噴射沉積多孔材料的陶粒軋制變形方法及裝置的製作方法
2023-06-23 00:45:11
專利名稱：噴射沉積多孔材料的陶粒軋制變形方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬材料材料緻密化加工方法及裝置，特別是涉及一種對噴射沉積板材進行緻密化加工的方法及裝置。
背景技術：
噴射沉積多孔材料是用噴射沉積技術製備的一種多孔金屬材料。作為一種新型的材料製備技術，噴射沉積技術具有一系列優越性，如沉積坯的冷卻速度高，組織細小均勻，合金成分偏析程度小。材料的氧化程度小，工藝流程短，減輕了材料的汙染程度；近淨形成形，生產率高，生產成本低等。噴射沉積技術尤其適用於製造由於嚴重的偏析難以或無法利用通常鑄造技術製造、利用粉末冶金技術製造成本過高、難以製備的大尺寸的材料，噴射沉積技術作為一種先進的材料製備新技術，已經被廣泛應用於製備合金及金屬基複合材料。然而噴射沉積材料通常存在一定量的孔隙，顆粒表面存在一定厚度的氧化膜，顆粒之間未能完全達到良好的冶金結合狀態，需要進行後續緻密化和塑性變形才能獲得理想的組織和性能。
可用於噴射沉積多孔坯緻密化塑性變形的主要方法有熱等靜壓、熱擠壓、熱軋、熱壓實，熱等靜壓工藝由於其設備昂貴、生產工藝複雜、生產周期長，生產成本高，限制了其大規模的應用；因此，通常採用熱擠壓、熱軋、熱壓實的方法對其進行緻密化及塑性加工。熱擠壓和熱壓實過程為材料的變形提供了較好的壓應力，有利於材料內部孔隙的壓合，阻止裂紋的生成與擴展，最大限度地發揮材料的塑性。但是，多孔坯料熱擠壓工藝存在一些局限性。例如，如產品規格受到設備能力的限制；坯料密度僅為理論密度的85％～90％時，坯料內部存在較多孔洞/氣孔，在熱擠壓過程中，坯料內部的氣體不易排出，部分殘留在擠壓件中，影響產品的力學性能和隨後的塑性變形性。軋制是一種有效的使多孔材料完全緻密化的工藝，但採用常規軋制工藝直接對噴射沉積板坯進行緻密化處理在工藝上存在極大的難度，由於常規軋制時的靜水壓力比擠壓變形時的小，孔隙對拉應力極其敏感，因此軋制時易出現板坯表面橫裂及邊裂。由此可見，對噴射沉積坯直接採用軋制加工，成形過程具有很大的難度。
發明內容
本發明的目的在於克服技術技術之不足而提供一種結構合理、工藝簡單、克服常規軋制板材容易出現劈頭、開裂、分層等現象，能對噴射沉積坯件直接進行軋製成形的噴射沉積多孔材料的陶粒軋制變形方法及裝置，實現高性能噴射沉積板材的工業化生產。
本發明---噴射沉積多孔材料的陶粒軋制變形方法是這樣實現的將坯件置於盛裝有陶瓷顆粒的軋制模中並使陶瓷顆粒包覆住坯件，所述軋制模頂部設有軋制孔，一壓頭卡裝於軋制孔中，並一同進入軋機進行軋制。
本發明---噴射沉積多孔材料的陶粒軋制變形方法可將軋制模、陶瓷顆粒、壓頭預熱至被軋制坯件材料熔點的2/3左右。
本發明---噴射沉積多孔材料的陶粒軋制變形裝置包括軋制模、壓頭及置於軋制模中的陶瓷顆粒，所述陶瓷顆粒置於軋制模內腔中，軋制模頂部設有軋制孔，壓頭置於軋制孔中。所述軋制模及壓頭在保證軋制時不發生塑性變形的前提下可選擇強度高於被軋制坯件的金屬材料製造。
