[发明专利]外加热金属板材高温超高水压一次成形技术、方法与设备

摘要

一种利用水在高温下所产生的巨大内高压，以板材为坯料，一次成形容器状(或缩口容器状)金属部件的技术、方法和设备。设备由四部分组成，1.高温高压设备：高压容器(1)、外置式电热高温炉(2)、工作水(4)；2.成形设备：凹形模具(5)、板材坯料(11)、容器顶盖(6)；3.密封组件：凹凸形密封槽环(7)、螺具(10)；4.控制设备。成形方法：①将高压容器中加满水；②将板材覆盖在容器上面；③将凹形密封槽与凸形密封环对齐，下行模具；④旋紧螺丝，将板材密封在高压容器和模具之间；⑤加热高压容器中的工作水至高温；⑥当容器中由高温水所产生的压力超过板材所能承受的张力时，板材向凹形模具拉深变形，直至与内模表面一致。本发明可用于高强度、厚板金属材料的加工。

主权项

1.一种利用水在高温下所产生的巨大静压力，以板材为坯料，一次液压成形各种容器状(或缩口容器状)金属部件的技术。本发明是基于水的状态方程、水的p-V-T关系图、以及下面两组高温超高压热模拟实验结果。其技术特点为成形过程中所需的内高压来源于水在高温下所产生的巨大压力。根据水的p-V-T关系图以及水的状态方程，水的密度随着温度和压力变化而变化，当压力增高时，流体的密度可以从水蒸气的密度值连续地变化到液体水的密度值。在高温，如200℃、500℃和1000℃时，要维持常温常压下水的密度(1g/cm3)，所需外部压力分别要达到0.3GPa、0.8GPa、1.82GPa。换句话说，如果将充满水(即充填度为100％)的封闭的金属容器分别加热到200℃、500℃和1000℃，容器中的水将会产生近0.3GPa、0.8GPa、1.82GPa的压力，并均匀作用于四周容器壁上。我们正是利用水的这一特性，以板材为坯料，来进行各种容器状(或缩口容器状)金属部件的一次成形加工。水在高温下能够产生用于加工板材坯料的巨大的内高压可以从以下两组高温高压实验中得到印证。一组是将加满水(约6-7滴)的外径为48mm，内径为8mm，内外径比为1∶6的Rene41钛钼合金高压釜通过锥形塞头加以密封，然后放入由控温仪控制的管式炉中，以外加热的方式按预先设定好的程序逐渐升温。当炉温升至350℃，发现由釜体内部的高温水所产生的巨大内高压使该钛钼合金高压釜体向外膨胀并爆裂一个长27mm、宽11mm的裂口；第二组实验方法与第一组相同，即将加满水(约8-9滴)的外径为60mm，内径为8mm，内外径比为1∶7.5的两个不锈钢高压釜体通过锥形塞头加以密封，然后放入管式炉中，以外加热的方式按预先设置好的程序逐渐升温。当炉温升至450℃和480℃时，由高压釜内部的高温水所产生的巨大内高压导致两个不锈钢高压釜体均向外膨胀，釜体外径由实验前的60mm分别膨胀变形为63.1mm和64.3mm。此现象为我们利用水介质在高温下所产生巨大的静压力，以板材为坯料，来进行各种容器状(或缩口容器状)金属部件的一次成形加工提供了依据。本发明与目前常规的液压成形最大的不同有三点：①压力产生机理(或压力来源)不同。常规液压成形过程中压力来源于液压泵中的机械压力，而本发明中的内高压来源于高压容器(液压室)中的水在高温下所产生的巨大静压力；②成形介质不同。常规液压成形过程中的成形介质是常温液体(水或油)，而本发明中的成形介质为高温超高压水(超临界水)，而非传统意义上的液体；③成形过程中金属坯料所处的状态不同。常规液压成形过程中金属材料是在低温刚性状态下膨胀变形，而本发明中金属坯料是在高温近于塑性状态下膨胀变形，因此本技术对于成形高强度及厚壁金属材料部件具有明显的优势；④由此所造成的成形设备组件及加工方法也不同。常规液压成形设备主要由液压泵，液压室、和模具组成，而本发明设备主要包括外置式电热高温炉，高压容器、工作水、和模具。