CN111687361B - 一种40MPa超高压气瓶用钛合金管材成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种40MPa超高压气瓶用钛合金管材成型方法，其用钛合金气瓶替代传统钢制气瓶，取代目前使用的钢制25MPa高压空气瓶，同时提高高压空气的储存容量。并且解决目前TC4管材锻件壁厚最小化问题，提高金相组织和机械性能合格率。其预先采用弹性失效准则作为钛合金高压气瓶的设计准则进行计算40Mpa气瓶的钛合金TC4的壁厚为25mm～35mm，在制作过程中采用软包套保温锻造技术使锻件毛坯从50mm壁厚减少到25mm～35mm壁厚，分别独立制作半成品管材段、半成品封头端，最后将锻造成型的半成品管材段、半成品封头端进行封头锻焊。

Description

一种40MPa超高压气瓶用钛合金管材成型方法

技术领域

本发明涉及气瓶制作的技术领域，具体为一种40MPa超高压气瓶用钛合金管材成型方法。

背景技术

军工钛材是未来钛材的重点领域，军工钛材短期内将保持较稳定的增长，大量武器装备需要轻量化、高强度化，满足现代战争日益增长的快速反应能力和高强度性。随着反潜探测技术水平的提高，现代潜艇必须向着大潜深、高隐蔽性的方向发展。而潜艇下潜的深度提高，就必须相应地提高潜艇在大深度故障状态下的应急挽回能力，以确保潜艇的安全。由于高压空气***是保证潜艇失事挽回最主要的生命力***，因此要提高潜艇在大深度故障状态下的应急挽回能力，就必须加大潜艇的高压空气应急吹除速率，提高潜艇高压空气的储备量。而增大应急吹除速率行之有效的办法是提高高压空气***的压力级。目前潜艇高压空气***使用的25MPa级钢制高压气瓶已满足不了深潜使用的要求。主要表现在以下几方面：

（1）921钢作为高压气瓶的材料，要提高气瓶的强度，只能用增加壁厚来实现，但这只能达到有限的程度，而且会大大增加气瓶的重量。

（2）气瓶自身重量增加，潜艇的有效载荷将相应的减少。而且对整个潜艇的重量平衡和总体分布带来很大困难。

（3）921钢制高压气瓶的耐腐蚀能力差，受腐蚀的高压气瓶内部出现的各种腐蚀产物将造成高压空气的污染，使整套高压空气***的可靠性大大降低。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种40MPa超高压气瓶用钛合金管材成型方法，其用钛合金气瓶替代传统钢制气瓶，取代目前使用的钢制25MPa高压空气瓶，同时提高高压空气的储存容量。并且解决目前TC4管材锻件壁厚最小化问题，提高金相组织和机械性能合格率。

一种40MPa超高压气瓶用钛合金管材成型方法，其特征在于：其预先采用弹性失效准则作为钛合金高压气瓶的设计准则进行计算40Mpa气瓶的钛合金TC4的壁厚为25mm～35mm，在制作过程中采用软包套保温锻造技术使锻件毛坯从50mm壁厚减少到25mm～35mm壁厚，分别独立制作半成品管材段、半成品封头端，最后将锻造成型的半成品管材段、半成品封头端进行封头锻焊。

其进一步特征在于：

气瓶的壁厚计算过程采用弹性失效准则作为钛合金高压气瓶的设计准则，钛合金高压气瓶属于厚壁容器，K 为容器外径D₀与内径D_i之比， K≥1.2 ，钛合金高压气瓶壁厚的设计采用为中径公式，中径公式是以筒体平均直径处的周向应力作为相当应力，并将此应力限制在材料的许用应力以内，即周向应力

