沙漏形金属构筑成形方法技术

本发明专利技术公开一种沙漏形金属构筑成形方法，其特征在于，包括：制备多个基元；将多个基元堆叠在一起以形成具有从中间向两端横截面面积逐渐增加的形状；将堆叠在一起的多个基元焊接封装成预制坯；通过锻焊使得多个基元之间的界面焊合以将预制坯制成毛坯。本发明专利技术采用多块体积更小的金属坯作为构筑基元制成大型金属坯。

Forming method of hourglass metal construction

The invention discloses an hourglass shaped metal forming method, which is characterized in that includes preparing a plurality of base element; a plurality of element stacked together to form from the middle to both ends with the cross-sectional area increasing shape; will be stacked in a plurality of cells together into the preform by welding and packaging; the preform blanks made by forging and welding the multiple element interface between welding. The invention adopts metal billets with smaller volume as a construction base element to make large metal billets.

【技术实现步骤摘要】
沙漏形金属构筑成形方法
本专利技术涉及一种金属材料制造方法，具体来说是沙漏形金属构筑成形的加工方法。该方法不但适用于同质材料的均质化制造，而且还适用于异质材料的复合制造。
技术介绍
金属材料是人类历史发展中最不可或缺的材料，基于其得天独厚的廉价性、强韧性、耐久性等特点，金属在当代材料工业中始终占据主导地位。经过数千年的积累，人类已掌握一整套相当成熟的金属材料生产技术，例如传统的钢铁生产历经冶炼、浇铸、压力加工和热处理工序，产品质量稳定，价格低廉。近年来出现的金属基复合材料结合了金属材料与非金属材料的优点，具有比重小、比强度高等特点，进一步拓宽了金属材料的应用范围。一些关键领域对复合界面的结合强度要求较高，传统的爆炸复合方式由于在常温下压力复合，界面上存在显微缺陷，已难以满足要求，需要开发更加可靠、更加安全的新的金属复合方法。传统的金属构筑成形方法使用的基元为长方体或圆柱体，堆叠组合后形成长方体或圆柱体形预制坯。该预制坯在镦粗过程中侧面会产生鼓肚，鼓肚位置会存在拉应力，极易造成焊缝开裂。因此，亟需一种构筑方案解决镦粗过程中表面拉应力导致的焊缝开裂问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种制备大型金属材料或复合金属材料的沙漏形构筑成形方法，以铸坯、锻坯、轧坯等为基元，将基元侧面加工成斜面，并通过表面加工和清洁后，将多个基元封装在一起成为沙漏形，并使界面内部保持高真空状态，然后施加以镦粗变形、锻间保温、多向锻造为特点的锻焊工艺，最终制备优质大型金属器件。其中锻焊是指在高温锻造过程中，通过不同基元间的原子扩散使界面充分焊合而实现冶金连接的过程。本专利技术的技术方案为：一种沙漏形金属构筑成形方法，其中所述沙漏形是指将多个基元堆叠在一起以形成具有从中间向两端横截面面积逐渐增加的形状。所述沙漏形金属构筑成形方法包括如下步骤：首先制备基元：将多块小规格金属坯(可为铸坯、锻坯或轧坯)下料为指定尺寸，通过压力加工或机械加工方式将侧面加工成斜面，并将上下表面加工平整，露出新鲜金属。采用有机溶剂将坯料表面清洗洁净，处理后的坯料称之为基元；然后将基元构筑、封焊成预制坯：将多块基元按照设计顺序进行堆叠，堆叠成大规格圆柱体沙漏形或长方体沙漏形，采用廉价金属板将构筑后的坯料整体封装成箱，并对箱内抽真空处理；或采用真空焊接方式分别将各基元间的界面封装；封装后的坯料称之为预制坯；然后将预制坯锻焊成毛坯：将封装后的预制坯加热到指定温度出炉，在液压机上进行锻造，实施镦粗变形、锻间保温、多向锻造的措施，使界面充分焊合，实现冶金连接，成为一体化的毛坯；最后成形为器件：将毛坯采用锻造、轧制等压力加工方式进一步成形，采用机加工方式精确成形为最终规格尺寸。该方法的具体步骤如下：第一步，按照预先计算好的尺寸规格裁切金属坯，将金属坯侧面裁切成斜面或加工成斜面；第二步，加工、清洗金属坯表面；第三步，按照设计顺序将多块金属坯排列堆叠成沙漏形，将排列堆叠后的金属坯封装，使各接触界面处于真空状态；第四步，对封装后的金属坯实施锻前加热；第五步，对金属坯实施镦粗变形；第六步，对金属坯实施保温扩散连接；第七步，对金属坯实施多向镦粗变形；第八步，将金属坯加工成形至最终规格尺寸。在沙漏形金属构筑成形方法的第一步中，按照计划的沙漏形尺寸计算每块金属坯的尺寸，将金属坯裁切成相应的圆台形或梯台形。也可裁切成圆柱体形或长方体形，之后对坯料侧面进行加工，将金属坯制成圆台形或梯台形。在坯料总数为奇数的情况下，中间一块坯料侧面保持竖直；在坯料总数为偶数的情况下，所有坯料侧面均为倾斜的。坯料侧面倾斜角度为10°～30°，所有坯料侧面倾斜角度均相同，或由两端至中间倾斜角度逐渐减小均可。裁切后的金属坯叠加之后总高度与最大宽度/直径的比例不超过3∶1，便于实施镦粗变形。在沙漏形金属构筑成形方法的第二步中，采用角磨、钢刷打磨金属坯表面，去除氧化皮，必要时采用铣床加工表面。然后采用丙酮、酒精等有机溶剂清洗表面，保障表面高度清洁，露出新鲜金属。在沙漏形金属构筑成形方法的第三步中，按照设计顺序将多块金属坯排列组合、堆叠成沙漏形，并使边缘对齐。圆台形金属坯可堆叠成圆柱体沙漏形，梯台形金属坯可堆叠成长方体沙漏形。采用廉价金属板将构筑后的坯料整体封装成箱，箱体预留抽真空接口，对箱内抽真空处理后再封堵接口；或将堆叠后的坯料整体放入真空室内，再采用真空焊接方式分别将各基元间的界面封装，封装界面的焊接深度为10～50mm。在沙漏形金属构筑成形方法的第四步中，将焊接完成的坯料送入加热炉加热，加热温度为0.8至0.9Tm，Tm为材料的熔点，单位为℃。优选温度为0.85Tm。在沙漏形金属构筑成形方法的第五步中，将加热后的坯料水平放置于锻压机操作平台上，使变形方向垂直于坯料内界面方向；采用镦粗板对坯料进行镦粗；首先压下坯料总高度的10-50％，具体压下量与沙漏形中部与上下两端的差异程度相关，差异较大(即侧面斜率较大)的压下量较大，差异较小的压下量较小。变形过程中观察坯料侧面鼓肚情况，在坯料横截面面积从两端至中间基本上相等时，停止变形。在沙漏形金属构筑成形方法的第六步中，将镦粗后的坯料送回加热炉加热，实施高温扩散，加热温度为0.85Tm，Tm为材料的熔点，单位为℃；坯料温度均匀后保温时间为3至8小时，优选时间为5小时。在沙漏形金属构筑成形方法的第七步中，将锻焊成一体的坯料沿2～3个方向进行镦粗变形，变形量不小于变形方向尺寸的30％，以保证每个方向坯料均有变形。在沙漏形金属构筑成形方法的第八步中，将锻焊成一体的坯料通过锻造、轧制等压力加工方式进一步成形，采用机加工方式精确成形为最终规格尺寸。本专利技术的物理冶金学和力学分析如下：在金属坯叠加、封焊边缘之后，虽然在宏观上界面两侧的坯料接触在一起，实际上由于坯料表面存在一定的粗糙度，微观上两块坯料之间是多点接触，在接触点之间存在大量空隙，这种空隙可以等效为孔洞。以其中一个孔洞为例，分析其在坯料镦粗锻造过程的演化历程：如图1所示，(a)变形开始阶段，孔洞被压扁，晶粒发生畸变；(b)孔洞宏观上闭合，形成裂纹状缺陷，基体发生再结晶；(c)裂纹缺陷失稳分解为圆柱体或球状微孔洞；(d)晶界迁移、晶粒长大，微孔洞在原子扩散作用下逐渐消失，两块板坯之间实现冶金结合。孔洞型缺陷的愈合过程包括孔洞的闭合与闭合表面的焊合：闭合是指孔洞表面在应力应变的作用下实现物理接触，焊合是指闭合表面在一定温度、接触压力以及保温时间的条件下通过扩散、再结晶等方式实现冶金结合。闭合是实现焊合的前提，采用锻造方式加工真空焊接或真空封箱后的预制坯，预制坯中心的应变量远大于轧制方法，能够保证缺陷的闭合。焊合是实现缺陷完全愈合的关键，专利技术人前期通过系统的实验研究，发现显微尺度上一些缺陷虽然已经闭合，但尚未焊合，在外力作用下极易重新张开。同时，刚刚焊合的界面成分、组织与基体存在较大差异，形成“结合带”，这种“瘢痕”组织需变形后长时间高温热处理才能完全消除。基于上述考虑，本专利技术提出了“锻间保温”和“多向锻造”的方法实现界面的愈合和成分、组织的均匀化。“锻间保温”可以保障通过高温扩散，使变形时微观上仍存在的显微孔洞完全愈合；“多向锻造”可以保障焊合界面在多个方向上均发生大变形，使界面上残留的氧化膜尽可能地分散到基体当中，降低其对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种沙漏形金属构筑成形方法，包括：制备多个基元；将多个基元堆叠在一起以形成具有从中间向两端横截面面积逐渐增加的形状；将堆叠在一起的多个基元封装成预制坯；通过锻焊使得多个基元之间的界面焊合以将预制坯制成毛坯。

