一种NiAl合金薄壁管件成形与控性一体化方法与流程

本发明涉及金属间化合物薄壁管件的精密成形技术领域，尤其涉及一种nial合金薄壁管件成形与控性一体化方法。

背景技术：

nial合金具有熔点高、密度低、热导率高、结构稳定性高和抗氧化性优良等优点，使其在高温工程领域优于传统钛合金，能够填补传统高温合金和高温结构陶瓷之间的空白，是一种极具潜力的新型高温结构材料。nial合金管件在工程领域具有良好的应用前景，主要应用于航空发动机以及超高速空天飞行器进气道和火焰筒等部件。但是，由于金属间化合物的本征脆性限制了这类材料的使用，传统的加工工艺需要包括锻造、热轧、超塑性成形等。nial合金管坯的制备尤为困难，传统加工方法一般先采用等温轧制(或者包套轧制)制备nial合金板坯，卷管后焊接获得nial合金焊管管坯；或者在高温下通过挤压工艺获得nial合金管坯。之后，再采用超塑性成形获得薄壁管件。采用传统制备工艺，工序复杂，设备要求苛刻，成品率低。因此，迫切需要研发金属间化合物的热加工新技术。

针对该问题，国内外研究人员提出了以下技术思路。公开号cn106676330a的专利提出了一种nial合金及其制备方法，该方法采用ni、al粉末通过真空热压法或精密铸造法制备nial合金，该方法可应用于制备玻璃热弯模具。但是，该方法用于nial合金薄壁构件的制备较为困难。公开号cn103057203a的专利提出了一种层状nial材料及其制备方法，该方法采用ni箔与al箔的交替叠层进行两次热压复合，热处理后得到nial合金板材。但是，制备nial合金薄壁管件的方法依然采用的是传统方法，都是先制备板坯，获得nial合金焊管后，最终采用超塑性成形制备管材构件。另外，卷管工艺困难，焊管工艺复杂，超塑性成形工艺对成形装备和材料组织要求较高，成形速率较低，薄壁管件的超塑成形缺陷较多，如变形过程中易产生空洞，导致材料断裂。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种nial合金薄壁管件成形与控性一体化方法，本发明的方法中，气胀成形、反应合成和致密化处理均在气胀成形模具中进行，操作简单，且制备的薄壁管件成分分布均匀、致密性好，表面无缺陷。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种nial合金薄壁管件成形与控性一体化方法，包括以下步骤：

(1)根据nial合金中ni原子和al原子的原子个数比，计算ni箔和al箔的厚度比；将所需ni箔和al箔进行预处理，得到预处理ni箔和预处理al箔；

(2)将若干个预处理ni箔和若干个预处理al箔交替堆叠，得到ni/al叠层箔；将所述ni/al叠层箔卷管，得到ni/al叠层箔管；

(3)将所述ni/al叠层箔管进行气胀成形，待ni/al叠层箔管充分贴合气胀成形模具后，依次进行第一反应合成、第二反应合成和致密化处理，得到nial合金薄壁管件；所述第一反应合成为将所述气胀成形模具升温至610～650℃、气体压力升至10～20mpa、保温保压2～5h；所述第二反应合成为将所述气胀成形模具升温至1000～1300℃、气体压力升至10～50mpa、保温保压2～4h；所述致密化处理为将所述气胀成形模具升温至1000～1300℃、气体压力升至50～100mpa、保温保压1～5h。

优选地，将所述ni/al叠层箔卷管后，还包括将所述ni/al叠层箔对接处进行焊接。

优选地，得到ni/al叠层箔管后，还包括在所述ni/al叠层箔管内部插入金属轴管，在所述ni/al叠层箔管与金属轴管之间涂敷氮化硼阻焊剂，将ni/al叠层箔管与金属轴管整体放入圆柱体型腔模具中进行胀接，然后将ni/al叠层箔管与金属轴管整体取出、将内部的金属轴管取出，进行步骤(3)；所述胀接的温度为300～500℃，胀接的气体压力为15～40mpa，胀接的时间为0.1h～5h。

