專利名稱：一種成形高性能三維變截面高溫結構零件的半固態流變成形工藝方法
技術領域：
本發明涉及一種成形高性能三維變截面高溫結構零件的半固態流變成形工藝方法，屬于半固態成形技術領域。
背景技術：
隨著環境與能源問題的日益突出，我國冶金行業的高能耗、重污染和低性價比問題日益突出，不斷調整和改進工業企業增長方式和發展方向將逐步把我國從加工大國向加工強國推進。在材料加工行業，為提高產品質量，減輕環境污染，增強其國際競爭力，迫切需要從冶金材料科學發展前沿出發，突破傳統的材料制備與工藝理論和概念，利用高新技術對材料加工及其控制技術進行新的工藝探索，實現生產過程的短流程、低能耗和高質量。長期以來，實現三維變截面高溫結構零件的短流程、近凈成形生產方法、并能從生產上制備復雜零件以及研究其性能已成為廣大現代高新技術加工企業的一種迫切需要。20世紀70年代半固態成形技術的出現為解決上述問題帶來了希望。所謂半固態成形技術是對具有一定液相組分的固液混合漿料進行壓鑄、擠壓或模鍛成形，是一種介于普通鑄造(純液態)和鍛壓(純固態)之間的加工方法(M.Kiuchi，R.Kopp.Mushy /Sem1-solid Metal Forming Technology-Present and future.Annals ofthe CIRP.2002,51 (2): 1_18)。與普通的鑄造和鍛壓成形方法相比，半固態金屬材料成形加工具有如下優點:①應用范圍廣泛，凡具有固液兩相區的合金及復合材料均可實現半固態加工，如鋁合金、銅合金和鋼的壓鑄、擠壓和鍛壓成形；②半固態金屬已經部分釋放出結晶潛熱，因而減輕了對成形模具的熱沖擊，使其壽命大幅度提高；③半固態漿料變形抗力非常小，因而可以一次成形斷面十分復雜的零件，實現近凈成形，并且縮短了加工周期，提高了材料利用率，有利于節能節材半固態漿料充填平穩，無湍流和噴濺，凝固收縮小，因而成形件表面平整光滑，無氣孔，晶粒細小，力學性能好。可見半固態成形技術與傳統的材料加工方法相比具有極大的優勢(Simon Kleiner, Erhard Ogris, Oliver Beffort and PeterJ.Uggowitzer.Sem1-Solid Metal Processing of Aluminum Alloy A356 and MagnesiumAlloy AZ91:Comparison Based on Metallurgical Considerations[J].Advanced Eng1.Mater.2003,5(9):653-658)。另一方面，隨著航空航天、電子通訊和石油化工等領域快速發展，其相關零部件的復雜程度越來越高，使用環境也越來越苛刻，如在三維方向上均為變截面的耐高溫復雜結構零件，通常只能使用機械切削加工的方法來實現，或者使用常規鑄造的方法，但是鑄造中氣孔、偏析、氣泡等缺陷難以消除。此外，常規加工方法的低生產效率、高能耗、高生產成本的制造方法已顯得不相適應。長期以來研究用短流程、近凈成形技術、并能從生產上制備高質量高精密三維變截面高溫結構零件已成為廣大高新技術制造企業的一種迫切需要，如何找到一種巧妙的高溫復雜零件成形方法已成為廣大材料科學家和工程師一項極具創造性和挑戰性的工作。針對上述問題，本發明提出了一種成形高性能三維變截面高溫結構零件的半固態流變成形工藝方法。

發明內容
