内加热金属容器中—高温超高水压一次成形技术、方法与设备

1.技术领域：

本发明涉及一种全新的缩口容器状金属部件水压一次成形技术、方法与设 备。具体的，就是利用水在高温下所产生的巨大的静压力这一技术及相关设备， 进行缩口容器状金属部件的一次成形。

成形过程中所需内高压来源于高温水所产生的巨大静压力，成形介质为高温 超高压水(超临界水)，金属坯料是在高温状态下成形。

2.背景技术

目前通常所说的液压成形(内高压成形)是以液压泵(水泵或油泵)为压力 来源，常温流体(水或油)为成形介质，以管材作坯料，通过管材内部施加高 压液体把管坯压入到模腔中使其成形为所需工件。具体地是将金属毛坯放入一 液压成形组件的模腔中并用液压泵向毛坯内部提供高压流体，以使毛坯向外膨 胀与限定模腔表面一致。此方法的缺点及局限：①成本较高，需要一高性能高 压水泵；②工作压力相对较低，最高工作压力通常为0.3-0.5GPa左右；③升 压较为困难，对于普通的液压泵，若要在工作压力范围的基础上再提升0.1GPa， 技术要求很高，并且常常较为困难；④所加工的金属部件外表面容易产生扇形 微裂隙，因为金属毛坯是在低温刚性状态下膨胀变形；⑤加工高强度金属部件 (如钛合金等)受到限制，因是在低温状态下加工；⑥加工厚壁金属材料部件 受到限制，因是在低温状态下加工。

3.发明内容

本发明是一种内加热金属容器中—高温超高压水压一次成形技术、方法与设 备。本发明是利用水在高温下所产生的巨大静压力这一技术及相关设备，进行 缩口容器状金属部件的一次成形，其中采用内加热方式对高压容器中的工作水 进行加热，使其产生膨胀容器金属毛坯壁所需的内高压。本发明无论从压力产 生机理、成形介质、成形过程中金属所处的状态，还是从设备构件上都与目前 常规的液压成形技术和设备不同，它是一种全新的技术、方法和设备。

本发明是基于水的状态方程、水的p-V-T关系图、以及下面两组以水为传压 介质高温超高压热模拟实验结果提出的：①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地程序逐渐 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(见图1B-1)；② 同样的实验方法，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(见图1B-2)。 此现象为我们利用水介质在高温下所产生巨大的静压力，来进行缩口容器状金 属部件的一次成形提供了依据。

本发明的一项内容是一种利用水在高温下所产生的巨大静压力，一次液压成 形缩口容器状金属部件的技术(见图2A)。其特点为，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。水的p-V-T关系是水的基本的物理化学 性质，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(或充填度为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的压力，并均匀作用于四周容器壁上(见图1A)。我 们正是利用水的这一特性来进行缩口容器状金属部件的一次成形。即将充满水 或充填一定量水的金属容器毛坯，加以密封，然后通过热传导的方式间接加热 容器毛坯中的水至高温。随着水温的升高，容器坯料中由高温水所产生的压力 迅速增加，当由高温工作水所产生的压力超过容器毛坯壁所能承受的张力时， 膨胀容器毛坯的壁，此时若用凹形模具加以控制，就得到各种既具有外部形态 又具有内部形态的双形态的缩口容器状金属部件(见图2A和2B)。水在高温下 能够产生用于膨胀容器坯料的巨大的内高压可以从上述两组高温高压实验中得 到印证(见图1B-1，图1B-2)。

本发明第二项内容涉及一种内加热并产生成形缩口容器状金属部件所需内 高压的技术及组件(见图4A和4B)。其特点是将高温电热元件置于高压容器内 部，从内部直接对高压容器中的工作水进行加热，使其产生成形过程中所需要 的内高压。同时，高压容器外壁缠绕有方形(或圆形)铜管冷却水循环装置， 以提高高压容器外壁的抗张强度，进而提高高压容器中工作水的工作温度及工 作压力，扩大设备的压力使用范围，提供膨胀厚壁金属材料、高强度金属材料 所需的内高压。