优选地，所述气胀成形的温度和气体压力根据气胀成形条件进行实际调控。

优选地，所述气胀成形的温度为室温。

优选地，所述气胀成形的温度为400～600℃。

优选地，所述气胀成形模具的工作表面均匀涂敷有氮化硼阻焊剂。

优选地，所述气胀成形用气体、维持气体压力用气体均为惰性气体。

优选地，所述第二反应合成的气体压力低于致密化处理的气体压力。

优选地，所述步骤(3)替换为：将所述ni/al叠层箔管进行气胀成形，待ni/al叠层箔管充分贴合气胀成形模具后；将气胀成形模具升温至610～650℃、气体压力升至10～20mpa、保温保压2～5h，进行第一反应合成；然后在热等静压设备中依次进行第二反应合成和致密化处理，得到nial合金薄壁管件；所述第二反应合成为惰性气氛下于1000～1300℃，10～50mpa的气体压力下，保温保压2～5h；所述致密化处理为惰性气氛下于1000～1300℃、50～100mpa气体压力下，保温保压1～5h。

本发明提供了一种nial合金薄壁管件成形与控性一体化方法，包括以下步骤：(1)根据nial合金中ni原子和al原子的原子个数比，计算ni箔和al箔的厚度比；将所需ni箔和al箔进行预处理，得到预处理ni箔和预处理al箔；(2)将若干个预处理ni箔和若干个预处理al箔交替堆叠，得到ni/al叠层箔；将所述ni/al叠层箔卷管，得到ni/al叠层箔管；(3)将所述ni/al叠层箔管进行气胀成形，待ni/al叠层箔管充分贴合气胀成形模具后，依次进行第一反应合成、第二反应合成和致密化处理，得到nial合金薄壁管件；所述第一反应合成为将所述气胀成形模具升温至610～650℃、气体压力升至10～20mpa、保温保压2～5h；所述第二反应合成为将所述气胀成形模具升温至1000～1300℃、气体压力升至10～50mpa、保温保压2～4h；所述致密化处理为将所述气胀成形模具升温至1000～1300℃、气体压力升至50～100mpa、保温保压1～5h。

有益效果：

一、本发明以ni箔和al箔为原料，材料的规格和成分可控性高；管材构件的壁厚可以通过原始ni箔和al箔的厚度和层数进行调整，制备过程安全、无污染、成本低；

二、ni箔和al箔堆叠后直接进行气胀成形，能够发挥ni和al箔本身的塑性成形能力，降低模具钢的使用要求；

三、在同一套模具中先后进行塑性成形、反应合成和致密化处理三道工序，能够明显提高nial合金薄壁管件的尺寸精度，提高生产效率；

四、通过对气胀成形模具中的第一反应合成和第二反应合成的参数控制，使nial合金薄壁管件具有良好的成分均匀性；通过对致密化处理参数的控制，使nial合金薄壁管件具有优异的组织致密性；上述参数的控制能够在最短的时间内制备出具有优异成分均匀性和组织致密性的nial合金薄壁管件。

附图说明

图1为本发明中由ni/al叠层箔制成ni/al叠层箔管的示意图；

图2为本发明气胀成形、反应合成和致密化处理过程中温度、压力随时间的变化示意图；

图3为本发明气胀成形模具的结构示意图，其中，1为第一上模，2为第二上模，3为第一下模，4为第二下模，5为热电偶，6为加热元件，7为左冲头，8为右冲头，9为气压管路，10为待成形管件；

图4为本发明制备nial合金薄壁管件所用装置，其中：1为高压气源，2为充气控制柜，3为第一上模，4为第二上模，5为下模，6为加热器，7为温控器，8为保温层，9为隔热板，10为水冷版，11为工业冷水机，12为垫板，13为水平缸，14为合模压力机，15为液压泵站，16为计算机控制器；

图5为实施例1所得nial合金薄壁管件截面的sem图。

具体实施方式

本发明提供了一种nial合金薄壁管件成形与控性一体化方法，包括以下步骤：

(1)根据nial合金中ni原子和al原子的原子个数比，计算ni箔和al箔的厚度比；将所需ni箔和al箔进行预处理，得到预处理ni箔和预处理al箔；

(2)将若干个预处理ni箔和若干个预处理al箔交替堆叠，得到ni/al叠层箔；将所述ni/al叠层箔卷管，得到ni/al叠层箔管；

(3)将所述ni/al叠层箔管进行气胀成形，待ni/al叠层箔管充分贴合气胀成形模具后，依次进行第一反应合成、第二反应合成和致密化处理，得到nial合金薄壁管件；所述第一反应合成为将所述气胀成形模具升温至610～650℃、气体压力升至10～20mpa、保温保压2～5h；所述第二反应合成为将所述气胀成形模具升温至1000～1300℃、气体压力升至10～50mpa、保温保压2～4h；所述致密化处理为将所述气胀成形模具升温至1000～1300℃、气体压力升至50～100mpa、保温保压1～5h。

