专利名称：一种成形高性能三维变截面高温结构零件的半固态流变成形工艺方法
技术领域：
本发明涉及一种成形高性能三维变截面高温结构零件的半固态流变成形工艺方法，属于半固态成形技术领域。
背景技术：
随着环境与能源问题的日益突出，我国冶金行业的高能耗、重污染和低性价比问题日益突出，不断调整和改进工业企业增长方式和发展方向将逐步把我国从加工大国向加工强国推进。在材料加工行业，为提高产品质量，减轻环境污染，增强其国际竞争力，迫切需要从冶金材料科学发展前沿出发，突破传统的材料制备与工艺理论和概念，利用高新技术对材料加工及其控制技术进行新的工艺探索，实现生产过程的短流程、低能耗和高质量。长期以来，实现三维变截面高温结构零件的短流程、近净成形生产方法、并能从生产上制备复杂零件以及研究其性能已成为广大现代高新技术加工企业的一种迫切需要。20世纪70年代半固态成形技术的出现为解决上述问题带来了希望。所谓半固态成形技术是对具有一定液相组分的固液混合浆料进行压铸、挤压或模锻成形，是一种介于普通铸造(纯液态)和锻压(纯固态)之间的加工方法(M.Kiuchi，R.Kopp.Mushy /Sem1-solid Metal Forming Technology-Present and future.Annals ofthe CIRP.2002,51 (2): 1_18)。与普通的铸造和锻压成形方法相比，半固态金属材料成形加工具有如下优点:①应用范围广泛，凡具有固液两相区的合金及复合材料均可实现半固态加工，如铝合金、铜合金和钢的压铸、挤压和锻压成形；②半固态金属已经部分释放出结晶潜热，因而减轻了对成形模具的热冲击，使其寿命大幅度提高；③半固态浆料变形抗力非常小，因而可以一次成形断面十分复杂的零件，实现近净成形，并且缩短了加工周期，提高了材料利用率，有利于节能节材半固态浆料充填平稳，无湍流和喷溅，凝固收缩小，因而成形件表面平整光滑，无气孔，晶粒细小，力学性能好。可见半固态成形技术与传统的材料加工方法相比具有极大的优势(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，随着航空航天、电子通讯和石油化工等领域快速发展，其相关零部件的复杂程度越来越高，使用环境也越来越苛刻，如在三维方向上均为变截面的耐高温复杂结构零件，通常只能使用机械切削加工的方法来实现，或者使用常规铸造的方法，但是铸造中气孔、偏析、气泡等缺陷难以消除。此外，常规加工方法的低生产效率、高能耗、高生产成本的制造方法已显得不相适应。长期以来研究用短流程、近净成形技术、并能从生产上制备高质量高精密三维变截面高温结构零件已成为广大高新技术制造企业的一种迫切需要，如何找到一种巧妙的高温复杂零件成形方法已成为广大材料科学家和工程师一项极具创造性和挑战性的工作。针对上述问题，本发明提出了一种成形高性能三维变截面高温结构零件的半固态流变成形工艺方法。
发明内容
本发明的目的在于提出一种成形高性能三维变截面高温结构零件的半固态流变成形工艺。本发明提出的一种成形高性能三维变截面高温结构零件的半固态流变成形工艺方法，其特征在于，所述工艺方法含有以下各步骤:(I)半固态浆料的制备用高温电阻炉加热经过干燥处理的块状高温合金铸锭，由于高温合金易于氧化，加热过程中使用氩气作为保护气。合金铸锭完全熔化后，保温静置10-20分钟；(2)用于半固态流变成形浆料定量输送装置的设计设计一可对半开的陶瓷坩埚，两瓣分别固定在夹钳的两端，坩埚内部体积大小与目标零件体积大小相等；(3)半固态流变浆料控制冷却
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用电热装置将陶瓷坩埚预热到320°C -380°C，将上述步骤(I)中经静置后的高温合金熔液倒入陶瓷坩埚，并控制冷却4-7秒钟。因为高温合金流变成形时间短，期间不需进行搅拌。上述冷却时间可保证半固态坯料固相分数控制在75%-85% ；(4)三维变截面高温结构零件流变成形设计用于三维变截面高温结构零件流变成形的模具，包括模具预热和温度控制系统的建立，将由(3)控制冷却得到的流变坯料迅速放入模具中锻造成形得到目标零件。在上述的流变成形中，所述步骤(4)模具预热温度为350°C -400°C，用石墨粉脱模剂。在上述的流变成形中，所述步骤(4)成形速度控制在120-150mm/s，保压时间为5-8 秒。本发明与现有技术相同/区别之处:目前，对高质量三维变截面高温结构零件的生产常采用铸造成型的方法，或采用机械切削加工的方法来实现。机械切削加工方法工艺流程长，生产成本高，材料利用率非常低。