本發明的目的在于提出一種成形高性能三維變截面高溫結構零件的半固態流變成形工藝。本發明提出的一種成形高性能三維變截面高溫結構零件的半固態流變成形工藝方法，其特征在于，所述工藝方法含有以下各步驟:(I)半固態漿料的制備用高溫電阻爐加熱經過干燥處理的塊狀高溫合金鑄錠，由于高溫合金易于氧化，加熱過程中使用氬氣作為保護氣。合金鑄錠完全熔化后，保溫靜置10-20分鐘；(2)用于半固態流變成形漿料定量輸送裝置的設計設計一可對半開的陶瓷坩堝，兩瓣分別固定在夾鉗的兩端，坩堝內部體積大小與目標零件體積大小相等；(3)半固態流變漿料控制冷卻
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用電熱裝置將陶瓷坩堝預熱到320°C -380°C，將上述步驟(I)中經靜置后的高溫合金熔液倒入陶瓷坩堝，并控制冷卻4-7秒鐘。因為高溫合金流變成形時間短，期間不需進行攪拌。上述冷卻時間可保證半固態坯料固相分數控制在75%-85% ；(4)三維變截面高溫結構零件流變成形設計用于三維變截面高溫結構零件流變成形的模具，包括模具預熱和溫度控制系統的建立，將由(3)控制冷卻得到的流變坯料迅速放入模具中鍛造成形得到目標零件。在上述的流變成形中，所述步驟(4)模具預熱溫度為350°C -400°C，用石墨粉脫模劑。在上述的流變成形中，所述步驟(4)成形速度控制在120-150mm/s，保壓時間為5-8 秒。本發明與現有技術相同/區別之處:目前，對高質量三維變截面高溫結構零件的生產常采用鑄造成型的方法，或采用機械切削加工的方法來實現。機械切削加工方法工藝流程長，生產成本高，材料利用率非常低。常規鑄造法制備的高溫結構零件其內部的氣孔、氣泡和疏松等缺陷難以消除，不能達到高性能的要求。本發明使用可對開的陶瓷坩堝實現漿料的定量運輸以及與鍛造成形設備的對接方法也未見報道，這是為便于高溫合金半固態坯料與陶瓷坩堝順利分離，保證生產過程的無障礙連續運轉。高性能三維變截面高溫結構零件流變成形方法是一項完全嶄新的短流程近凈成形技術，擴大了半固態技術在高溫合金的應用領域，拓展了三維變截面高溫結構零件的制造途徑。使用該工藝，不但可以實現高溫結構零件成形的短流程、近終形的成形制造，而且可以降低能源消耗，提高產品質量，并推進半固態成形技術在新領域的使用。同時，本工藝方法裝置簡單，成本投入少。


圖1為典型三維變截面高溫結構零件示意圖。圖2三維變截面高溫結構零件的半固態流變鍛壓成形模具結構示意圖。
圖3是半固態流變成形工藝流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案做進一步說明:目前，半固態成形技術應用主要是壓鑄成形鋁鎂等低溫合金，應用領域主要集中在汽車和摩托車等低端領域。由于壓鑄成形是在漿料固相分數為40% —60%條件下完成的，所制備生產零件的內部、特別是表面仍存在部分縮孔氣泡等缺陷，對質量精度等要求很高、且在長、寬、高方向上均為變截面的高溫結構零件(如圖-1)目前仍主要采用傳統的機械切削加工方法或鑄造成型方法加以實現，常規的冷/熱擠壓方法通常只能實現兩個方向上的變截面成形。由于切削加工方法具有生產效率低、生產成本高等一些缺陷，長期以來探索用短流程、近終形生產方法、并能生產出高質量三維變截面高溫結構零件已成為廣大高新技術制造企業的一種迫切需要。針對上述問題，本發明擬以圖-1中的三維變截面高溫結構零件為目標，采用半固態流變鍛壓成形技術加以實現，發明內容主要包括:①半固態漿料的制備要實現半固態流變成形，制備成份、組織和性能均勻且固相顆粒圓整細小的半固態漿料是前提。先采用電阻爐加熱經過干燥處理的塊狀商用高溫合金鑄錠，為防止氧化，使用氬氣作為保護氣體，在達到完全熔化溫度后，保溫靜置10-20分鐘。