金圆形板坯置于真空热处理炉中进行固溶处理：加热温度850℃，保温1小时，通氩气冷却；
（3）将固溶处理后的Ф465×10规格TB8钛合金圆形板坯在旋压机上冷旋压为内径Ф320mm、壁厚5mm的半球筒体；
（4）将旋压获得的内径Ф320mm、壁厚5mm的TB8钛合金半球筒体进行精整裁切毛边；
（5）将精整裁边后的Ф320mm、壁厚5mm的TB8钛合金半球筒体置于真空电子束焊机中进行对焊成型（见图4）；
（6）成品试验（外观、尺寸、焊缝X射线、打压等）。
综上所述，本发明采用TB8钛合金板材，经过裁切、固溶、冷旋压、精整、电子束焊接等加工工艺获得高强钛合金气瓶。采用该方法制备航天飞行器钛合金气瓶加工过程简单、质量控制容易、制造成本低、产品成品率高，达90%以上。
Claims (3)
1.一种航天器燃料用高强度钛合金气瓶的成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将TB8板材裁剪为圆形板坯；
2）将裁剪好的圆形板坯置于真空热处理炉中进行固溶处理：加热温度800℃～850℃，保温0.5～1.5小时，通氩气冷却或油淬；
3）将固溶处理后的圆形板坯在旋压机上冷旋压为半球体或半球筒体；
4）将旋压获得的半球体或半球筒体精整裁边；
5）将精整裁边后的半球体或半球筒体置于真空电子束焊机中进行对焊成型，形成钛合金气瓶。
2.根据权利要求1所述的航天器燃料用高强度钛合金气瓶的成型方法，其特征在于，以质量百分比计，所述TB8板材化学成分为：
Al：2.5-3.5%；Mo：14.0-16.0%；Nb：2.4-3.2%；Si：0.15-0.25%；O：0.08-0.15%；C：≤0.05%；Fe：≤0.20%；N：≤0.03%；H：≤0.008%；其余为Ti；其他元素：单个≤0.10%、总和≤0.40%。
3.根据权利要求1所述的航天器燃料用高强度钛合金气瓶的成型方法，其特征在于，对焊接成型的钛合金气瓶进行外观、尺寸检查，对焊缝进行X射线检测、并进行打压实验，使其满足设计要求。
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