本发明根据nial合金中ni原子和al原子的原子个数比，计算ni箔和al箔的厚度比；将所需ni箔和al箔进行预处理，得到预处理ni箔和预处理al箔。

在本发明中，所述nial合金中ni原子和al原子的原子个数比优选为1：1。本发明对所述ni箔和al箔进行预处理的方式不做具体限定，采用本领域技术人员熟知的清洗ni箔和al箔的方式即可。在本发明的具体实施例中，所述ni箔和al箔的预处理方式优选包括以下步骤：将ni箔和al箔用细砂纸打磨光亮，之后将其放入丙酮溶液中进行超声波清洗，随后置于蒸馏水中浸泡1min，最后无水乙醇中超声波清洗后，取出并冷风吹干。

得到预处理ni箔和预处理al箔后，本发明将若干个预处理ni箔和若干个预处理al箔交替堆叠，得到ni/al叠层箔；将所述ni/al叠层箔卷管，得到ni/al叠层箔管。

本发明对所述预处理ni箔和预处理al箔的层数不做具体限定，本领域技术人员根据所要制备的薄壁管件的厚度、ni箔及al箔的厚度进行设置即可。

本发明对所述ni/al叠层箔卷管的方式不做具体限定，只要能够使ni/al叠层箔形成管状即可。在本发明中，由ni/al叠层箔经卷管形成ni/al叠层箔管的示意图如图1所示。

在本发明中，所述ni/al叠层箔卷管后，优选还包括将所述ni/al叠层箔对接处进行焊接。本发明对所述焊接的方式和用料不做具体限定，采用本领域技术人员熟知的ni箔和al箔的焊接方式即可。本发明将ni/al叠层箔对接处进行焊接既保证了ni箔和al箔层间叠放的稳定性，又能保证气胀成形时ni/al叠层箔管内气体的封闭性。

得到ni/al叠层箔管后，本发明优选还包括在所述ni/al叠层箔管内部插入金属轴管，在所述ni/al叠层箔管与金属轴管之间涂敷氮化硼阻焊剂，将ni/al叠层箔管与金属轴管整体放入圆柱体型腔模具中进行胀接，然后将ni/al叠层箔管与金属轴管整体取出、将内部的金属轴管取出，进行后续气胀成形、第一反应合成等；所述胀接的温度为300～500℃，胀接的气体压力为15～40mpa，胀接的时间为0.1h～5h。

在本发明中，所述金属轴管的壁厚优选为0.2～2mm。在本发明中，所述氮化硼阻焊剂的涂敷厚度优选为50～100μm，在本发明的具体实施例中，所述氮化硼阻焊剂的涂敷厚度根据要制备的管件尺寸进行具体设置。本发明对所述氮化硼阻焊剂的涂敷方式不做具体限定，只要能够将氮化硼阻焊剂涂敷到ni/al叠层箔管和金属轴管之间即可。本发明在ni/al叠层箔管内部插入金属轴管，既保证了层叠放置的ni箔和al箔层间件材料的一致性，又保证了ni/al叠层箔管内气体封闭性。

得到ni/al叠层箔管后，本发明将所述ni/al叠层箔管进行气胀成形，待ni/al叠层箔管充分贴合气胀成形模具后，依次进行第一反应合成、第二反应合成和致密化处理，得到nial合金薄壁管件；所述第一反应合成为将所述气胀成形模具升温至610～650℃、气体压力升至10～20mpa、保温保压2～5h；所述第二反应合成为将所述气胀成形模具升温至1000～1300℃、气体压力升至10～50mpa、保温保压2～4h；所述致密化处理为将所述气胀成形模具升温至1000～1300℃、气体压力升至50～100mpa、保温保压1～5h。

在本发明中，所述气胀成形的温度和气体压力根据气胀成形条件进行实际调控。在本发明的具体实施例中，所述气胀成形的温度优选为室温或者400～600℃；本发明气胀成形的温度为室温时，易于保持层叠放置的ni箔和al箔叠层间的低氧化状态；当气胀成形的温度为400～600℃时，能够提高层叠放置的ni箔和al箔的成形能力，易于制备出形状复杂的构件。

在本发明中，所述气胀成形模具的工作表面涂敷有氮化硼阻焊剂。在本发明中，所述氮化硼阻焊剂的涂敷厚度优选为50～100μm。本发明对所述氮化硼阻焊剂的涂敷方式不做具体限定，只要能够将氮化硼阻焊剂涂敷到气胀成形模具的工作表面即可。本发明在气胀成形模具的工作表面涂覆氮化硼阻焊剂，可以防止ni/al叠层箔管与气胀成形模具在高温下发生结合，保证最终薄壁管件的性能。