，并考虑到实际筒体总存在焊缝而必须引入焊缝系数，从设计角度出发，由壳体理论所求出的计算壁厚引入壁厚附加量，则瓶体壁厚设计公式

式中： t 壁厚；

p 工作压力；

D 为气瓶外径；

D₀=D-t；

材料的许用应力；

C 材料的裕度；

ϕ 焊缝系数，假定焊接过程中不产生缺陷， ϕ 取 1，最终带入各项参数获得瓶体壁厚的安全厚度为25mm～35mm；

经过两火次组织准备镦拔变形和管坯预制的锻造过程，最后一火采用软包套保温锻造技术锻出半成品，通过软包套包覆于TC4坯表面、并立即进行锻造；

软包套的材质具体为绝热棉，绝热面通过粘贴方式快速包覆于管坯的外表面；

保温锻造时，使得热塑性窗口控制在温差不大于30℃，所述热塑性窗口具体为TC4坯出炉至锻造完毕；

控制TC4坯的锻造处于良好塑性的两相区温度范围内，并大幅度降低钛坯表层的温度梯度，充分弱化钛坯表层的热应力状态，从而充分弱化钛坯表面裂纹的产生；

长时间保持两相区变形温度，使可锻时间充分延长，保证了薄壁管件壁厚最小化的变形时间；

封头锻焊过程中，半成品封头段和管材段均开V型坡口，坡口角度30°～45°，然后采用单面焊双面成型工艺进行焊接，得到钛及钛合金高压气瓶毛坯，之后对钛合金高压气瓶毛坯的环形焊缝部位局部加热，加热温度控制在850℃～970℃之间，然后采用镦锻工艺对钛及钛合金高压气瓶毛坯的焊缝以及焊接热影响区进行镦锻，使焊缝部位被挤压，并保证焊缝处变形量大于50％；

其具体制造工艺流程如下：确定工艺方案--下料—常规制坯—保温拔长锻造成管坯—机械加工—金相检查-锻焊技术制成气瓶--试验报告---技术分析，在保温拔长锻造成管坯的过程中分别采用保温锻造技术使锻件毛坯从50mm壁厚减少到25mm～35mm壁厚，分别独立制作半成品管材段、半成品封头端，然后将半成品管材段、半成品封头端通过机械加工形成预设尺寸，之后经过金相检查确定合格后，将半成品管材段、半成品封头端通过锻焊结束制成气瓶。

采用本发明后，其利用软包套保温锻造技术进行TC4管材的最后芯棒拔长成形，软包套可以避免因壁厚不断减薄带来的温度大量损失，将变形温度长时间保持最佳变形α+β两相区，有利于将壁厚变形至最薄，另一方面，由于变形温度长时间停留α+β两相区，组织转变充分、组织转变过程中由于有持续的变形应变，使组织转变更加细化，有效提高了各项机械性能指标；软包套保温锻造使锻件毛坯从50mm壁厚减少到25mm～35mm壁厚，这种工艺不仅使气瓶锻件毛坯重量节约40%，还可以大幅减少TC4管材机械加工工时，提高生产效率；同时TC4管材的金相组织、晶粒度、机械性能得到有效改善，是产品合格率得到保证。成品气瓶采用锻焊技术保证焊缝满足气瓶整体强度40MPa的使用要求；高压气瓶的焊接部分是整个气瓶结构中一个最薄弱的部位，是决定整个气瓶强度的关键因素，钛合金高压气瓶采用锻焊工艺，锻焊后对环形焊缝进行处理使得焊接强度足够；其用钛合金气瓶替代传统钢制气瓶，取代目前使用的钢制25MPa高压空气瓶，同时提高高压空气的储存容量。并且解决目前TC4管材锻件壁厚最小化问题，提高金相组织和机械性能合格率。

附图说明

图1为本发明的软包套保温锻造技术结构示意图；

图中序号所对应的名称如下：

芯棒1、TC4坯2、软包套3、下V型砧4、上平砧5。

具体实施方式

一种40MPa超高压气瓶用钛合金管材成型方法，其特征在于：其预先采用弹性失效准则作为钛合金高压气瓶的设计准则进行计算40Mpa气瓶的钛合金TC4的壁厚为25mm～35mm，在制作过程中采用软包套保温锻造技术使锻件毛坯从50mm壁厚减少到25mm～35mm壁厚，分别独立制作半成品管材段、半成品封头端，最后将锻造成型的半成品管材段、半成品封头端进行封头锻焊。

其具体制造工艺流程如下：确定工艺方案--下料—常规制坯—保温拔长锻造成管坯—机械加工—金相检查-锻焊技术制成气瓶--试验报告---技术分析。

确定工艺方案包括材质的确定和最终设计的气瓶壁厚的确定。

材质的选用：气瓶用钛合金既要有足够的机械强度，又要材料工艺成熟、组织结构及性能稳定，同时要具有良好的加工性能和焊接性能，便于气瓶的成形和加工，故采用TC4；

材质确定后气瓶的壁厚计算，气瓶的壁厚计算过程采用弹性失效准则作为钛合金高压气瓶的设计准则，钛合金高压气瓶属于厚壁容器，K 为容器外径D₀与内径D_i之比， K≥1.2 ，钛合金高压气瓶壁厚的设计采用为中径公式，中径公式是以筒体平均直径处的周向应力作为相当应力，并将此应力限制在材料的许用应力以内，即周向应力