内加热技术包括高压容器内部内置式电热高温炉加热技术和容器外壁的冷 却技术两部分。其组件主要由高压容器、工作水、内置式电热高温炉、冷却水 循环装置四部分组成。

本发明第三项内容涉及一种内置式电热高温炉组件。其特点是将电热高温炉 置于高压容器内部，从内部直接对高压容器中的工作水进行加热，以便产生成 形过程中所需的内超高压。本组件包括高温电热元件(2-1)、绝缘涂层(2-2)、 电热元件外面的金属保护壳体(2-3)、以及外裹绝缘层的金属导线四部分(见 图4A)。

内加热设计既要保证高压(超高压)工作环境下的高压容器的密封性，又要 保证电热元件以及金属导线在加热过程中与工作水和高压容器壁之间的绝缘 性。因此，在电热元件和金属导线外面必须涂有耐高温的绝缘材料。

电热元件采用碳化硅棒(工作温度为1000-1350℃)，或硅化钼棒(工作温度 1350-1600℃，最高达1800℃)。使用前对碳化硅棒和硅化钼棒在高温下进行烧 结，使碳化硅棒和硅化钼棒外表面产生一层较厚的耐高温硅质绝缘及防氧化层， 然后用耐高温的金属壳体包裹在碳化硅棒和硅化钼棒高温电热元件外面，从而 避免电热元件与高温水直接接触，以保护碳化硅棒和硅化钼棒外表面的硅质绝 缘层，延长高温电热元件的使用寿命。

高温电热元件连同外面的金属保护壳体焊接在高压容器壁上，或用螺具通过 锥面-锥面或锥面-球面固定在高压容器壁上，并用外涂绝缘涂层的金属导线将 高温电热元件和测温热电偶引出，与外接电源和控温仪相连，同时要保证高压 容器在高压下具有良好的密封性。高温电热元件既可以置于高压容器侧壁上(见 图4A)，也可以置于高压容器底部壁上(见图4B)，这要视具体情况而定。

本发明第四项内容涉及一种以热传导的方式间接加热容器坯料腔体中的工 作水至高温，产生膨胀容器毛坯壁并一次成形缩口容器状金属部件所需内高压 的技术及组件(见图5)。

其特点为，首先将高压容器和金属容器坯料中都加满水，然后采用内加热 方式加热高压容器中的工作水至高温，以高压容器中的高温工作水为热源，利 用高压容器中高温水和金属坯料中的中-低温水之间的温度差，通过连接高压容 器和金属毛坯之间的高压金属管线，以热传导的方式，将高压容器中高温工作 水的高温传导到容器坯料腔体水中，间接加热金属坯料腔体中的水至高温，使 其产生膨胀容器坯料壁并一次成形缩口容器状金属部件所需内高压的技术。

本技术主要包括高压容器、内置式电热高温炉、高压金属管线、金属容器 毛坯、以及工作水五个基本组件。

本发明第五项内容涉及一种以压力传导的方式直接提供膨胀容器毛坯壁，并 一次成形缩口容器状金属部件所需内高压的技术及组件(见图6A，6B，6C，6D 和6E)。

其特点是，首先将高压容器中加满水，然后通过内加热方式加热高压容器中 的工作水至高温，当由高温工作水(超临界水)所产生的内高压达到预定的压 力时，开启高压容器和金属坯料之间的高压阀，这样由高压容器中高温工作水 所产生的巨大内高压经由高压金属管线传导到容器毛坯的腔体中，膨胀容器毛 坯的壁使其变形，直至容器坯料的外表面与模具内模表面基本一致的技术。