在本发明中，所述气胀成形用气体、维持气体压力用气体均优选为惰性气体；所述惰性气体优选包括氩气或氦气。

在本发明中，所述第一反应合成为将所述气胀成形模具升温至610～650℃，优选为620～640℃，进一步优选为630℃；气体压力升至10～20mpa，优选为12～18mpa，进一步优选为14～16mpa；保温保压2～5h，优选为3～4h。

本发明中，所述第一反应合成的具体反应为：

ni+3al→nial3+δh1；

nial3+ni→ni2al3+δh2。

在本发明中，所述第一反应合成过程中，原始的ni/al叠层箔管中的ni与al发生反应合成，在ni箔和al箔界面处形成nial3；随后nial3继续与ni发生反应合成，形成ni2al3；最终，al反应完毕，形成ni/ni2al3/ni叠层结构。

在本发明中，所述第二反应合成为将所述气胀成形模具升温至1000～1300℃，优选为1050～1250℃，进一步优选为1100～1200℃；气体压力升至10～50mpa，优选为20～40mpa，进一步优选为30mpa；保温保压2～4h，优选为3～4h。

在本发明中，所述第二反应合成的具体反应为：

ni2al3+ni→2nial+δh3。

在本发明中，所述第二反应合成生成的ni2al3通过与ni在高温下反应，得到均匀的nial。

在本发明中，所述致密化处理为将所述气胀成形模具升温至1000～1300℃，优选为1050～1250℃，进一步优选为1100～1200℃；气体压力升至50～100mpa，优选为60～90mpa，进一步优选为70～80mpa；保温保压1～5h，优选为2～4h，进一步优选为3h。在本发明中，所述致密化处理的气体压力优选大于第二反应合成的气体压力；所述致密化处理的温度优选大于第二反应合成的温度。本发明的致密化处理在气胀模具中进行可以有效地避免薄壁构件转移时造成的尺寸精度减低；同时，能够减少工序，有效提高生产效率；另外，致密化处理在气胀模具中进行，对于大尺寸的薄壁构件，能够有效的降低热处理炉的使用要求(炉腔尺寸限制)。

在本发明中，所述气胀成形、反应合成和致密化处理过程中的温度、压力随时间的变化示意图如图2所示。

在本发明中，所述气胀成形模具的结构示意图如图3所示；图3中：1为第一上模，2为第二上模，3为第一下模，4为第二下模，5为热电偶，6为加热元件，7为左冲头，8为右冲头，9为气压管路，10为待成形管件。在本发明中，所述气胀成形模具中的上模和下模均由两部分构成，即上模由第一上模和第二上模构成；下模由第一下模和第二下模构成；这种结构的模具能够实现分区加热、分区控温，满足各区域组织与性能的同步调控，从而实现大型复杂薄壁管件分区成形与控性的目的。

本发明的ni/al叠层箔管的塑性成形方式采用气胀成形，能够保证ni箔和al箔的塑性成形性，提高ni/al叠层箔管的塑性成形率，提高最终薄壁管件的成形率；再通过合理控制第一反应合成、第二反应合成的反应温度、气体压力和时间，使ni和al充分反应，形成了成分均匀的薄壁管件；最后经合理控制致密化处理的温度、压力和时间，使得薄壁构件表面缺陷少，具有优异的致密性。另外，本发明制备薄壁管件的塑性成形、反应合成和致密化处理都是在气胀模具中进行的，能够满足各区域组织与性能的同步调控，从而实现大型复杂薄壁管件分区成形与控性的目的，避免了先制备管坯再进行塑性成形的复杂工艺。

在本发明中，制备nial合金薄壁管件所用的装置如图4所示。图4中：1为高压气源，2为充气控制柜，3为第一上模，4为第二上模，5为下模，6为加热器，7为温控器，8为保温层，9为隔热板，10为水冷版，11为工业冷水机，12为垫板，13为水平缸，14为合模压力机，15为液压泵站，16为计算机控制器。

