[发明专利]内加热金属管材(超)高温超高压水压一次成形技术、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，一次成形缩口管状金属部件的技术、方法和设备。设备主要包括，1.加热及成形设备：凹形金属模具(1)、电热高温炉(5)、中温预热炉(2)；2.管材装载及密封设备：管材坯料(8)、管材支架(6)、工作水(9)、密封冲头(4)；3.控制设备。成形方法及步骤：①将管坯中加满水，用对冲冲头密封管材开口端；②将加满水且密封的管坯置于外套中温炉的凹形模具中；③开启焊接在密封冲头上的电热高温炉，采用内加热的方式加热管坯中的工作水至高温；④当此高温水压超过管壁所能承受的张力时，膨胀管壁，直至其外表面与内模表面基本一致；⑤停止加热，取出所加工的金属部件。本发明可成形轴线为直线、曲线，以及变截面的缩口管状金属部件。

主权项

1.一种利用水在高温下所产生的巨大静压力，一次成形缩口管状金属部件的技术。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，将充满水的(即充填度为100％)封闭的金属容器分别加热到200℃、500℃和1000℃，容器中的高温水将会产生约0.3GPa、0.8GPa、1.82GPa的内高压，并均匀作用于四周容器壁上。我们正是利用水的这一特性来进行缩口管状金属部件的一次成形。即将充满水的管材毛坯，用焊有高温电热元件的锥形(或球形)对冲密封冲头将管坯两开口端加以密封，并放入外套中温炉的凹形金属材料模具中；然后，利用焊接在密封冲头上的电热高温炉，采用内加热的方式，从管坯内部对其中的工作水进行直接加热；随着水温的逐步升高，管坯中由高温工作水(超临界水)所产生的压力也迅速增加，当此高温水压超过管壁所能承受的张力时，膨胀管坯的壁使其变形，直至与凹形内模表面基本一致，这样就得到各种缩口管状金属部件。水在高温下能够产生用于膨胀管坯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，来进行缩口管状金属部件的一次成形提供了依据。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管材坯料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管材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；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，模具和金属坯料组成，而本发明设备主要包括焊接在密封冲头上的电热高温炉，凹形金属材料模具，管材毛坯以及工作水四部分。