本技术主要包括高压容器、内置式电热高温炉、高压金属管线、高压截止 阀、金属容器毛坯、以及工作水六个基本组件。

本发明第六项内容涉及一种金属容器毛坯预加热的技术。其特征是在模具外 面套一中温炉，并透过模具对模腔中的金属容器毛坯进行预加热的技术(图4A)。 其作用一是使金属毛坯(无论热传导或压力传导)在热状态下膨胀变形；二是 减少热传导过程中热量在容器毛坯中的损失，缩短一次成形所需的时间。

本发明的第七项内容是内加热金属容器中—高温超高压水压一次成形设备。 该设备包含四大部分18个基本组件(见图4A)。第一部分为高温高压设备(压 力源)，包括高压容器(1)、内置式电热高温炉(2)、工作水(4)、冷却水循环 装置(3)；第二部分为温度(或压力)传导设备：包括高压金属管线(5)及保 温套(6)、高压阀(7)；第三部分为成形设备，包括凹形模具(12)、中温预热 炉(13)及炉壳(14)、模具固定支架(16)、金属容器毛坯(11)、金属容器毛 坯支架(9)、密封塞头(8)、金属套圈(10)；第四部分为控制设备，包括控温 仪(2，17)、模具开合及移动控制设备(15，18)。

设备特点：①采用内加热的方式加热高压容器中的工作水，使其产生成形过 程中所需要的内高压，即将高温电热元件置于高压容器内部，高温炉从内部对 容器中的水直接进行加热；②压力源(高压容器和高温炉)与模具分开放置， 模具既可使用耐高温、高强度陶瓷材料模具，也可使用金属材料模具(如不锈 钢材料模具)；③采用压力传导或热传导的方式，间接提供膨胀容器状金属坯料 所需的内高压。成形过程中所需的内高压是由高压容器中的高温水(超临界水) 产生，并经由高压金属管线传导到金属毛坯腔体中；④高压容器外壁缠绕有方 形(或圆形)铜管冷却水循环装置，以提高高压容器的抗张强度，进而提高工 作水的工作温度及工作压力，扩大金属材料和容器壁厚的加工范围；⑤凹形模 具的外面套有一中温炉，以对金属毛坯进行预加热；⑥高压容器抗张强度高， 工作水的工作温度高和工作压力大，但高压容器密封难度较大；⑦本设备不仅 可以加工薄壁、低强度的金属材料(如铜、铝合金等)，也可以成形厚壁、高强 度金属材料(如钛合金、碳素钢，以及不锈钢等)；⑧本设备不仅可以加工如圆 形、椭圆形、方形等形态简单的缩口容器状金属部件，也可以成形如串珠状等 形态较复杂的缩口容器状金属部件(见图3)。

本发明第八项内容涉及一种压力传导内加热金属容器中—高温超高压水压 一次成形方法

其特点是，利用高压容器中由高温工作水所产生的内高压，经由高压金属 管线将内高压传递到容器毛坯腔体中，直接提供膨胀金属容器毛坯壁并一次成 形缩口容器状金属部件所需的内高压。具体步骤(见图6A，6B，6C，6D和6E) 如下：

①首先将金属毛坯预制成壁厚均匀的筒状(容器状)金属坯料；②将高压 容器中加满水；③用有轴向通孔的塞头将容器毛坯开口端加以密封，塞头的另 一端则用高压金属管线将塞头和高压容器相连；④用支架将金属毛坯置于外套 中温炉的凹形模腔中进行预加热至设定的温度；⑤开启高压容器内部的内置式 电热高温炉以及容器壁外部的冷却水循环装置，采用内加热的方式加热高压容 器中的工作水至设定的温度；⑥当高压容器中由高温水(超临界水)所产生的 内高压达到预定的压力时，开启高压阀，这样由高压容器中高温工作水(超临 界水)所产生的巨大内高压通过高压金属管线传导到容器毛坯的腔体中，膨胀 容器毛坯的壁使其变形，直至容器坯料壁外表面与模具内模表面基本一致；⑦ 关闭高压阀，打开模具和塞头，这样就得到各种既具有外部形态又具有内部形 态的双形态缩口容器状金属部件。

