金属分级构筑成形方法与流程

本发明涉及一种金属材料制造方法，具体来说是通过分级构筑方式实现金属或金属基材料成形的加工方法。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。

背景技术：

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。

金属构筑成形方法，是一种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的增材制造方法。该方法通过制备多个基元、将多个基元堆垛成预定形状、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等步骤实现使用较小的铸坯、锻坯或轧坯制造大型锻件的目的。然而，在构筑坯料制造过程中，由于偶然因素如界面污染或焊缝失效造成基元之间的界面破真空而导致报废的可能性很大。对于100t以上的超大型锻件，单一界面的失效导致锻件整体报废的损失巨大，亟需通过有效的方法规避风险。

技术实现要素：

本发明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分级构筑成形方法，首先采用常规的构筑方法进行多层铸坯、锻坯或轧坯的构筑，将构筑坯料锻焊后获得毛坯。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。在完成常规构筑过程后，将毛坯锻造成所需形状，获得毛坯基元。将其进行表面加工和清洁后，将两个毛坯基元封装在一起，并使界面内部保持高真空状态，然后施加以镦粗大变形为特点的锻焊工艺，使两个基元结合在一起成为毛坯。可以多次重复将两件毛坯基元锻焊成一件更大的毛坯的过程，每一次构筑称为一级。进行多级构筑后，可以实现超大型锻件的制造。

本发明公开的一种金属分级构筑成形方法，其特征在于，包括：

一级构筑和n级构筑，

所述一级构筑包括如下步骤：

制备多个毛坯基元；

将多个毛坯基元堆垛成预定形状；

将堆垛成预定形状的多个毛坯基元封装成预制坯；

通过锻焊使得多个毛坯基元之间的界面焊合以将预制坯制成毛坯；

将毛坯锻造至所需形状，作为下一级构筑的毛坯基元；

所述n级构筑(n≥2)包括如下步骤：

将两个通过所述n-1级构筑形成的毛坯基元堆垛成预定形状；

将堆垛成预定形状的所述两个通过所述n-1级构筑形成的毛坯基元封装成预制坯；

通过锻焊使得所述两个通过所述n-1级构筑形成的毛坯基元之间的界面焊合以将预制坯制成毛坯；

将毛坯锻造至所需形状，作为n+1级构筑的毛坯基元；

重复所述n级构筑的步骤以制备更大型的毛坯，使得在后续每级构筑过程中预制坯中仅存在一个界面。重复构筑过程直至坯料重量达到目标重量后将坯料锻造至最终锻件尺寸。

本发明的技术方案为：

一种金属分级构筑成形方法，包括如下步骤：

首先使用常规构筑方法进行一级构筑，制备毛坯基元：将多块小规格金属坯(可为铸坯、锻坯或轧坯)堆垛后进行真空封装，之后对其施加以镦粗大变形为特点的锻焊工艺，使多块小规格金属坯结合在一起成为毛坯。将毛坯锻造成圆柱体或长方体形，获得毛坯基元；

然后将毛坯基元构筑、封焊成预制坯：将两块毛坯基元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毛坯基元间的界面封装；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，实施镦粗大变形的措施，使界面充分焊合，实现冶金连接，成为一体化的毛坯；

将毛坯制成毛坯基元重复构筑过程：将锻焊后成为一体的毛坯制成毛坯基元，重复以上将毛坯基元制造成毛坯的构筑过程，每次重复构筑过程称为一级，直至毛坯重量达到目标重量。

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，使用常规构筑方法进行一级构筑，制造毛坯基元；

第二步，加工、清洗毛坯基元表面；

第三步，将两块毛坯基元堆垛；

第四步，将堆垛后的毛坯基元封装，使各接触界面处于真空状态；

第五步，对封装后的预制坯实施锻前加热；

第六步，对预制坯实施镦粗变形，获得毛坯；

第七步，将毛坯制作为毛坯基元，重复第二步至第六步的过程，直到毛坯重量达到目标重量；

第八步，将毛坯加工成形至最终规格尺寸。

在金属分级构筑成形方法的第一步中，使用常规构筑工艺，将金属坯裁切、表面加工清洗、堆垛、封装、锻焊后制成毛坯，此过程称为第一级构筑。将毛坯锻造成圆柱体或长方体形，获得毛坯基元。每块毛坯基元的高度与宽度/厚度/直径的比例不超过1.5∶1，便于实施镦粗变形。

