一种金属复合材料蠕压制造设备

本发明涉及金属复合材料和机械制造综合，具体是一种制造金属层状复合材料用蠕压一体化设备。

背景技术：

1、层状金属复合材料是采用不同的制造方法使两种或者两种以上性能不同的金属之间达到冶金结合而得到的新型材料。目前层状金属复合材料的制造方法主要有爆炸焊接、爆炸+轧制、轧制以及蠕压复合新方法四大类。

2、爆炸焊接利用炸药爆轰所产生的巨大能量，于一瞬间完成同种或一种金属复合材料的固/固相冶金结合。具有工艺简单、成本较低、结合强度高等优点。爆炸+轧制是在爆炸焊接基础上对爆炸复合材料进行后续轧制处理，能够提高材料表面粗糙度、形状精度、厚度尺寸精度以及加工性能。但是爆炸焊接以及爆炸+ 轧制板型控制差，会产生环境污染，且在制造薄板的过程中复合率较低，生产效率和成品率均较低。真空轧制可以提高生产效率和成品率、减少环境污染以及提高结合强度。但是轧制只适用于性能相近的金属之间进行复合，对于性能相差较大的金属复合效果较差，且轧制的能量消耗较大，能量的利用率低。

3、虽然真空蠕压(cn 114043178 a)和真空轧制(cn 106180186 a)两种制造层状复合材料在真空控制工艺和组坯工艺两方面有相同之处，但两种工艺方法的结合机理、能量作用原理和最终效果明显有本质不同，这两种工艺方法的不同之处主要体现为：

4、1、两种制造方法结合机理明显不同。轧制是一种金属加工工艺，指的是将金属坯料通过一对旋转轧辊的间隙，因受轧辊的压缩使材料截面减小，长度增加的压力加工方法。而对比文件1和2真空轧制就是在真空环境下利用一对旋转轧辊的巨大压力(压下率)使待复合材料产生截面减小长度增加即使待复合材料产生剧烈的塑性变形而形成结合。而真空蠕压是在真空环境下，使待复合材料无需产生塑性变形，而是运用“很小的压力”使两个待结合的表面紧密接触，蠕压一定时间，使两界面充分接触保持原子间距并形成金属原子固相结合。虽然，对于层状复合材料而言，只要两新鲜界面达到原子间距就可形成良好的接头，但真空轧制以及爆炸焊接的能量都远超界面的结合能，这也是业界长期认为两个界面的结合需要很大的能量使两待复合材料产生塑性变形或高温熔化才能形成冶金结合 (而不是原子结合)。正因为业界对爆炸复合、真空轧制等层状复合材料制造方法的界面结合机理认识不够深刻和充分，致使迄今为止国内外仍没有人提出蠕压制造复合材料这一简易方法。

5、2、能量加入方式不同。真空轧制不仅其正压力很大，要使待复合材料产生塑性变形，即要超过材料的屈服强度，一般是几百兆帕以上，而且真空轧制还有侧向剪切力。而真空蠕压只有很小的维持两界面达到原子间距的静态正压力即可，一般小于材料的屈服强度。本发明试验了一种压力即是1mpa，远小于材料的屈服强度。而且真空蠕压是静态的，且没有侧向剪切力，因此减少了大量的能量消耗。

6、3、能量利用率不同。轧制方法，其大多数能量都消耗在待复合材料的塑性变形上，而实际上界面的结合能只占了很小一部分，由模拟计算表明：此结合能只占了总能量的10％-20％，同时，过多的能量反而在界面会形成过熔及位错等微观缺陷。而蠕压的压力非常小，即消耗的能量很小，而且仅有的压力即重力势能大部分都转化为界面的结合能，其运用了自然界和物理学的最小作用量原理，不仅消耗能量少而且能量利用率高，真正实现了层状复合材料制造领域的低碳节能和可持续性发展。蠕压方法的推广应用将是复合材料领域的一次颠覆性重大创新突破，将会给我国工业装备及军事工程等领域带来一次升级换代。

7、相较于前三种制造方法，蠕压复合新方法克服了上述问题，能实现同种或者一种金属之间的复合，且适用于大尺寸复合板的制造，具有降低制造成本，提升产品质量以及实现绿色节能制造等优点。