在本发明中，“将所述ni/al叠层箔管进行气胀成形，待ni/al叠层箔管充分贴合气胀成形模具后；将气胀成形模具升温至610～650℃……将气胀成形模具升温至1000～1300℃、气体压力升至50～100mpa、保温保压1～5h，进行致密化处理，取出，得到nial合金薄壁管件。”步骤优选替换为：将所述ni/al叠层箔管进行气胀成形，待ni/al叠层箔管充分贴合气胀成形模具后；将气胀成形模具升温至610～650℃、气体压力升至10～20mpa、保温保压2～5h，进行第一反应合成；然后在热等静压设备中依次进行第二反应合成和致密化处理，得到nial合金薄壁管件；所述第二反应合成为惰性气氛下于1000～1300℃，10～50mpa的气体压力下，保温保压2～5h；所述致密化处理为惰性气氛下于1000～1300℃、50～100mpa气体压力下，保温保压1～5h。

在本发明中，所述第一反应合成、第二反应合成和致密化处理的条件与在气胀成形模具中依次进行的第一反应合成、第二反应合成和致密化处理的条件一致，在此不再赘述。

在本发明中，热等静压设备优选为现有技术设备，可外购获得，成本不会额外增加；同时，热等静压处理的薄壁管件致密度高，均匀性好，性能优异，同时具有生产周期短，工序少，能耗低，材料损耗小。

下面结合实施例对本发明提供的nial合金薄壁管件成形与控性一体化方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

一种nial合金薄壁管件成形与控性一体化方法，包括以下步骤：

(1)根据nial合金中ni原子和al原子的原子个数比，计算ni箔和al箔的厚度比；将ni箔和al箔用细砂纸打磨光亮，之后将其放入丙酮溶液中进行超声波清洗，随后置于蒸馏水中浸泡1min，取出并冷风吹干，得到预处理ni箔和预处理al箔；所述ni箔和al箔的厚度比具体计算过程为：

n＝n×na(i)；其中，n表示原子个数，n表示物质的量，na表示阿伏伽德罗数；

m＝n×m(ii)，其中，m表示质量，n表示物质的量，m表示物质的摩尔质量；

h＝m/(ρ·s)(iii)，其中，h表示高度，m表示质量，ρ表示密度，s表示截面积；

又已知：ρni＝8.902g/cm³；mni＝58.69g/mol；ρal＝2.70g/cm³；mal＝26.98g/mol；

由nni:nal＝1:1；根据式(i)(ii)(iii)可得：hni：hal＝1:1.5；

(2)将若干个预处理ni箔和若干个预处理al箔交替堆叠，得到ni/al叠层箔；将所述ni/al叠层箔卷管，得到ni/al叠层箔管；

(3)将所述ni/al叠层箔管置于气胀成形模具中，气胀成形模具在室温下进行气胀成形，气胀成形所需的压力根据成形条件进行实际调控，待ni/al叠层箔管充分贴合气胀成形模具后；将气胀成形模具升温至610℃、气体压力升至10mpa、保温保压5h，进行第一反应合成；将气胀成形模具升温至1000℃、气体压力升至50mpa、保温保压4h，进行第二反应合成；将气胀成形模具升温至1300℃、气体压力升至80mpa、保温保压1h，进行致密化处理，取出，得到nial合金薄壁管件。

图5为本实施例所得nial合金薄壁管件截面的sem图，从图5可以看出：薄壁管件中各区域成分均匀，其中ni与al的原子比接近1：1，具体为ni：al＝49.6：59.4，表面无缺陷。

实施例2

一种nial合金薄壁管件成形与控性一体化方法，包括以下步骤：

(1)与实施例1相同；

(2)将若干个预处理ni箔和若干个预处理al箔交替堆叠，得到ni/al叠层箔；将所述ni/al叠层箔卷管，在所述ni/al叠层箔管内部插入金属轴管，并在所述ni/al叠层箔管与金属轴管之间涂敷氮化硼阻焊剂，将ni/al叠层箔管与金属轴管整体放入圆柱体型腔模具中进行胀接，所述胀接的温度为400℃，胀接的气体压力为20mpa，胀接的时间为0.5h；然后将ni/al叠层箔管与金属轴管整体取出、将内部的金属轴管取出；

(3)将所述ni/al叠层箔管置于气胀成形模具中，气胀成形模具升温至400℃后进行气胀成形，气胀成形所需的压力根据成形条件进行实际调控，待ni/al叠层箔管充分贴合气胀成形模具后；将气胀成形模具升温至640℃，气体压力升至20mpa，保温保压3h，进行第一反应合成；再将气胀成形模具升温至1250℃，气体压力升至30mpa，保温保压3h，进行第二反应合成；在1300℃，气体压力为100mpa下，保温保压4h，进行致密化处理；取出，最终获得nial合金薄壁管件。

本实施例所得nial合金薄壁管件的sem图于实施例1中薄壁管件截面的图片类似。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。