本发明第九项内容涉及一种热传导内加热金属容器中—高温超高压水压一 次成形方法

其特点是，首先采用内加热方式加热高压容器中的工作水至高温，然后通 过高压金属管线，将高压容器中高温工作水的高温传递到金属坯料腔体水中， 以热传导的方式间接加热金属坯料腔体中的水至高温，产生膨胀容器毛坯壁并 一次成形缩口容器状金属部件所需的内高压(见图5)。具体步骤如下：

①首先将金属毛坯预制成壁厚均匀的筒状(容器状)金属坯料；②是将高压 容器中加满水，容器毛坯的腔体中也加满水；③用有轴向通孔的塞头将容器毛 坯开口端加以密封，塞头的另一端则用高压金属管线将塞头和高压容器相连； ④用支架将金属毛坯置于外套中温炉的凹形模腔中进行预加热至设定的温度； ⑤开启高压容器内部的内置式电热高温炉以及容器壁外部的冷却水循环装置， 采用内加热的方式加热高压容器中的工作水至设定的温度，高温炉工作温度要 远高于中温炉的工作温度；⑥高压容器中由高温工作水所产生的高温通过高压 金属管线传导到容器毛坯腔体水中，间接加热金属毛坯腔体中的水至高温，当 此高温水(超临界水)所产生的压力超过容器毛坯壁所能承受的张力时，膨胀 容器毛坯的壁使其变形，直至其外表面与模具内模表面基本一致；⑦停止加热， 降低炉温和所加工的金属部件至安全的温度；⑧打开模具和塞头，这样就得到 各种缩口容器状金属部件。

对于缩口金属部件，传统制造工艺一般为先冲压成形2个半片再焊接成整体 构件。与冲压焊接工艺相比，高温高压液力成形的主要优点是减轻质量，节约 材料；减少了零件和模具的数量，降低了模具费用和生产成本；提高了产品的 强度与刚度。

本发明无论从压力产生机理、成形介质、成形过程中金属所处的状态，还是 从设备构件上都与目前传统的液压成形技术和设备不同，它是一种全新的技术 和方法。本方法与常规液压成形最大的区别是：①压力产生机理(或压力来源) 不同。常规液压成形过程中的压力来源于液压泵中的机械压力，而本方法中的 压力来源于水本身在高温下所产生的巨大静压力；②成形介质不同。传统液压 成形介质为常温液体(水或油)，而本发明中的成形介质为高温超高压水(即超 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，普 通液压成形过程中金属坯料是在低温刚性状态下膨胀变形，而本方法中金属坯 料是在高温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。

此外，与传统的液压成形相比，本发明具有如下几方面优点：①成本较低， 主要设备组件为高压容器、电热高温炉、模具；②使用压力范围宽，可从几十 个大气压，一直连续变化到1.2万个大气压，甚至更高；③增压非常容易，通 过高压金属管线的热传导，金属坯料中的工作水的温度只要达到200℃、500℃、 1000℃，此高温水就可以产生高达300MPa、800MPa和1800MPa的内高压；④所 加工部件壁质地均匀，因为金属毛坯是在一种近于塑性状态下膨胀，即塑性变 形，因此只要条件计算和控制适当，金属部件外壁由于膨胀所产生的微裂隙就 可避免；⑤可加工诸如钛合金、高强度钢等难成形的金属部件，因是在高温热 状态下成形；⑥可加工厚壁的缩口容器状金属部件，因是在高温热状态下成形。

与其它高温高压液压成形方法相比，由于本方法中采用内加热的方式加热高 压容器中的工作水至高温，并且高压容器外壁缠绕有冷却水循环装置，因此高 压容器壁的抗张强度显著提高，从而使工作水温度，以及由高温水(超临界水) 所产生的压力也大幅提高，可提供膨胀厚壁金属材料、高强度金属材料所需的 超高压。

