製備大規格精密異形管材的方法
2023-06-04 17:49:51 1
專利名稱：製備大規格精密異形管材的方法
技術領域：
本發明涉及一種製備管材的方法，特別是一種採用噴射成形工藝進行後續半固態成形的製備大規格精密異形管材的方法，屬於複合材料領域。
背景技術：
1999年冶金工業出版社出版的由謝水生和黃聲宏編著的《半固態金屬加工技術及其應用》介紹了能製備精密異形件的半固態加工技術，該技術能採用比常規塑性成形低得多的成形力製成形狀極其複雜的產品。與傳統鑄造成形工藝相比，半固態金屬製件的形狀更精確、組織更精細、力學性能更優越。但是，適於半固態成形的金屬原料在固態條件下必須具有等軸晶組織的特徵，其製備方法有機械攪拌法、電磁攪拌法、應變誘發熔化激活技術、紊流效應法、粉末法和噴射成形法。機械攪拌法的缺點主要是難以在整個攪拌腔體內部均勻攪拌，而且攪拌葉片的腐蝕問題以及它對半固態金屬漿料的汙染問題都會對半固態鑄坯帶來不利的影響。電磁攪拌法由於電磁攪拌深度的影響，不宜生產直徑大於150mm的鑄坯。應變誘發熔化激活技術生產成本高，鑄坯直徑更小。紊流效應法、粉末法所獲得的組織缺陷多，不宜進行產業化。如果從噴射成形錠坯直接製備大規格異形管材，半固態金屬流變路徑太長，溫度下降多，並且易於產生紊流，使氧化物夾雜裹入管材內部。傳統噴射成形法生產成本高，無法製備大厚度緻密管坯。由於強調冷卻速率，控制往復噴射成形工藝生產效率低。在檢索中沒有發現直接採用管狀半固態漿料，尤其是噴射成形半固態漿料製備大規格管材的文獻報導。
發明內容
本發明針對現有技術的不足，提供一種製備大規格精密異形管材的方法，通過噴射成形工藝製備金屬及其顆粒複合材料的大規格管坯，然後進行半固態成形，使其製備大規格、高性能、精密異形管材，解決了上述背景技術中的噴射成形沉積坯形狀簡單、生產大規格厚壁管坯效率低和半固態成形的管材規格小的問題。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明方法分為兩個階段，即噴射成形工藝階段和半固態成形工藝階段，具體如下第一階段採用噴射成形製備半固態漿料，金屬熔體通過非限制式二級霧化器和高壓氣體霧化形成穩定而密集的液滴噴射流，沉積物表面溫度和噴射流在沉積前的物理狀態存在最佳範圍，在線控制工藝參數，始終滿足最佳沉積狀態，噴射流沉積在基底芯管表面，製備大直徑、大厚度管坯；第二階段為半固態成形，沉積管坯在感應線圈內按照設定的曲線快速加熱，然後去除氧化皮，壓入成形模具。
以下對本發明工藝作進一步的說明，具體內容如下1、噴射成形工藝，具體如下金屬在液相線以上100～200℃保溫(即過熱度)，然後通過中間包流入在相同溫度保溫的漏包，漏包中熔體高度大於400mm，自動控制金屬傾倒動作，液面波動小於10mm，熔體經由安裝在漏包底部的導管流入霧化器。非限制式二級霧化器的霧化介質為惰性氣體或設定的反應性氣體，鋁金屬熔體質量流率在15kg/min～，在重力作用下進入一級霧化區域，一級霧化氣體壓力在1～3atm，霧化角為0℃。一級霧化使金屬熔體不會由於負壓紊流而堵塞噴嘴，穩定進入二級主霧化區域。二級霧化氣體壓力在8～15atm，霧化角為10～15℃。金屬熔體霧化形成穩定而密集的液滴噴射流，連續密集沉積的金屬液滴充分熔合，而且快速凝固(101～102K/s)，沉積坯平均晶粒度20～50μm，基本不存在原始顆粒邊界。自動控制排風口風門開啟角度，使沉積室內氣體壓力維持在1～1.1atm。排風口具有可以連續調節的出口面積，外接防爆風機，夾帶粉塵的氣流經過一級或多級旋風分離器淨化後排空，氣流中已完全凝固的微粉基本不在沉積物表面沉積。噴射流在沉積到基底表面之前的飛行距離為400～600mm，霧化噴射流相對於基底往復水平運動，沉積物由往復沉積的多層組成。基底初始預熱溫度比金屬的固相線低50～150℃，沉積物表面溫度和噴射流在沉積前的最佳溫度範圍一般分別是固相線-20～+10℃和+20～+50℃。基底為水平放置的芯管，旋轉速度60～100rpm，在線控制往復運動和沉積距離，滿足最佳沉積條件，基本消除往復運動形成的層界面組織缺陷，保持形狀精度。本發明允許存在幾束熔體噴射流，外加顆粒可形成獨立噴射流。本發明涉及的噴射成形工藝適用於製備內徑大於300mm、壁厚大於40mm、長度大於50mm的厚壁管坯。