本發明的工作原理及優點簡述於下實施本發明時，將坯件置於盛裝有陶瓷顆粒的軋制模中並使陶瓷顆粒包覆住坯件，將壓頭置於軋制模頂部的軋制孔中並一同進入軋機進行軋制。採用普通壓機施以一定壓力，將鋼模中欲軋制緻密化的噴射沉積坯件軋製成板材，坯件在軋輥、鋼模和陶粒的三向不等的壓應力作用下實現緻密化和界面冶金結合，實現噴射沉積坯件的高性能。在軋制變形過程中，軋制模、壓頭均不發生變形，軋制壓力通過壓頭傳遞到陶瓷顆粒介質，軋制模阻止陶瓷顆粒介質在軋制過程中向外流動，則隨壓頭的壓下，陶瓷顆粒介質被壓縮的過程中會在各個方向上把壓應力均勻地傳遞給多孔坯件，使材料發生緻密化變形。需要強調的是，壓頭和壓制模之間的間隙在保證簡單脫模的基礎上應儘量小，以免在軋制過程中陶瓷顆粒介質從間隙中流出，使通過陶瓷顆粒施加在軋件上的靜水壓力減小。壓頭的作用一方面對軋件施加壓應力，另一方面使軋輥作用在坯件上的壓應力分布均勻化，同時在熱軋過程中壓頭與陶瓷顆粒對軋件起到了良好的保溫效果。
軋制變形過程中軋件處於準等靜壓狀態，由於上述陶粒軋制是一種通過分散小面積壓制變形來實現較大面積變形的多孔材料的連續變形過程，也就是在普通軋機上實現噴射沉積多孔材料連續準等靜壓過程。通過陶粒包覆介質限制了軋件的縱向和橫向流動，增強了多孔材料所處的靜水壓力狀態，由於陶粒的流動，多孔材料內部孔洞會發生剪切變形、在壓應力的作用下坍塌、破裂成小孔洞或彌合，有效地提高了材料的軋製成形性能和緻密化速度，避免了軋制過程中裂紋的形成。因此，陶粒軋制變形方法的另一個特點是可以在較小噸位的軋機上實現相對大得多的噸位的壓力機上才能實現的多孔材料的緻密化變形。實驗表明，採用陶粒軋制噴射沉積材料耐熱鋁合金在變形量達到約60％時仍不會形成表面裂紋，而在常規軋制變形中，當軋制變形量為25％時軋件表面就已經出現較多細密的橫向裂紋。
本發明由於在多孔材料軋制緻密化階段在軋制縱向和橫向上施加一個壓應力，有效地限制坯件在軋制過程中縱向和橫向的流動，加速緻密化速度，而且壓應力能夠抵消一部分由於變形不均勻而產生的縱向附加拉應力，減小表面橫向裂紋的形成趨勢，即使形成了橫向裂紋，縱向壓應力也能有效阻止裂紋的擴展。並且在本發明中，多孔材料在緻密化階段受到的是三向大小不等的壓應力作用，其內部孔洞會發生剪切變形、在壓應力的作用下坍塌、破裂成小孔洞或彌合，獲得良好的冶金結合，使材料延性上升。本發明結構合理、工藝簡單、克服常規軋制板材容易出現劈頭、開裂、分層等現象，能對噴射沉積坯件直接進行軋製成形，特別適合於製備大規格薄板，大大擴展噴射沉積材料的應用前景。
附圖1為本發明---噴射沉積多孔材料的陶粒軋制變形裝置主剖視圖。
附圖2為本發明---附圖1的A-A剖視圖。
附圖3為本發明實施例1中8009鋁合金變形量εh與相對密度d的關係曲線。
附圖4為本發明實施例1中8009鋁合金變形量εh與布氏硬度HB的關係曲線。
附圖5為本發明實施例2中5A06鋁合金變形量εh與相對密度d的關係曲線。
附圖6為本發明實施例2中5A06鋁合金變形量εh與布氏硬度HB的關係曲線。
參見附圖1、2，本發明噴射沉積多孔材料的陶粒軋制變形裝置由軋制模、壓頭及置於軋制模中的陶瓷顆粒組成，所述陶瓷顆粒置於軋制模內腔中，軋制模頂部設有軋制孔，壓頭置於軋制孔中。所述軋制模及壓頭在保證軋制時不發生塑性變形的前提下可選擇強度高於被軋制坯件的金屬材料製造。