常规铸造法制备的高温结构零件其内部的气孔、气泡和疏松等缺陷难以消除，不能达到高性能的要求。本发明使用可对开的陶瓷坩埚实现浆料的定量运输以及与锻造成形设备的对接方法也未见报道，这是为便于高温合金半固态坯料与陶瓷坩埚顺利分离，保证生产过程的无障碍连续运转。高性能三维变截面高温结构零件流变成形方法是一项完全崭新的短流程近净成形技术，扩大了半固态技术在高温合金的应用领域，拓展了三维变截面高温结构零件的制造途径。使用该工艺，不但可以实现高温结构零件成形的短流程、近终形的成形制造，而且可以降低能源消耗，提高产品质量，并推进半固态成形技术在新领域的使用。同时，本工艺方法装置简单，成本投入少。
图1为典型三维变截面高温结构零件示意图。图2三维变截面高温结构零件的半固态流变锻压成形模具结构示意图。
图3是半固态流变成形工艺流程图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明:目前，半固态成形技术应用主要是压铸成形铝镁等低温合金，应用领域主要集中在汽车和摩托车等低端领域。由于压铸成形是在浆料固相分数为40% —60%条件下完成的，所制备生产零件的内部、特别是表面仍存在部分缩孔气泡等缺陷，对质量精度等要求很高、且在长、宽、高方向上均为变截面的高温结构零件(如图-1)目前仍主要采用传统的机械切削加工方法或铸造成型方法加以实现，常规的冷/热挤压方法通常只能实现两个方向上的变截面成形。由于切削加工方法具有生产效率低、生产成本高等一些缺陷，长期以来探索用短流程、近终形生产方法、并能生产出高质量三维变截面高温结构零件已成为广大高新技术制造企业的一种迫切需要。针对上述问题，本发明拟以图-1中的三维变截面高温结构零件为目标，采用半固态流变锻压成形技术加以实现，发明内容主要包括:①半固态浆料的制备要实现半固态流变成形，制备成份、组织和性能均匀且固相颗粒圆整细小的半固态浆料是前提。先采用电阻炉加热经过干燥处理的块状商用高温合金铸锭，为防止氧化，使用氩气作为保护气体，在达到完全熔化温度后，保温静置10-20分钟。②用于半固态浆料快速定量输送装置的设计设计并加工可对半开的陶瓷坩埚一个，坩埚体积大小与目标零件体积大小相等。将两对半开陶瓷坩埚分别固定在一便于手工操作的夹钳两边，这样可解决浆料的快速定量输送，也便于半固态坯料与坩埚顺利分离，便于坩埚进入下一轮浆料运输。使用电热装置将陶瓷坩埚预热到320°C -380°C，将内容①中经静置后的高温合金熔液倒入坩埚，并控制冷却。当浆料温度下降到设定的半固态温度后，就得到一定固相分数的半固态坯料(高温合金流变成形固相分数控制在75% -85% )。③三维变截面高温结构零件流变成形设计并加工用于三维变截面高温结构零件流变成形的模具一套(见图2)，并建立模具预热和温度控制系统。模具预热温度为350°C -400°C，使用石墨粉或JD-800型脱模剂。将②中制备得到的具有一定固相分数的坯料迅速放入模具中，流变成形得到目标零件。成形速度控制在120-150mm/s，保压时间5_8秒。本发明采用高温电阻炉加热经过干燥处理的块状商用高温合金铸锭，使用惰性气体氩气作为保护气体。在达到完全熔化温度后，保温静置10-20分钟。设计并加工可对开的陶瓷坩埚一个，其体积大小与目标复杂零件体积相等，将对开坩埚分别固定在一便于手工操作的夹钳两边，使用电热装置将坩埚预热到320°C _380°C。将合金熔液倒入坩埚并控制冷却。当坩埚中浆料温度下降到设定的半固态温度后，打开坩埚，使半固态坯料迅速落入成形模具中。调节压力机的速度(120-150mm/S)、模具预热温度(350-400°C )以及使用石墨粉或JD-800型等脱模剂，流变锻造成形目标零件。工艺流程图见
中图_3。其中，高性能三维变截面高温结构零件流变成形速度控制在120-150mm/s，半固态浆料固相分数控制在75-85 %，模具预热温度(350-400°C )。这样可以最大程度消除成形件中的气孔气泡等成形缺陷，得到高质量的目标零件。在高温合金半固态流变成形过程中，为便于定量运输半固态浆料，设计采用两个半圆筒组合而成的陶瓷坩埚或一内部带有一定锥度的陶瓷坩埚，这样便于半固态坯料从坩埚中直接迅速落入成形模具中。对开坩埚分别固定在一便于手工移动的夹钳两边，以保证半固态坯料被迅速运送并放入成形模具中。坩埚内腔体积大小与流变成形目标零件体积相等。这样可以实现半固态浆料的快速定量输送并保证与流变成形设备的顺利对接，实现稳定而连续可控的浆料制备、输送和流变锻压成形。在高温合金半固态浆料制备过程中，可以使用高温电阻加热炉，也可以使用感应加热炉。