②用于半固態漿料快速定量輸送裝置的設計設計并加工可對半開的陶瓷坩堝一個，坩堝體積大小與目標零件體積大小相等。將兩對半開陶瓷坩堝分別固定在一便于手工操作的夾鉗兩邊，這樣可解決漿料的快速定量輸送，也便于半固態坯料與坩堝順利分離，便于坩堝進入下一輪漿料運輸。使用電熱裝置將陶瓷坩堝預熱到320°C -380°C，將內容①中經靜置后的高溫合金熔液倒入坩堝，并控制冷卻。當漿料溫度下降到設定的半固態溫度后，就得到一定固相分數的半固態坯料(高溫合金流變成形固相分數控制在75% -85% )。③三維變截面高溫結構零件流變成形設計并加工用于三維變截面高溫結構零件流變成形的模具一套(見圖2)，并建立模具預熱和溫度控制系統。模具預熱溫度為350°C -400°C，使用石墨粉或JD-800型脫模劑。將②中制備得到的具有一定固相分數的坯料迅速放入模具中，流變成形得到目標零件。成形速度控制在120-150mm/s，保壓時間5_8秒。本發明采用高溫電阻爐加熱經過干燥處理的塊狀商用高溫合金鑄錠，使用惰性氣體氬氣作為保護氣體。在達到完全熔化溫度后，保溫靜置10-20分鐘。設計并加工可對開的陶瓷坩堝一個，其體積大小與目標復雜零件體積相等，將對開坩堝分別固定在一便于手工操作的夾鉗兩邊，使用電熱裝置將坩堝預熱到320°C _380°C。將合金熔液倒入坩堝并控制冷卻。當坩堝中漿料溫度下降到設定的半固態溫度后，打開坩堝，使半固態坯料迅速落入成形模具中。調節壓力機的速度(120-150mm/S)、模具預熱溫度(350-400°C )以及使用石墨粉或JD-800型等脫模劑，流變鍛造成形目標零件。工藝流程圖見

中圖_3。其中，高性能三維變截面高溫結構零件流變成形速度控制在120-150mm/s，半固態漿料固相分數控制在75-85 %，模具預熱溫度(350-400°C )。這樣可以最大程度消除成形件中的氣孔氣泡等成形缺陷，得到高質量的目標零件。在高溫合金半固態流變成形過程中，為便于定量運輸半固態漿料，設計采用兩個半圓筒組合而成的陶瓷坩堝或一內部帶有一定錐度的陶瓷坩堝，這樣便于半固態坯料從坩堝中直接迅速落入成形模具中。對開坩堝分別固定在一便于手工移動的夾鉗兩邊，以保證半固態坯料被迅速運送并放入成形模具中。坩堝內腔體積大小與流變成形目標零件體積相等。這樣可以實現半固態漿料的快速定量輸送并保證與流變成形設備的順利對接，實現穩定而連續可控的漿料制備、輸送和流變鍛壓成形。在高溫合金半固態漿料制備過程中，可以使用高溫電阻加熱爐，也可以使用感應加熱爐。實施例1使用718高溫合金進行半固態流變鍛壓成形圖-1中的三維變截面結構零件首先用電阻爐加熱熔化經過干燥處理(100°C烘干)的塊狀商用718高溫合金鑄錠，在高溫電阻爐中完全熔化后，保溫靜置12分鐘。設計并加工存放高溫合金漿料的可對開式陶瓷坩堝一個，其體積大小與目標零件體積大小相等。為保證漿料均勻散熱，陶瓷坩堝的內徑與其深度大致相等。將兩半對開坩堝分別固定在一便于手工操作的夾鉗兩邊，使用電熱裝置將坩堝預熱到350°C。將高溫合金熔液倒入坩堝并控制冷卻5秒鐘后，打開坩堝，將半固態坯料迅速從坩堝倒入到成形模具的凹模中(模具預熱溫度為360°C )。壓力機的速度調整為150mm/s、使用石墨脫模劑，成形壓力設為400KN-600KN，保壓時間設為5秒。使用以上參數可流變鍛壓成形得到圖-1中的三維變截面高溫結構零件。實施例2使用718高溫合金進行半固態流變鍛壓成形圖-1中的三維變截面結構零件