，并考虑到实际筒体总存在焊缝而必须引入焊缝系数，从设计角度出发，由壳体理论所求出的计算壁厚引入壁厚附加量，则瓶体壁厚设计公式

式中： t 壁厚

p 工作压力

D 为气瓶外径

D₀=D-t

材料的许用应力许用应力

C 材料的裕度（可以不考虑）

ϕ 焊缝系数，假定焊接过程中不产生缺陷， ϕ 取 1，最终带入各项参数获得瓶体壁厚的安全厚度为25mm～35mm。

之后选用50mm厚的毛坯管下料；

将毛坯管经过两火次组织准备镦拔变形和管坯预制的锻造过程，最后一火采用软包套保温锻造技术锻出半成品，通过软包套包覆于TC4坯表面、并立即进行锻造；具体见图1：芯棒1贯穿TC4坯2的中心后外表面包覆有软包套3，整个结构底部支承于下V型砧4、上部压装有上平砧5，软包套的材质具体为绝热棉，绝热面通过粘贴方式快速包覆于管坯的外表面；保温锻造时，使得热塑性窗口控制在温差不大于30℃～100℃，热塑性窗口具体为TC4坯出炉至锻造完毕；

控制TC4坯的锻造处于良好塑性的两相区温度范围内，并大幅度降低钛坯表层的温度梯度，充分弱化钛坯表层的热应力状态，从而充分弱化钛坯表面裂纹的产生；

长时间保持两相区变形温度，使可锻时间充分延长，保证了薄壁管件壁厚最小化的变形时间；

显著降低锻造过程中工件的变形抗力，减少变形火次，显著节约能源；

可大幅度提高TC4坯的每火变形量，特别是提高TC4最后一火拔长管材变形量，最大程度降低壁厚，并实现锻造产品的晶粒组织及两相区的充分合理细化，优化锻造产品的综合力学性能；

钛坯可以采用较低的两相区加热温度进行锻造，获得高度细化的晶粒组织，既可大幅度提高钛合金的拉伸强度，又可获得良好的拉伸塑性；

在保温拔长锻造成管坯的过程中分别采用保温锻造技术使锻件毛坯从50mm壁厚减少到25mm～35mm壁厚，分别独立制作半成品管材段、半成品封头端，然后将半成品管材段、半成品封头端通过机械加工形成预设尺寸，之后经过金相检查确定合格后，将半成品管材段、半成品封头端通过锻焊结束制成气瓶。

封头锻焊过程中，半成品封头段和管材段均开V型坡口，坡口角度30°～45°，然后采用单面焊双面成型工艺进行焊接，得到钛及钛合金高压气瓶毛坯，之后对钛合金高压气瓶毛坯的环形焊缝部位局部加热，加热温度控制在850℃～970℃之间，然后采用镦锻工艺对钛及钛合金高压气瓶毛坯的焊缝以及焊接热影响区进行镦锻，使焊缝部位被挤压，并保证焊缝处变形量大于50％。

其利用软包套保温锻造技术进行TC4管材的最后芯棒拔长成形，软包套可以避免因壁厚不断减薄带来的温度大量损失，将变形温度长时间保持最佳变形α+β两相区，有利于将壁厚变形至最薄，另一方面，由于变形温度长时间停留α+β两相区，组织转变充分、组织转变过程中由于有持续的变形应变，使组织转变更加细化，有效提高了各项机械性能指标；软包套保温锻造使锻件毛坯从50mm壁厚减少到25mm～35mm壁厚，这种工艺不仅使气瓶锻件毛坯重量节约40%，还可以大幅减少TC4管材机械加工工时，提高生产效率；同时TC4管材的金相组织、晶粒度、机械性能得到有效改善，是产品合格率得到保证。成品气瓶采用锻焊技术保证焊缝满足气瓶整体强度40MPa的使用要求；高压气瓶的焊接部分是整个气瓶结构中一个最薄弱的部位，是决定整个气瓶强度的关键因素，钛合金高压气瓶采用锻焊工艺，锻焊后对环形焊缝进行处理使得焊接强度足够；其用钛合金气瓶替代传统钢制气瓶，取代目前使用的钢制25MPa高压空气瓶，同时提高高压空气的储存容量。并且解决目前TC4管材锻件壁厚最小化问题，提高金相组织和机械性能合格率。

