圆柱体金属构筑成形方法技术

本发明专利技术公开一种圆柱体金属构筑成形方法，其特征在于，包括：制备多个基元；将多个基元堆垛成圆柱体形状；将堆垛成预定形状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。

Forming Method of Cylindrical Metal Construction

The invention discloses a cylindrical metal construction forming method, which is characterized by: preparing multiple elements; stacking multiple elements into cylindrical shape; encapsulating multiple elements stacked into predetermined shape into prefabricated blanks; and making interface welding between multiple elements to make prefabricated blanks into blanks by forging welding.

【技术实现步骤摘要】
圆柱体金属构筑成形方法
本专利技术涉及一种金属材料制造方法，具体来说是通过构筑方式实现金属或金属基材料成形的加工方法。
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。
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构筑成形方法，以铸坯、锻坯、轧坯等为基元，通过表面加工和清洁后，将多个基元封装在一起，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，通过机械加工方式将表面加工平整，露出新鲜金属，并采用有机溶剂清洗洁净，处理后的坯料称之为基元；然后将基元构筑、封焊成预制坯：将多块基元按照使用需求进行排列组合，堆垛成大规格长方体或圆柱体，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；第二步，加工、清洗金属坯表面；第三步，按照使用需求将多块金属坯排列组合、堆垛；第四步，将排列后的金属坯封装，使各接触界面处于真空状态；第五步，对封装后的金属坯实施锻前加热；第六步，对金属坯实施(多向)镦粗变形锻焊；第七步，对金属坯实施保温扩散连接；第八步，将金属坯加工成形至最终规格尺寸。所述的金属构筑成形方法，第一步中，裁切金属坯时，将坯料裁切成板型。准备合适数量裁切后的板坯，使其叠加之后总高度与宽度/厚度的比例不超过3∶1，便于实施镦粗变形。所述的金属构筑成形方法，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。所述的金属构筑成形方法，第三步中，按照使用需求，将多块金属坯排列组合、堆垛成大规格长方体，使边缘对齐。排列方式可为堆垛成多层，每层包括一个基元，也可为堆垛成多层，每层包括多个基元。所述的金属构筑成形方法，第四步中，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；或将堆垛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。所述的金属构筑成形方法，第五步中，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。所述的金属构筑成形方法，第六步中，将加热后的坯料水平放置于锻压机操作平台上，使首次变形方向垂直于坯料内界面最多的方向；采用镦粗板对坯料进行镦粗；首先压下坯料总高度的10-20％；重复此变形动作于长方体坯料的三个法线方向，直至各接触界面均产生变形。所述的金属构筑成形方法，第七步中，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。所述的金属构筑成形方法，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板接触在一起，实际上由于板坯表面存在一定的粗糙度，微观上两块板之间是多点接触，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叠焊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，降低其对力学性能的危害。上述方法结合使用，可以最大程度上实现界面与基体的一致性。本专利技术突破了金属器件的母材只能比其更大的传统思维，使用品质更优、成本更低的小型金属坯构筑成形，具有如下的优点和有益效果：1、实现大尺寸金属器件的均质化制造。采用多块体积更小的金属坯作为构筑基元，由于凝固速度快，因此其成分均匀性远远好于传统整体铸造的大型金属坯，在此基础上构筑而成的大尺寸金属器件不存在显著的宏观偏析。2、实现大尺寸金属器件的致密化制造。采用多块体积更小的金属坯作为构筑基元，由于凝固速度快，几乎可以实现同时凝固，因此坯料内部集中的缩孔疏松少。焊合界面经变形、保温和多向锻造后，致密性高于传统整体铸坯制成的锻件。3、实现大尺寸金属器件的纯净化制造。采用多块体积更小的金属坯作为构筑基元，由于制备成本、难度低，因此可采用各种灵活的精炼方法实现基元的纯净化，在此基础上构筑而成的大尺寸金属器件纯净度高于传统整体铸坯制成的锻件。4、实现大尺寸金属器件的低成本制造。由于制备体积较小的金属坯可采用连铸等大生产手段，其制造成本远低于制备体积较大的金属坯必须采用的模铸手段，因此可大幅降低制造成本。此外，使用连铸坯作为构筑基元，没有传统钢锭的冒口、水口损耗，可提升材料利用率15％以上。5、实现大尺寸金属器件的清洁化、稳定化制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种圆柱体金属构筑成形方法，其特征在于，包括：制备多个基元；将所述多个基元的表面加工平整；清洗被加工平整的多个基元的表面；将多个基元堆垛成圆柱体形状；将堆垛成预定形状的多个基元封装成预制坯；使得在封装之后的多个基元之间的界面为清洁的并且保持真空状态；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，其中变形量为预制坯在变形方向上总长度的10％‑20％，然后对毛坯实施高温扩散连接；将毛坯锻造成形至最终锻件尺寸。

【技术特征摘要】
2015.03.26 CN 20151013409461.一种圆柱体金属构筑成形方法，其特征在于，包括：制备多个基元；将所述多个基元的表面加工平整；清洗被加工平整的多个基元的表面；将多个基元堆垛成圆柱体形状；将堆垛成预定形状的多个基元封装成预制坯；使得在封装之后的多个基元之间的界面为清洁的并且保持真空状态；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，其中变形量为预制坯在变形方向上总长度的10％-20％，然后对毛坯实施高温扩散连接；将毛坯锻造成形至最终锻件尺寸。2.根据权利要求1所述的金属构筑成形方法，其特征在于，所述多个基元为铸坯、锻坯或轧坯。3.根据权利要求2所述的金属构筑成形方法，其特征在于，所述多个基元为高温合金铸锭或锻坯。4.根据权利要求1所述的金属构筑成形方法，其特征在于，将所述多个基元的表面加工平整的步骤包括采用角磨、钢刷打磨金属坯表面、去除氧化皮或采用铣床加工表面。5.根据权利要求1所述的金属构筑成形方法，其特征在于，还包括使用有机溶剂清洗被加工平整的多个基元的表面的清洗步骤。6.根据权利要求5所述的金属构筑成形方法，其特征在于，还包括在清洗步骤之后对清洗后的表面进行表面覆盖保护的步骤。7.根据权利要求1所述的金属构筑成形方法，其特征在于，将堆垛的多个基元封装成预制...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐斌，刘宏伟，孙明月，李殿中，
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