2、半固態成形工藝，具體如下沉積管坯在感應線圈中加熱，先在自由狀態直接加熱到軟化點前，然後放入支撐模具，通過被直接加熱的模具的熱傳遞繼續升溫至半固態成形溫度，在固相線以下20～30℃確定一個臨界點，低於和高於臨界點的升溫速率分別為8～12K/s和1～3K/s，保溫10～300s(視壁厚和傳熱條件定)。由於加熱時間短暫，管坯的晶粒長大輕微，最終力學性能提高。對於氧化敏感的材質或工件，加熱過程中採用還原性氣氛保護，然後去除氧化皮，半固態漿料底部帶支撐，壓入成形模具，模具預熱溫度視實際情形而定，主要由金屬流動過程可能發生的溫降決定，一般在金屬固相線以下150℃內。半固態漿料可以採用沉積管坯或錠坯，將這兩種情形相比，前者金屬流動以側向為主，路徑極短，工藝參數允許波動範圍更寬，更適於大規格、薄壁異形管材。
本發明具有實質性特點和顯著進步，本發明工藝解決了背景技術中存在的問題，獲得的有益效果是噴射成形半固態漿料緻密度99％～，厚度40mm～，等軸晶平均晶粒度20～50μm，收得率85％～，生產效率高(對於鋁合金，15kg/min～)；半固態成形的管材規格大(內徑300mm～)、形狀極其複雜、尺寸精確、組織精細，金屬流動路徑短，成形工藝參數允許變動範圍寬，易於穩定控制，製件力學性能與傳統鍛件相當。
具體實施例方式
結合本發明的內容提供實施例，如下表所示
權利要求
1.一種製備大規格精密異形管材的方法，其特徵在於，方法分為兩個階段，即噴射成形工藝階段和半固態成形工藝階段，具體如下第一階段採用噴射成形製備半固態漿料，金屬熔體通過非限制式二級霧化器和高壓氣體霧化形成穩定而密集的液滴噴射流，沉積物表面溫度和噴射流在沉積前的物理狀態存在最佳範圍，在線控制工藝參數，始終滿足最佳沉積狀態，噴射流沉積在基底芯管表面，製備大直徑、大厚度管坯；第二階段為半固態成形，沉積管坯在感應線圈內按照設定的曲線快速加熱，然後去除氧化皮，壓入成形模具。
2.根據權利要求1所述的製備大規格精密異形管材的方法，其特徵在於，半固態成形工藝階段，沉積管坯轉移進感應線圈，按照設定的曲線快速加熱，在固相線以下20～30℃確定一個臨界點，低於和高於臨界點的升溫速率分別為8～12K/s和1～3K/s，達到溫度後保溫時間10～300s。
3.根據權利要求1或2所述的製備大規格精密異形管材的方法，其特徵在於，半固態成形工藝階段，達到溫度的管坯去除氧化皮後，半固態漿料的底部帶支撐，壓入成形模具。
4.根據權利要求1所述的製備大規格精密異形管材的方法，其特徵是，噴射成形工藝階段，所述的金屬熔體，在液相線以上100～200℃保溫，然後通過中間包流入在相同溫度保溫的漏包，漏包中熔體高度大於400mm，自動控制金屬傾倒動作，液面波動小於10mm，熔體經由設置在漏包底部的導管流入霧化器，鋁金屬熔體質量流率在15kg/min～。
5.根據權利要求1或4所述的製備大規格精密異形管材的方法，其特徵是，噴射成形工藝階段，所述的非限制式二級霧化器，其工作介質為惰性氣體或設定的反應性氣體，金屬熔體在重力作用下進入一級霧化區域，一級霧化氣體壓力在1～3atm，霧化角為0～3°，二級霧化氣體壓力在8～15atm，霧化角為10～15°。
6.根據權利要求1或4所述的製備大規格精密異形管材的方法，其特徵是，噴射成形工藝階段，排風口具有可連續調節的出口面積，自動控制排風口風門開啟角度，沉積室內的氣體壓力維持在1～1.1atm，外接防爆風機，夾帶粉塵的氣流經過一級或多級旋風分離器淨化後排空，未粘結的粉塵通過排風口及時排除。
7.根據權利要求1或4或5或6所述的製備大規格精密異形管材的方法，其特徵是，噴射成形工藝階段，在線控制工藝參數具體如下噴射流在沉積到基底表面之前的沉積距離為400～600mm，相對於基底往復水平運動，基底為水平放置的芯管，旋轉速度60～100rpm，噴射流在沉積前和沉積物表面的最佳溫度範圍分別是固相線+20～+50℃和-20～+10℃。
8.根據權利要求1或4或5或6所述的製備大規格精密異形管材的方法，其特徵是，噴射成形工藝階段，存在一束或幾束熔體噴射流，外加顆粒或者形成獨立噴射流。
全文摘要
一種製備大規格精密異形管材的方法屬於金屬及複合材料領域。方法分為兩個階段，即噴射成形工藝階段和半固態成形工藝階段，具體如下第一階段採用噴射成形製備半固態漿料，金屬熔體通過非限制式二級霧化器和高壓氣體霧化形成穩定而密集的液滴噴射流，沉積物表面溫度和噴射流在沉積前的物理狀態存在最佳範圍，在線控制工藝參數，始終滿足最佳沉積狀態，噴射流沉積在基底芯管表面，製備大直徑、大厚度管坯；第二階段為半固態成形，沉積管坯在感應線圈內按照設定的曲線快速加熱，然後去除氧化皮，壓入成形模具。本發明噴射成形半固態漿料生產效率高，半固態成形的管材規格大、形狀極其複雜、尺寸精確、組織精細，成形工藝參數允許變動範圍寬。
文檔編號B21C37/06GK1453080SQ0312892
公開日2003年11月5日 申請日期2003年5月29日 優先權日2003年5月29日
發明者張豪, 張捷, 張荻 申請人:上海交通大學