实施例1使用718高温合金进行半固态流变锻压成形图-1中的三维变截面结构零件首先用电阻炉加热熔化经过干燥处理(100°C烘干)的块状商用718高温合金铸锭，在高温电阻炉中完全熔化后，保温静置12分钟。设计并加工存放高温合金浆料的可对开式陶瓷坩埚一个，其体积大小与目标零件体积大小相等。为保证浆料均匀散热，陶瓷坩埚的内径与其深度大致相等。将两半对开坩埚分别固定在一便于手工操作的夹钳两边，使用电热装置将坩埚预热到350°C。将高温合金熔液倒入坩埚并控制冷却5秒钟后，打开坩埚，将半固态坯料迅速从坩埚倒入到成形模具的凹模中(模具预热温度为360°C )。压力机的速度调整为150mm/s、使用石墨脱模剂，成形压力设为400KN-600KN，保压时间设为5秒。使用以上参数可流变锻压成形得到图-1中的三维变截面高温结构零件。实施例2使用718高温合金进行半固态流变锻压成形图-1中的三维变截面结构零件
首先用电阻炉加热熔化经过干燥处理(100°C烘干)的块状商用718高温合金铸锭，在高温电阻炉中完全熔化后，保温静置15分钟。设计并加工存放高温合金浆料的可对开式陶瓷坩埚一个，其体积大小与目标零件体积大小相等。为保证浆料均匀散热，陶瓷坩埚的内径与其深度大致相等。将两半对开坩埚分别固定在一便于手工操作的夹钳两边，使用电热装置将坩埚预热到370°C。将高温合金熔液倒入坩埚并控制冷却7秒钟后，打开坩埚，将半固态坯料迅速从坩埚倒入到成形模具的凹模中(模具预热温度为390°C )。压力机的速度调整为125mm/s、使用石墨脱模剂，成形压力设为400KN-600KN，保压时间设为6秒。使用以上参数可流变锻压成形得到图-1中的三维变截面高温结构零件。实施例3使用718高温合金进行半固态流变锻压成形图-1中的三维变截面结构零件首先用电阻炉加热熔化经过干燥处理(100°C烘干)的块状商用718高温合金铸锭，在高温电阻炉中完全熔化后，保温静置20分钟。设计并加工存放高温合金浆料的可对开式陶瓷坩埚一个，其体积大小与目标零件体积大小相等。为保证浆料均匀散热，陶瓷坩埚的内径与其深度大致相等。将两半对开坩埚分别固定在一便于手工操作的夹钳两边，使用电热装置将坩埚预热到380°C。将高温合金熔液倒入坩埚并控制冷却6秒钟后，打开坩埚，将半固态坯料迅速从坩埚倒入到成形模具的凹模中(模具预热温度为400°C )。压力机的速度调整为135mm/s、使用石墨脱模剂，成形压力设为400KN-600KN，保压时间设为8秒。使用以上参数可流变锻压成形得到图-1中的三维变截面高温结构零件。
权利要求
1.一种成形三维变截面高温结构零件的半固态流变成形工艺方法，其特征在于，所述工艺方法含有以下各步骤 (1)半固态浆料的制备 用高温电阻炉加热经过干燥处理的块状高温合金铸锭，由于高温合金易于氧化，加热过程中使用氩气作为保护气。合金铸锭完全熔化后，保温静置10-20分钟； (2)用于半固态流变成形浆料定量输送装置的设计 设计一可对半开的陶瓷坩埚，两瓣分别固定在夹钳的两端，坩埚内部体积大小与目标零件体积大小相等； (3)半固态流变浆料控制冷却 用电热装置将陶瓷坩埚预热到320°C-38(TC，将上述步骤(I)中经静置后的高温合金熔液倒入陶瓷坩埚，并控制冷却4-7秒钟。因为高温合金流变成形时间短，期间不需进行搅拌。上述冷却时间可保证半固态坯料固相分数控制在75% -85% ； (4)三维变截面高温结构零件流变成形 设计用于三维变截面高温结构零件流变成形的模具，包括模具预热和温度控制系统的建立，将由(3)控制冷却得到的流变坯料迅速放入模具中锻造成形得到目标零件。
2.根据权利要求I所述的成形方法，其特征在于，所述步骤⑷模具预热温度为3500C _400°C，用石墨粉脱模剂。
3.根据权利要求I所述的成形方法，其特征在于，所述步骤(4)成形速度控制在120-150mm/s，保压时间为5-8秒。
全文摘要
本发明涉及一种成形高性能三维变截面高温结构零件的半固态流变成形工艺方法，包括半固态浆料的制备、半固态流变成形浆料定量输送装置的设计、半固态流变浆料控制冷却以及三维变截面高温结构零件流变成形等步骤，该成型工艺拓展了三维变截面高温结构零件的制造途径。使用该工艺，不但可以实现高温结构零件成形的短流程、近终形的成形制造，而且可以降低能源消耗，提高产品质量。
文档编号B22D17/00GK103252470SQ20121003576
公开日2013年8月21日 申请日期2012年2月17日 优先权日2012年2月17日
发明者王玉伟 申请人:加中绿联盟投资顾问(北京)有限公司