其制作的气瓶的技术参数如下：

工作压力：40MPa、有效容积：410L、工作温度：－28℃～60℃、设计温度：－30℃，并要求尽量不改变或少改变现有气瓶的安装连接方式。

管材及封头按照钛及钛合金标准ASTMB381-06a执行，级别达到Gr5;超声探伤按GB5193AA级（1.2平底孔）；

力学性能：抗拉强度σb/MPa≥1030,伸长率δ5(%)≥12，断面收缩率ψ(%)≥15；

TC4管材锻件壁厚由50mm降低到35mm，力争实现毛坯壁厚达到25 mm～30mm。实现节材40%～50%，机加工工时压缩50%。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (2)

1.一种40MPa超高压气瓶用钛合金管材成型方法，其特征在于：其预先采用弹性失效准则作为钛合金高压气瓶的设计准则进行计算40Mpa气瓶的钛合金TC4的壁厚为25mm～35mm，在制作过程中采用软包套保温锻造技术使锻件毛坯从50mm壁厚减少到25mm～35mm壁厚，分别独立制作半成品管材段、半成品封头端，最后将锻造成型的半成品管材段、半成品封头端进行封头锻焊；

经过两火次组织准备镦拔变形和管坯预制的锻造过程，最后一火采用软包套保温锻造技术锻出半成品，通过软包套包覆于TC4坯表面、并立即进行锻造；

软包套的材质具体为绝热棉，绝热面通过粘贴方式快速包覆于管坯的外表面；

保温锻造时，使得热塑性窗口控制在温差不大于30℃，所述热塑性窗口具体为TC4坯出炉至锻造完毕；

控制TC4坯的锻造处于良好塑性的两相区温度范围内，并大幅度降低钛坯表层的温度梯度，充分弱化钛坯表层的热应力状态，从而充分弱化钛坯表面裂纹的产生；

长时间保持两相区变形温度，使可锻时间充分延长，保证了薄壁管件壁厚最小化的变形时间；

封头锻焊过程中，半成品封头段和管材段均开V型坡口，坡口角度30°～45°，然后采用单面焊双面成型工艺进行焊接，得到钛及钛合金高压气瓶毛坯，之后对钛合金高压气瓶毛坯的环形焊缝部位局部加热，加热温度控制在850℃～970℃之间，然后采用镦锻工艺对钛及钛合金高压气瓶毛坯的焊缝以及焊接热影响区进行镦锻，使焊缝部位被挤压，并保证焊缝处变形量大于50％；

气瓶的壁厚计算过程采用弹性失效准则作为钛合金高压气瓶的设计准则，钛合金高压气瓶属于厚壁容器，K 为容器外径D₀与内径D_i之比， K≥1.2 ，钛合金高压气瓶壁厚的设计采用为中径公式，中径公式是以筒体平均直径处的周向应力作为相当应力， 并将此应力限制在材料的许用应力以内， 即周向应力

，并考虑到实际筒体总存在焊缝而必须引入焊缝系数，从设计角度出发， 由壳体理论所求出的计算壁厚引入壁厚附加量， 则瓶体壁厚设计公式

式中： t 壁厚；

p 工作压力；

D 为气瓶外径；

D₀=D-t；

材料的许用应力；

C 材料的裕度；

ϕ 焊缝系数， 假定焊接过程中不产生缺陷， ϕ 取 1，最终带入各项参数获得瓶体壁厚的安全厚度为25mm～35mm。

2.如权利要求1所述的一种40MPa超高压气瓶用钛合金管材成型方法，其特征在于，其具体制造工艺流程如下：确定工艺方案--下料—常规制坯—保温拔长锻造成管坯—机械加工—金相检查-锻焊技术制成气瓶--试验报告---技术分析，在保温拔长锻造成管坯的过程中分别采用保温锻造技术使锻件毛坯从50mm壁厚减少到25mm～35mm壁厚，分别独立制作半成品管材段、半成品封头端，然后将半成品管材段、半成品封头端通过机械加工形成预设尺寸，之后经过金相检查确定合格后，将半成品管材段、半成品封头端通过锻焊结束制成气瓶。

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