首先用電阻爐加熱熔化經過干燥處理(100°C烘干)的塊狀商用718高溫合金鑄錠，在高溫電阻爐中完全熔化后，保溫靜置15分鐘。設計并加工存放高溫合金漿料的可對開式陶瓷坩堝一個，其體積大小與目標零件體積大小相等。為保證漿料均勻散熱，陶瓷坩堝的內徑與其深度大致相等。將兩半對開坩堝分別固定在一便于手工操作的夾鉗兩邊，使用電熱裝置將坩堝預熱到370°C。將高溫合金熔液倒入坩堝并控制冷卻7秒鐘后，打開坩堝，將半固態坯料迅速從坩堝倒入到成形模具的凹模中(模具預熱溫度為390°C )。壓力機的速度調整為125mm/s、使用石墨脫模劑，成形壓力設為400KN-600KN，保壓時間設為6秒。使用以上參數可流變鍛壓成形得到圖-1中的三維變截面高溫結構零件。實施例3使用718高溫合金進行半固態流變鍛壓成形圖-1中的三維變截面結構零件首先用電阻爐加熱熔化經過干燥處理(100°C烘干)的塊狀商用718高溫合金鑄錠，在高溫電阻爐中完全熔化后，保溫靜置20分鐘。設計并加工存放高溫合金漿料的可對開式陶瓷坩堝一個，其體積大小與目標零件體積大小相等。為保證漿料均勻散熱，陶瓷坩堝的內徑與其深度大致相等。將兩半對開坩堝分別固定在一便于手工操作的夾鉗兩邊，使用電熱裝置將坩堝預熱到380°C。將高溫合金熔液倒入坩堝并控制冷卻6秒鐘后，打開坩堝，將半固態坯料迅速從坩堝倒入到成形模具的凹模中(模具預熱溫度為400°C )。壓力機的速度調整為135mm/s、使用石墨脫模劑，成形壓力設為400KN-600KN，保壓時間設為8秒。使用以上參數可流變鍛壓成形得到圖-1中的三維變截面高溫結構零件。
權利要求
1.一種成形三維變截面高溫結構零件的半固態流變成形工藝方法，其特征在于，所述工藝方法含有以下各步驟 (1)半固態漿料的制備 用高溫電阻爐加熱經過干燥處理的塊狀高溫合金鑄錠，由于高溫合金易于氧化，加熱過程中使用氬氣作為保護氣。合金鑄錠完全熔化后，保溫靜置10-20分鐘； (2)用于半固態流變成形漿料定量輸送裝置的設計 設計一可對半開的陶瓷坩堝，兩瓣分別固定在夾鉗的兩端，坩堝內部體積大小與目標零件體積大小相等； (3)半固態流變漿料控制冷卻 用電熱裝置將陶瓷坩堝預熱到320°C-38(TC，將上述步驟(I)中經靜置后的高溫合金熔液倒入陶瓷坩堝，并控制冷卻4-7秒鐘。因為高溫合金流變成形時間短，期間不需進行攪拌。上述冷卻時間可保證半固態坯料固相分數控制在75% -85% ； (4)三維變截面高溫結構零件流變成形 設計用于三維變截面高溫結構零件流變成形的模具，包括模具預熱和溫度控制系統的建立，將由(3)控制冷卻得到的流變坯料迅速放入模具中鍛造成形得到目標零件。
2.根據權利要求I所述的成形方法，其特征在于，所述步驟⑷模具預熱溫度為3500C _400°C，用石墨粉脫模劑。
3.根據權利要求I所述的成形方法，其特征在于，所述步驟(4)成形速度控制在120-150mm/s，保壓時間為5-8秒。
全文摘要
本發明涉及一種成形高性能三維變截面高溫結構零件的半固態流變成形工藝方法，包括半固態漿料的制備、半固態流變成形漿料定量輸送裝置的設計、半固態流變漿料控制冷卻以及三維變截面高溫結構零件流變成形等步驟，該成型工藝拓展了三維變截面高溫結構零件的制造途徑。使用該工藝，不但可以實現高溫結構零件成形的短流程、近終形的成形制造，而且可以降低能源消耗，提高產品質量。
文檔編號B22D17/00GK103252470SQ20121003576
公開日2013年8月21日 申請日期2012年2月17日 優先權日2012年2月17日
發明者王玉偉 申請人:加中綠聯盟投資顧問(北京)有限公司