8、蠕压复合新方法的主要工艺过程包括：表面处理、基复板校平、组坯封焊、热处理以及蠕压结合。其中热处理和蠕压结合是关键的两步，分别控制复合过程的温度和压力，而温度和压力会直接影响蠕压复合材料的结合强度。在一般的蠕压复合过程中，坯件在热处理炉中进行热处理后，再转到相应的油压机下面进行蠕压结合。从热处理炉转到油压机的过程会使坯件的热量散失，不便于对组坯温度的控制，且在蠕压过程中坯件的温度也会迅速下降，进而影响产品的成材率。

9、为了解决上述问题，本发明提供的一种金属层状复合材料蠕压制造设备，在加工之前对需要复合的材料进行分子动力学计算，结合实际加工环境确定加压时间、加热温度以及加压压力。而后将坯件放入本发明所述设备中，设定好加热温度、加压压力以及加压时间，设备会自动调节相应参数。

技术实现思路

1、一、蠕压设备结构组成及功能

2、本发明的一个目的在于提出一种可控制温度与压力用于金属蠕压复合的蠕压一体化设备，解决蠕压工艺过程中温度以及压力的控制问题。本发明所采用的技术方案是：一种制造金属层状复合材料用蠕压一体化设备，包括设备本体、设备本体内部结构以及控制系统三大部分。

3、设备本体包括设备外壳、盖板、支撑柱及加压装置。所述设备本体的底部设置有基座，设备本体上方安装有加压装置，其侧面固定安装有支撑柱。设备本体通过线缆、高压导管与低压导管与控制系统连接。

4、设备本体内部结构包括其内壁面安装的发热体、温度传感器，中间固定安装导向柱，所述导向柱上安装加压隔板以及加压隔板之间为工作区。所述最上方加压隔板的上方为加压装置的压头。压头与设备本体内部最上方的加压隔板通过螺栓连接。

5、控制系统内部设有电机、液压泵、电磁换向阀、压力传感器、压力调节装置及控制线路，能够为压力机提供高压油或者其他高压液体。控制系统内部的电机、液压泵、电磁换向阀、压力传感器、等部件与设备本体上方压机、高压导管及低压导管构成完成的液压系统。所述液压系统可以实现对坯件的加压功能。控制系统通过线缆与设备本体连接，可以控制发热体进行发热，设备本体内部的温度传感器也可以将温度实时反馈回控制系统。控制线路与温度传感器构成温控系统，能实现对坯件的加热及保温功能。控制系统上设有显示屏以及操控按钮，显示屏上可以显示设定温度、实时温度、实时压力、已加热时间、保温时间及已加压时间。可以通过操作按钮可以控制设备本体对坯件进行加热、保温以及加压。

6、进一步地，加压装置活塞行程可达600mm，加压压力最大可达10mpa.

7、进一步地，设备本体内部设置有六个加压隔板，两个加压隔板之间为工作区。工作过程中，中间的加压隔板同时作为上一工作区的下加压隔板和下一工作区的上加压隔板。加压隔板通过其上面的导向孔安装固定在导向柱上面。可以通过简单增加加压隔板的数量来增加工作区的数量。

8、进一步地，盖板通过螺栓与设备本体连接在一起，在盖板中间开有用于加压装置活塞通过的通孔。活塞与压头通过螺栓连接。

9、进一步地，本发明加压隔板采用耐高温材料并且在其表面有特殊涂层，防止样品在加热加压过程中与隔板结合在一起。

10、进一步地，设备本体的门内表面及设备内表面安装有保温层，能够起到保温效果，防止热量外溢。

11、进一步地，本发明设备本体内部三面同时加热，能够保证样品温度均匀性，控温精度在±3℃，加热室均温精度在±5℃。

12、本发明提供一种制造金属层状复合材料用蠕压一体化设备。具备以下有益效果：

13、1、在蠕压制造过程中，将待加工坯件放入工作区，本发明中的发热体能够对其进行加热。并且通过温度传感器的反馈，当坯件达到要求温度后，设备会减少发热体的发热量，以实现自动控制坯件的加热温度。

14、2、当坯件被加热到要求的温度后，可以控制加压装置对坯件进行加压，避免了坯件转移到加压装置过程中的热量散失。同时，加压装置设有压力传感器，能够实时反映加压压力，使得坯件能在最适合的压力下受压，进而提高金属界面的结合强度，提高产品成材率。

15、3、本发明所述的设备单个的工作区尺寸达到1000mm×2000mm，能够加工加大尺寸的坯件，本设备同时上下设置有多个工作区，能够一次加工多件坯件，为坯件的批量加工提供设备支持。进一步的，通过改变上下工作区的距离，能加工不同厚度的坯件，提高设备的实用性。

