深潛器載人艙用TC4 ELI鈦合金半球殼的研制

馮雅奇，賈栓孝，王韋琪，張永強(qiáng)，王劍虹，苑曉剛

(1.寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西　寶雞　721014) (2.寶色特種設(shè)備有限公司，陜西　寶雞　721014)

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深潛器載人艙用TC4 ELI鈦合金半球殼的研制

馮雅奇1，賈栓孝1，王韋琪1，張永強(qiáng)1，王劍虹2，苑曉剛2

(1.寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西寶雞721014) (2.寶色特種設(shè)備有限公司，陜西寶雞721014)

通過計算機(jī)模擬技術(shù)和借鑒鋼材半球殼成形工藝設(shè)計了深潛器載人艙用鈦合金半球殼的整體沖壓成形模具及成形工藝,并以鋼材、純鈦的半球殼整體沖壓預(yù)成形試驗(yàn)來優(yōu)化工藝參數(shù)，最終成功沖壓出深潛器載人艙用TC4 ELI 鈦合金半球殼。經(jīng)檢測，整體沖壓成形的TC4 ELI 鈦合金半球殼尺寸和力學(xué)性能均滿足深潛器載人艙用鈦合金球殼設(shè)計指標(biāo)，可用于制造4 500 m深潛器載人艙。

TC4 ELI鈦合金；沖壓成形；深潛器；球殼

0　引　言

深海載人潛水器對于海洋勘測、資源開發(fā)具有重要意義，在我國“蛟龍?zhí)枴敝埃瑑H美、俄、法、日等極少數(shù)國家具備研制能力，這也是一個國家工業(yè)制造水平及綜合國力的體現(xiàn)。載人艙球殼是潛水器的核心構(gòu)件，其設(shè)計和制作水平關(guān)系到潛水器的性能和機(jī)組人員的安全。鈦合金以其優(yōu)異的綜合性能成為載人艙球殼的最佳材料，歐美等發(fā)達(dá)國家于20世紀(jì)60年代開始采用鈦合金制造深潛器載人艙球殼。為提高載人艙球殼的安全可靠性和結(jié)構(gòu)效益，載人艙球殼大多采用半球殼整體沖壓成形工藝，如法國的6 000 m“鸚鵡螺號”、日本的“深海6500”及 美國的“新阿爾文號”載人深潛器。而俄羅斯的“和平號”載人艙球殼采用瓜瓣焊接方式制備。與瓜瓣焊接球殼相比，整體沖壓成形半球殼的焊縫明顯減少，均勻性、一致性相對更好，疲勞壽命也會大幅提高，因此半球殼整體沖壓成形技術(shù)是深潛器載人艙球殼制造技術(shù)的發(fā)展趨勢。

我國深潛器載人艙球殼研究起步相對較晚，直至2008年，為推動深潛器相關(guān)核心技術(shù)的研究，國家將“4500米深潛器載人艙球殼研制”項(xiàng)目列入863計劃。寶雞鈦業(yè)股份有限公司承擔(dān)了4 500 m深潛器載人艙用TC4 ELI鈦合金球殼的研制任務(wù)。因此寶雞鈦業(yè)股份有限公司借鑒國外先進(jìn)的設(shè)計理念，開展了TC4 ELI鈦合金半球殼整體沖壓成形技術(shù)研究。

4 500 m深潛器載人艙用TC4 ELI鈦合金球殼的內(nèi)徑為2 100 mm，壁厚為53 mm。通過測算，所需板坯的厚度不小于90 mm,直徑不小于3 100 mm。由于鈦合金具有強(qiáng)度高、變形抗力大、彈性模量低、塑性加工溫度范圍窄等特點(diǎn)，要沖壓如此大規(guī)格的鈦合金半球殼，在鑄錠及坯料制備、模具設(shè)計、沖壓溫度選擇、變形控制、變形后成分性能均勻性、內(nèi)外表面機(jī)加余量等方方面面都需做大量實(shí)驗(yàn)。其中兩大主要難題為大規(guī)格超厚板材制備和半球殼整體沖壓成形。本研究主要探討TC4 ELI鈦合金半球殼的整體沖壓成形技術(shù)。