【技术特征摘要】
1.一种沙漏形金属构筑成形方法，包括：制备多个基元；将多个基元堆叠在一起以形成具有从中间向两端横截面面积逐渐增加的形状；将堆叠在一起的多个基元封装成预制坯；通过锻焊使得多个基元之间的界面焊合以将预制坯制成毛坯。2.根据权利要求1所述的沙漏形金属构筑成形方法，所述多个基元为铸坯、锻坯或轧坯。3.根据权利要求1所述的沙漏形金属构筑成形方法，所述从中间向两端面积逐渐增加的横截面是圆形。4.根据权利要求1所述的沙漏形金属构筑成形方法，所述从中间向两端面积逐渐增加的横截面是正方形或长方形。5.根据权利要求3或4所述的沙漏形金属构筑成形方法，所述基元的侧面被加工成斜面，所述斜面相对于基元的轴线的倾斜角度为10°～30°。6.根据权利要求5所述的沙漏形金属构筑成形方法，其特征在于，全部基元的侧面的倾斜角度均相同。7.根据权利要求5所述的沙漏形金属构筑成形方法，其特征在于，基元的侧面的倾斜角度逐渐变化，以使得堆叠在一起的多个基元封装成预制坯时，基元的侧面的倾斜角度由两端至中间逐渐减小。8.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐斌，孙明月，刘朝晖，李殿中，李依依，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21