在金属分级构筑成形方法的第二步中，采用角磨、钢刷打磨毛坯基元表面，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。

在金属分级构筑成形方法的第三步中，将两块毛坯基元堆垛成大规格长方体或圆柱体，使边缘对齐，堆垛后总高度与宽度/厚度/直径的比例不超过3∶1。

在金属分级构筑成形方法的第四步中，采用廉价金属板将堆垛后的毛坯基元整体封装成箱，箱体预留抽真空接口，对箱内抽真空处理后再封堵接口；或将堆垛后的毛坯基元整体放入真空室内，再采用真空焊接方式将两基元间的界面封装，封装界面的焊接深度为10～50mm。封装完成后获得预制坯。

在金属分级构筑成形方法的第五步中，将焊接完成的预制坯送入加热炉加热，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。

在金属分级构筑成形方法的第六步中，将加热后的坯料水平放置于锻压机操作平台上，采用镦粗板对坯料沿高度方向(即垂直于界面方向)进行镦粗；压下坯料总高度的10-50％，此过程称为锻焊，锻焊结束后获得毛坯，此过程称为第二级构筑。在锻造过程中，如果两个毛坯基元之间的界面没能够完全焊合，则将两个毛坯基元分离并锻造回到第一步中毛坯基元的尺寸，以重新进行第二级构筑。

在金属分级构筑成形方法的第七步中，将毛坯进一步锻造成圆柱体或长方体形，获得毛坯基元。将两块相同尺寸的毛坯基元再次进行表面加工、清洗、堆垛、封装、锻焊，即重复第二步至第六步的过程，此过程称为第三级构筑。可多次重复此过程，每次重复进行构筑称为一级。每次构筑后毛坯重量为该次构筑前毛坯基元重量的2倍，进行多级构筑直到毛坯重量达到目标重量为止。

在金属分级构筑成形方法的第八步中，将多级构筑后的毛坯通过锻造、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。

本发明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、稳定化制造。传统模铸方法制备金属坯需人工准备模具、浇道、保温材料，同时浇注后冒口发热剂和覆盖剂存在较大的环境污染。采用金属分级构筑成形方法，过程可实现完全自动化，不但可以改善劳动环境，而且减少了人为因素影响，产品质量将更加稳定。

6、实现超大型构件的高可靠性分级制造。传统的构筑方法是将多块金属坯直接进行构筑，在构筑坯料制造过程中，由于偶然因素如界面污染或焊缝失效造成界面破真空而导致报废的可能性很大。例如，对于100t以上的超大型锻件，采用传统构筑方法使用连铸坯进行构筑，连铸坯堆垛的层数超过10层，任何两层之间单一界面的失效将导致锻件整体报废，损失巨大。通过分级构筑成形方法可以实现逐步以小制大，只有第一级构筑过程中坯料中存在多个界面，后续的多级构筑过程中每次仅存在一个界面，可以有效降低界面破真空导致锻件整体报废的风险。

附图说明

图1a至图1h为本发明工艺流程图，其中，图1a显示采用常规构筑工艺获得的预制坯；图1b将预制坯锻焊成毛坯，并进一步制造成毛坯基元；图1c显示将毛坯基元表面加工平整，露出新鲜金属，并进行清洗；图1d显示在真空坏境下对毛坯基元之间的界面四周进行封焊，以获得预制坯；图1e显示将预制坯放入高温炉中加热；图1f显示在锻压机上采用镦粗板沿预制坯的高度方向镦粗；图1g显示镦粗变形到位，使缺陷充分焊合以获得毛坯；图1h显示将毛坯进一步锻造、加工成最终零件形状和尺寸。

图2为本发明实施例1的构筑工艺示意图，第一级构筑采用常规构筑工艺制备第二级构筑使用的长方体毛坯基元；第二级构筑采用本发明的方法将第一级构筑获得的两件长方体毛坯基元制成第三级构筑使用的长方体毛坯基元，第三级构筑采用本发明的方法将第二级构筑获得的长方体毛坯基元制备成更大型的毛坯。