1　模具設(shè)計與成形工藝計算機(jī)模擬

1.1模具設(shè)計

由于國內(nèi)大規(guī)格鈦合金半球殼整體沖壓成形技術(shù)尚屬空白，只能借鑒鋼材半球殼沖壓成形工藝參數(shù)進(jìn)行沖壓模具設(shè)計。根據(jù)鋼材半球殼沖壓成形的經(jīng)驗(yàn)，將球殼內(nèi)徑(D內(nèi))的目標(biāo)值設(shè)定為2 066 mm,壁厚設(shè)定為85 mm。沖壓模具示意圖見圖1。

圖1　沖壓模具示意圖Fig.1　Schematic diagram of stamping die

1.1.1上模尺寸設(shè)計

在熱沖壓過程中，工件在高溫下成形后，要從脫模溫度降至室溫，其尺寸會隨之縮小。因此，首先要計算TC4 ELI鈦合金的熱壓收縮率(δ)，其計算公式[1]為：

δ=α·m·△t·100%=1.55×10-3

式中：α為材料線膨脹系數(shù)，取8.6×10-6℃-1；m為溫度修正系數(shù)(0.9～1)，按經(jīng)驗(yàn)取0.9； △t為脫模溫度與室溫之差，取200 ℃。

以載人艙球殼內(nèi)徑的目標(biāo)尺寸(D內(nèi))為準(zhǔn)，設(shè)計沖壓模上模。上模半球名義直徑(Dsm)計算如下：

Dsm=D內(nèi)(1+δ)=2 066×(1+1.55×10-3)=2 069(mm)

1.1.2下模尺寸設(shè)計

下模拉環(huán)內(nèi)徑(Dxm)[1-2]：

Dxm=(Dsm+2Z)=2 068+2×97.2=2 262(mm)

式中，Z為上、下模具間隙，熱沖壓時一般取1.08S左右(S為坯料壁厚)。

1.2計算機(jī)模擬研究

隨著計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，材料加工的全過程都可以利用數(shù)值模擬技術(shù)在計算機(jī)中逼真再現(xiàn)。利用數(shù)值模擬計算的結(jié)果，可以優(yōu)化工藝參數(shù)和工藝流程。

本項(xiàng)目研制的鈦合金半球殼尺寸為目前國內(nèi)最大，其沖壓成形工藝方案也需借鑒鋼材球殼的成形工藝。厚壁球殼與薄壁球殼在拉深成形過程中，技術(shù)難點(diǎn)不同[3-4]。對薄壁球殼，主要考慮在成形過程中是否會出現(xiàn)鼓包、起皺、破裂等缺陷;而對厚壁球殼，更多的則是關(guān)注其成形后壁厚變化情況。厚壁半球殼在拉深成形過程中，幾乎整個坯料都在變形，而且很劇烈。球殼毛坯在壓制力的作用下，毛坯邊緣因切向壓縮應(yīng)力而被壓縮增厚;與此同時加大了球殼中部的拉伸應(yīng)力，使球殼底部壁厚明顯減薄。由于球殼在沖壓成形過程中，各部分應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)各不相同，因此沖壓成形后球殼各部分的壁厚亦不同[5]。為保證厚壁球殼成形后的壁厚滿足機(jī)加工要求，通常采用增加坯料厚度的辦法，但這樣做會導(dǎo)致工件外形尺寸偏大，機(jī)械加工余量增加，材料利用率降低，從而增加制造成本。通過采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)，建立數(shù)據(jù)模型，分別對沖壓坯料的加熱溫度、保溫時間、下模拉環(huán)圓角、上下模間隙、沖壓溫度、沖壓速度、摩擦因素及成形次數(shù)進(jìn)行模擬，對模具設(shè)計方案及沖壓工藝進(jìn)行優(yōu)化。模擬半球殼沖壓成形的幾何模型見圖2。經(jīng)模擬得到以下規(guī)律。