4.附图说明

图1A为水在高温下所产生巨大压力示意图

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200MPa、800MPa、1800MPa 的内高压。

图1B-1钛、钼合金高压釜在350℃高温水产生的内高压作用下膨胀及破裂 图(A)

釜体壁厚及内外径比(外径48mm，内径8mm，内外径比1∶6)(B)

图1B-2不锈钢高压釜在480℃高温水产生的内高压作用下膨胀图(A)

釜体壁厚及内外径比(外径60mm，内径8mm，内外径比1∶7.5) (B)

图2A是本发明的金属容器高温超高压液压一次成形技术示意图；

利用水在高温下所产生的巨大压力一次成形缩口容器状金属部件 a-常温未变形，；b-低温初始膨胀；c-中温中等膨胀； d-高温完全膨胀。

图2B是本发明的金属容器高温超高压液压一次成形步骤示意图；

a-加水；b-密封；c-加热；d-膨胀。

图3部分缩口容器状金属部件产品示意图

a-椭圆形；b-圆形；c-方形；d-串珠形。

图4A是本发明的内加热中-高温高压金属容器液力一次成形设备及主要 构件示意图(电热高温炉置于高压容器侧壁上)

1-高压容器；2-内置式电热高温炉(21-高温电热元件；22-绝 缘涂层；23-电热元件外面的金属保护壳体)；3-冷却水循环装置； 4-工作水；5-高压金属管线；6-保温套；7-高压阀；8-密封 塞头；9-金属容器毛坯支架；10-金属套圈；11-容器毛坯；12 -凹形模具；13-中温预热炉；14-炉壳；16-模具支架；17-控 温仪；18-模具开合及移动控制设备。

图4B是本发明的将电热高温炉置于高压容器底部的内加热中-高温高压 金属容器液力一次成形设备示意图

图5是本发明的热传导内加热中—高温高压金属容器液力一次成形 示意图

将高压容器和容器坯料腔体中都加满水，采用热传导的方式加热容 器坯料中的水至高温，使其产生膨胀容器壁并形成缩口容器状金属 部件所需的内高压。

图6A压力传导中—高温高压金属容器液力一次成形步骤示意图，

将金属毛坯预加工成壁厚均匀的容器状(或筒状)金属坯料；将高 压容器中加满水。

图6B压力传导中—高温高压金属容器液力一次成形步骤示意图 用有轴向通孔的锥形塞头将容器毛坯开口端加以密封；将密封的容 器毛坯置于容器毛坯支架上，并置于外套中温炉的模腔内，下行上 模；利用中温炉对容器毛坯进行预加热。图中金属容器毛坯处于低 温未变形状态。

图6C压力传导中—高温高压金属容器液力一次成形步骤示意图 开启高压容器内部的内置式电热高温炉，程序升温高压容器中的工 作水至设定的温度，使其产生成形过程中所需的内高压，当高压容 器中由高温水所产生的压力达到一定程度时，开启高压阀，提供膨 胀容器毛坯所需要的内高压。图中金属容器毛坯处于初始膨胀状 态。

图6D压力传导中—高温高压金属容器液力一次成形步骤示意图 随着高压容器中工作水的工作温度和工作压力进一步升高，容器毛 坯的壁继续膨胀变形，直至其外表面与凹形模具内模表面基本一致。 图中金属毛坯处于高温完全膨胀状态。

图6E压力传导中—高温高压金属容器液力一次成形步骤示意图 关闭高压阀，停止向金属容器毛坯腔体中提供压力，当所加工的金 属部件降至安全温度时，打开模具并取出所加工的缩口容器状金属 部件。

5.优选实施例的详细描述

本方法和技术适用的领域非常广，它不仅可用于汽车(摩托车)工业、机械 工业、轻工业，也可用于舰船工业(尤其是潜水艇)、航空工业、宇航工业(如 各类导弹弹体、飞船返回舱等)、以及兵器工业等。

本次暂以椭圆形(或圆形)缩口容器状金属部件为优选实施例，具体实施方 法及加工步骤如图6A-6E中所述。