图3为本发明实施例2的构筑工艺示意图，第一级构筑采用常规构筑工艺制备第二级构筑使用的圆柱体毛坯基元，第二级构筑采用本发明的方法将第一级构筑获得的两件圆柱体毛坯基元制成第三级构筑使用的圆柱体毛坯基元，第三级构筑采用本发明的方法将第二级构筑获得的圆柱体毛坯基元制备成更大型的毛坯。

具体实施方式

图1a至图1h为本发明工艺流程图，其中，图1a显示采用常规构筑工艺获得的预制坯；图1b将预制坯锻焊成毛坯，并进一步制造成毛坯基元；图1c显示将毛坯基元表面加工平整，露出新鲜金属，并进行清洗；图1d显示在真空坏境下对毛坯基元之间的界面四周进行封焊，以获得预制坯；图1e显示将预制坯放入高温炉中加热；图1f显示在锻压机上采用镦粗板沿预制坯的高度方向镦粗；图1g显示镦粗变形到位，使缺陷充分焊合以获得毛坯；图1h显示将毛坯进一步锻造、加工成最终零件形状和尺寸。

图2为本发明实施例1的构筑工艺示意图，第一级构筑采用常规构筑工艺制备第二级构筑使用的长方体毛坯基元；第二级构筑采用本发明的方法将第一级构筑获得的两件长方体毛坯基元制成第三级构筑使用的长方体毛坯基元，第三级构筑采用本发明的方法将第二级构筑获得的长方体毛坯基元制备成更大型的毛坯。

这种分级构筑是有优势的，如果不进行分级构筑，设想要获得图2中的最终的40t级毛坯，需采尺寸为1400×1400×300mm的连铸坯9块进行一次构筑，其中包括了8个界面，如果其中一个界面破真空，将导致锻件整体报废。然而，通过分级构筑，在第一级构筑中的界面减少到了3个，而在第二级和第三级构筑中的界面减少到了仅仅为1个。这大大降低了大型坯料构筑过程中报废的可能性，大幅提高了合格率。

实施例1

本实施例的目标产品为316不锈钢环形件。首先采用连铸方式，浇注宽度1000mm、厚度300mm的连铸板坯，其钢种为316h。然后切取长度为1000mm的连铸坯基元，加工、清洗后在真空室内封焊成预制坯。将预制坯进行锻焊后获得10t级毛坯基元。将4件10t级毛坯基元进行表面加工、清洗、堆垛、封装、锻焊后获得2件20t级毛坯。将2件20t级毛坯作为毛坯基元进行表面加工、清洗、堆垛、封装、锻焊后获得1件40t级毛坯。最后将毛坯锻造成环形件。具体步骤如下：

第一步，使用常规构筑方法制造毛坯基元。切取规格为1000×1000×300mm连铸坯16块，连铸坯经加工、清洗后在真空室内每4块堆垛封焊成1000×1000×1200mm的预制坯。将预制坯进行锻焊后获得10t级毛坯，将毛坯锻造至尺寸1050×1050×1050mm，成为10t级毛坯基元。共获得4块10t级毛坯基元。

第二步，加工、清洗待焊接表面。采用龙门铣床加工10t级毛坯基元表面，然后采用丙酮清洗，保障表面高度清洁，露出新鲜金属。

第三步，对10t级毛坯基元进行堆垛。将两块10t级毛坯基元进行堆垛，堆垛后尺寸为1050×1050×2100mm，重量约为20t。

第四步，对10t级毛坯基元进行真空电子束焊接。将堆垛后的10t级毛坯基元四周进行真空电子束焊接，焊接深度为50mm，焊接完成后得到20t级预制坯。

第五步，对20t级预制坯实施锻前加热。将焊接完成的预制坯送入加热炉加热，加热温度为1200℃。

第六步，对预制坯实施镦粗大变形。将加热后的20t级预制坯放置于锻压机操作平台上，使20t级预制坯高度方向沿竖直方向。采用镦粗板沿高度方向对预制坯进行镦粗，压下预制坯总高度的50％。变形完成后得到20t级毛坯。将毛坯锻造至尺寸1320×1320×1320mm，成为20t级毛坯基元。共获得2块20t级毛坯基元。