(1)延長加熱時間不但使加熱成本上升，而且會使鈦合金表面氧化、內(nèi)部晶粒長大等。因此加熱時間不宜過久，出爐后應(yīng)盡快完成沖壓變形。

(2)下模拉環(huán)圓角半徑值增大可改善變形的均勻性，降低成形沖壓力。但是會增大成形件與上模的間隙。

(3)上下模間隙過小時，坯料通過時會因?yàn)閿D壓、拉伸作用而產(chǎn)生較大變形，影響成形質(zhì)量；上下模間隙過大時會增大坯料與上模間隙。

(4)沖壓溫度不但影響材料的組織和性能，而且還影響成形尺寸和表面質(zhì)量。 在一定的成形溫度范圍內(nèi)，隨著沖壓溫度升高，半球殼與上模間隙呈減小趨勢，最小壁厚有所增加，沖壓力明顯降低。

(5)下模的摩擦系數(shù)是影響上模與成形件間隙的重要因素。摩擦系數(shù)合適有利于減小成形件與上模的間隙。

圖2　半球殼沖壓模擬幾何模型Fig.2　 The geometric model of hemisphere shell stamping

1.3模具的制作

按照設(shè)計尺寸，經(jīng)選材、機(jī)加工、修模拋光處理等制作了上、下模。

2普碳鋼、純鈦半球殼整體沖壓成形試驗(yàn)及結(jié)果

先用普碳鋼進(jìn)行沖壓成形試驗(yàn)和校核模具尺寸。沖壓設(shè)備選用4 000 t油壓機(jī)，其可移動工作臺面5 400 mm×5 000 mm，有效行程2 350 mm。為防止變形開裂，沖壓過程分多火次完成。經(jīng)檢測，沖壓成形的普碳鋼半球殼形狀尺寸基本滿足設(shè)計尺寸要求。

由于鈦與鋼的膨脹系數(shù)和彈性模量差異較大，隨后又進(jìn)行了TA2純鈦半球殼的沖壓試驗(yàn)。試驗(yàn)選用相同的沖壓設(shè)備、沖壓模具及坯料尺寸?？紤]到鈦材的特殊性，鈦材采用電阻爐加熱。經(jīng)檢測，沖壓成形的純鈦半球殼表面質(zhì)量尚好，但壁厚尺寸變化與鋼半球殼不同，因此對沖壓模具進(jìn)行了尺寸修整。

3TC4 ELI鈦合金半球殼整體沖壓成形試驗(yàn)及結(jié)果

3.1TC4 ELI鈦合金半球殼整體沖壓成形試驗(yàn)

通過鋼和純鈦半球殼沖壓工藝試驗(yàn)驗(yàn)證以及模具尺寸的校核和修整，最終確定了TC4 ELI鈦合金半球殼整體沖壓成形方案。

(1)坯料準(zhǔn)備對TC4 ELI鈦合金厚板進(jìn)行校平處理，使其平面度不大于5 mm，保證沖壓時模具與坯料充分接觸；對坯料進(jìn)行打磨和拋光，去除裂紋、凹陷等缺陷；涂覆防護(hù)涂料，防止坯料高溫氧化，減小沖壓摩擦力。

(2)坯料加熱將TC4 ELI鈦合金厚板吊裝入加熱爐，加熱速度60～120 ℃/h，保溫適當(dāng)時間，確保加熱均勻，溫度適中。

(3)模具準(zhǔn)備對模具進(jìn)行預(yù)熱，將潤滑劑涂抹在上模半球殼面及下模的上表面。

(4)預(yù)沖壓成形加熱的坯料快速吊裝入預(yù)熱的模具中，并使上、下模對中，以10～100 mm/s沖壓速率進(jìn)行沖壓成形。使用紅外測溫儀測量坯料溫度，確保沖壓溫度不低于700 ℃，當(dāng)溫度接近該溫度時，停止沖壓。