具體實施例方式
實施例1採用噴射沉積8009Al/SiCp複合材料為例進行了普通軋制和陶粒軋制製備板材，比較兩種軋制工藝所生產的板材性能；8009Al合金為耐熱鋁合金，合金強度高、塑性差，沉積坯直接進行軋制難以進行，開裂現象嚴重。將噴射沉積8009Al/SiCp複合材料坯件置於盛裝有陶瓷顆粒的軋制模中並使陶瓷顆粒包覆住坯件同時預熱至450℃，將壓頭置於軋制模頂部的軋制孔中並一同進入軋機進行軋制。成功地軋制出了0.8～1.0mm厚80×450mm板材，與普通軋制板材相比，陶粒軋制板材的強度、延伸率及彈性模量明顯提高，當變形達到45％時，坯件的密度已達到理論密度99.6％，無開裂想像。變形量與密度及硬度的關係如圖3、4所示。陶粒軋制與普通直接軋制的板材力學性能的比較如表1所示。表明了陶粒軋制較普通直接軋制能有效的提高材料性能。
表1 8009/SiCP薄板的室溫力學性能
實施例2採用5A06鋁合金進行了普通軋制和陶粒軋制製備板材，比較兩種軋制工藝所生產的板材性能；將噴射沉積5A06鋁合金坯件置於盛裝有陶瓷顆粒的軋制模中並使陶瓷顆粒包覆住坯件同時預熱至420℃，將壓頭置於軋制模頂部的軋制孔中並一同進入軋機進行軋制。陶粒軋制板材的強度、延伸率及彈性模量明顯提高，當變形達到45％時，坯件的密度已達到理論密度99.6％，無開裂想像。變形量與密度及硬度的關係如圖5、6所示。陶粒軋制與普通直接軋制的板材力學性能的比較如表2所示。表明了陶粒軋制較普通直接軋制能有效的提高材料性能。
表2 5A06薄板的室溫力學性能
權利要求
1.噴射沉積多孔材料的陶粒軋制變形方法，其特徵在於將坯件置於盛裝有陶瓷顆粒的軋制模中並使陶瓷顆粒包覆住坯件，所述軋制模頂部設有軋制孔，一壓頭卡裝於軋制孔中，並一同進入軋機進行熱軋制。
2.根據權利要求1所述的噴射沉積多孔材料的陶粒軋制變形方法，其特徵在於軋制前將坯件與軋制模、陶瓷顆粒、壓頭一同預熱至被軋制坯件材料熔點的2/3左右。
3.噴射沉積多孔材料的陶粒軋制變形裝置，包括軋制模、壓頭及置於軋制模中的陶瓷顆粒，其特徵在於所述陶瓷顆粒置於軋制模內腔中，軋制模頂部設有軋制孔，壓頭置於軋制孔中。
4.根據權利要求3所述的噴射沉積多孔材料的陶粒軋制變形裝置，其特徵在於所述軋制模及壓頭的材料強度高於被軋制坯件的強度。
全文摘要
噴射沉積多孔材料的陶粒軋制變形方法及裝置，是將坯件置於盛裝有陶瓷顆粒的軋制模中並使陶瓷顆粒包覆住坯件，所述軋制模頂部設有軋制孔，一壓頭卡裝於軋制孔中，並一同進入軋機進行軋制。噴射沉積多孔材料的陶粒軋制變形裝置包括軋制模、壓頭及置於軋制模中的陶瓷顆粒。本發明結構合理、工藝簡單、克服常規軋制板材容易出現劈頭、開裂、分層等現象，能對噴射沉積坯件直接進行軋製成形，特別適合於製備大規格薄板，大大擴展噴射沉積材料的應用前景。
文檔編號C22C1/08GK101020947SQ20071003453
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月14日 優先權日2007年3月14日
發明者陳振華, 嚴紅革, 陳剛, 陳鼎, 夏偉軍, 張昊 申請人:湖南大學