16、二、对加压时间、加热温度及加压压力的分子动力学计算

17、本发明所进行的分子动力学计算是在lammps下进行了，势函数采用的是 zope和mishin所提出的eam作用势。以钛铝蠕压复合板为例首先创建了一个尺寸12×12×6nm的盒子，将其沿z轴等分a，b两部分，其中a部分填充hcp 类型的ti原子，晶格常数为2.94，b部分填充原子，晶格常数为4.05。在a，b 两部分之间留有0.1nm的间距，与实际中蠕压开始前的复合板位置保持一致。随后将其放在npt系综下进行弛豫，并统计其沿z方向的msd与扩散层厚度。

18、1、加压时间的计算

19、在t＝0时刻，al和ti在以z＝30a为界对称分布。随着时间的进行，al、ti 类型原子逐渐向z＝0扩展。分别将al和ti原子所能扩展的最大距离进行记录并求差即可得到扩散层宽度。随着时间的增长，扩展层的宽度逐渐增大。al的扩散宽度在11a左右上下浮动，而ti的扩散宽度随着时间的增加逐渐增加，这说明al的扩散受时间的影响较少。在界面迁移过程中，原子扩散的主要机制是空位的迁移。根据本文提供的势函数所知，al的空位形成能和空位迁移能分别为 0.71和0.65ev，而ti为1.83与0.80ev，因此al相比于ti扩散的更快。而扩散层随时间宽度的增加主要是被ti原子扩散所贡献。根据原子组在扩散方向z的均方位移(msd)随时间的变化情况得知。在0-16.8ps时间内，msd表现为时间t的二次幂函数，原子的运动以“弹道运动为主”，随后的时间内msd表现为 t的一次幂函数，原子运动模式由“弹道运动”转为扩散行为。即存在较短时间的快速扩散现象，随后进入缓慢扩展阶段。结合实际，加压时间在15～20分钟可以使两界面充分接触达到原子接触并形成金属原子固相结合。

20、2、加压温度的计算

21、分别进行了700k，800k以及900k的蠕压ti-al计算，来探究温度对蠕压扩散的影响，所有的模拟都是在0压下进行的以规避压力对原子扩散的干扰，时间取为200ps。随着温度的升高，原子的扩散逐渐加剧。在相同的时间下，随着温度的升高扩散宽度逐渐增加，且温升对ti原子的扩散提升要明显大于al，这是因为温升所提供的额外能量帮助更多的ti原子越过空位壁垒。此外ti的hcp 结构也导致了al原子在向其扩散时存在难度。蠕压的关键是保证两待复合金属表面在一定的温度下界面剪切压力应达到基体金属的塑性蠕变的压力。由于待复合的两种金属熔点(tm)有差异，确定热处理温度时，以熔点较低的金属作为参考对象，当所选择的热处理温度也应该在熔点较高金属的蠕变温度范围之内。首先，热处理温度要小于两待复合金属的熔点；其次，如两待复合金属熔点相差较大，热处理温度可控制为(0.6～0.8)tm(tm为两待结合金属中熔点较低金属的熔点)，如两待复合金属熔点相差较小，热处理温度则取(0.3～0.5)tm。

22、3、加压压力的计算

23、蠕压过程需要对复合板施加一定的力使其达到原子间距，那么这个压力对界面复合会不会产生影响是我们所关注的另外一个问题。为此，我们在上述模型的基础上，通过改变npt系综的压力来对上述温度区间内模型进行弛豫，压力范围分别取为0，0.2，0.4，0.6，0.8，1bar。相同温度时，al，ti扩散宽度以及总扩散宽度随着压力的变化而变化。以700k为例，随着压力从0增加到1.2bar，al的扩散宽度从8.5215a增加到13.1683a，而ti的变化情况更为复杂，其随着压力的增加在0.6bar时达到了最佳扩散宽度8.5739a，随后增压导致扩散宽度出现下降。随着外部施加压力的不断增加，扩散宽度呈现出先增长后降低的态势。在700k， 750k，850k和900k时最大扩散宽度在0.6bar出现，800k时在0.8bar出现。一定的压力能够促进界面之间进行扩散，但当给定压力过大时，原子的运动能力将会束缚，从而导致扩散宽度的降低。因此，在蠕压加工过程中，适当给予一定的压力将促进复合板的结合，这个压力范围对ti-al蠕压复合来说约为0.6-0.8bar 较为合适。