(5)沖壓成形坯料重新回爐中加熱至工藝設(shè)定溫度并保溫足夠時間，重復(fù)2～3次步驟4，完成整體成形。

圖3為TC4 ELI鈦合金半球殼沖壓成形過程?？梢钥闯?，沖壓成形的TC4 ELI鈦合金半球殼表面質(zhì)量良好，無裂紋等其他缺陷。

3.2TC4 ELI鈦合金半球殼尺寸及性能

3.2.1TC4 ELI鈦合金半球殼尺寸

待沖壓成形的半球殼出模冷卻后，采用立體半球殼樣板檢測半球殼內(nèi)徑尺寸和形狀，用超聲測厚儀測量半球殼壁厚。為保證測量結(jié)果的全面性和可靠性，沿經(jīng)度、緯度方向進(jìn)行多點(diǎn)測量。球殼局部點(diǎn)存在減薄，整體尺寸滿足后續(xù)機(jī)械加工的要求，檢測數(shù)據(jù)見表1。

3.2.2TC4 ELI鈦合金半球殼力學(xué)性能

從半球殼直邊段和后續(xù)開孔余料上取樣測試性能。采用INSTRON5885電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能測試，采用CHT4105液壓萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行冷彎角測試(彎心直徑D為試樣板厚度t的10倍)。檢驗(yàn)結(jié)果完全滿足項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)，具體數(shù)據(jù)見表2。

圖3　TC4 ELI鈦合金半球殼沖壓成形過程Fig.3　 Stamping forming of TC4 ELI titanium alloy hemisphere shell

最小值最大值平均值內(nèi)半徑/mm10281035.51032厚度/mm 84.9189.6987.3

表2　TC4 ELI 鈦合金半球殼的力學(xué)性能

3　結(jié)　論

(1)通過計算機(jī)模擬技術(shù)和借鑒鋼材半球殼成形工藝設(shè)計了深潛器載人艙用鈦合金半球殼的整體沖壓成形模具，制定了沖壓成形工藝。并通過鋼材、純鈦的半球殼整體沖壓預(yù)成形試驗(yàn)優(yōu)化成形工藝參數(shù)，最終成功地沖壓成形了TC4 ELI 鈦合金半球殼。

(2)整體沖壓成形的TC4 ELI 鈦合金半球殼，其尺寸和力學(xué)性能等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足深潛器載人艙用鈦合金球殼的設(shè)計指標(biāo)，可用于制造4 500 m深潛器載人艙。

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Development of TC4 ELI Titanium Alloy Hemisphere Shell for Manned Submersible

Feng Yaqi1,Jia Shuanxiao1,Wang Weiqi1,Zhang Yongqiang1,Wang Jianhong2,Yuan Xiaogang2

(1.Baoji Titanium Industry Co.,Ltd., Baoji 721014，China) (2.Baose Special Equipment Co., Ltd., Baoji 721014，China)

The titanium alloy hemisphere shell stamping forming mould and forming process of manned submersible were designed by computer simulation techniques based on forming process of steel hemisphere shell, then the mould and forming process parameters were verified and optimization through the tests by steel and pure titanium slabs，TC4 ELI titanium alloy hemisphere shell of bathyscaph was successfully produced by stamping forming process. The tested results indicate that the dimension and mechanical properties of hemisphere shell produced by overall stamping forming can meet the design indicators of the 4 500 m manned bathyscaph and can be used for manufacturing the hemisphere shell of manned bathyscaph.

TC4 ELI titanium alloy；stamping forming；submersible;hemisphere shell

2015-11-06

國家863計劃資助項(xiàng)目(2013AA09A108)

馮雅奇(1984—)，男，工程師。

TG389

A

1009-9964(2016)01-0019-04