第七步，进行40t级毛坯的制造。将2块20t级毛坯基元进行表面加工、清洗、堆垛、封装后得到40t级预制坯。将预制坯锻焊后成为40t级毛坯，即重复第二步至第六步的过程。

第八步，将40t级毛坯锻造成形至最终锻件尺寸。锻件为环形，内径为1030mm，外径为2630mm，高度为1000mm。

图3为本发明实施例2的构筑工艺示意图，第一级构筑采用常规构筑工艺制备第二级构筑使用的圆柱体毛坯基元，第二级构筑采用本发明的方法将第一级构筑获得的两件圆柱体毛坯基元制成第三级构筑使用的圆柱体毛坯基元，第三级构筑采用本发明的方法将第二级构筑获得的圆柱体毛坯基元制备成更大型的毛坯。

这种分级构筑是有优势的，如果不进行分级构筑，设想要获得图3中的最终的160t级毛坯，需采尺寸为2300×2300×300mm的连铸坯14块进行一次构筑，其中包括了13个界面，如果其中一个界面破真空，将导致锻件整体报废。然而，通过分级构筑，在第一级构筑中的界面减少到了6个，而在第二级和第三级构筑中的界面减少到了仅仅为1个。这大大降低了大型坯料构筑过程中报废的可能性，大幅提高了合格率。

实施例2

本实施例的目标产品为转子锻件。首先采用连铸方式，浇注宽度1600mm、厚度300mm的连铸板坯，其钢种为16mn。然后切取长度为1600mm的连铸坯基元，加工、清洗后在真空室内封焊成预制坯。将预制坯进行锻焊后获得40t级毛坯基元。将4件40t级毛坯基元进行表面加工、清洗、堆垛、封装、锻焊后获得2件80t级毛坯。将2件80t级毛坯作为毛坯基元进行表面加工、清洗、堆垛、封装、锻焊后获得1件160t级毛坯。最后将毛坯锻造成转子。具体步骤如下：

第一步，使用常规构筑方法制造毛坯基元。切取规格为1600×1600×300mm连铸坯28块，连铸坯经加工、清洗后在真空室内每7块堆垛封焊成1600×1600×2100mm的预制坯。将预制坯进行锻焊后获得40t级毛坯，将毛坯锻造至尺寸φ1930×1800mm，成为40t级毛坯基元。共获得4块40t级毛坯基元。

第二步，加工、清洗待焊接表面。采用龙门铣床加工40t级毛坯基元表面，然后采用丙酮清洗，保障表面高度清洁，露出新鲜金属。

第三步，对40t级毛坯基元进行堆垛。将两块40t级毛坯基元进行堆垛，堆垛后尺寸为φ1930×3600mm，重量约为80t。

第四步，对40t级毛坯基元进行真空电子束焊接。将堆垛后的40t级毛坯基元四周进行真空电子束焊接，焊接深度为50mm，焊接完成后得到80t级预制坯。

第五步，对80t级预制坯实施锻前加热。将焊接完成的预制坯送入加热炉加热，加热温度为1200℃。

第六步，对预制坯实施镦粗大变形。将加热后的80t级预制坯放置于锻压机操作平台上，使80t级预制坯高度方向沿竖直方向。采用镦粗板沿高度方向对预制坯进行镦粗，压下预制坯总高度的50％。变形完成后得到80t级毛坯。将毛坯锻造至尺寸φ2400×2200mm，成为80t级毛坯基元。共获得2块80t级毛坯基元。

第七步，进行160t级毛坯的制造。将2块80t级毛坯基元进行表面加工、清洗、堆垛、封装后得到80t级预制坯。将预制坯锻焊后成为160t级毛坯，即重复第二步至第六步的过程。

第八步，将160t级毛坯锻造成形至最终锻件尺寸，总长度9000mm，最大直径3000mm，最小直径700mm。