一种大型复杂构件的低成本短流程制备方法

本发明涉及材料加工，具体涉及一种大型复杂构件的低成本短流程制备方法。

背景技术：

1、超塑性成形作为一种可以成形复杂结构零件的工艺，由于具有变形抗力小、近净成形、成形构件可大幅减重，及一次成形等优于传统塑性加工方法的特性在众多塑性加工工艺中脱颖而出，目前在超塑性合金板上进行超塑性成形制备复杂构件已得到了广泛应用，如飞机壁板、口盖、舱门等。然而对于尺寸超大的大型复杂构件，例如大型卫星蒙皮、大型飞机进气口唇口等，受现有板材制备技术限制，板材尺寸有限，无法通过单个板材超塑性成形制备。

2、细小的等轴细晶/超细晶组织和高比例高角度晶界是材料获得超塑性能的重要条件，因此制备细晶/超细晶超塑性板材，并提高高角度比例是实现材料超塑性并进行超塑性成形的前提条件。目前，现有细晶制备技术均难以制备出超大尺寸细晶/超细晶超塑性板材。对于大型复杂构件，可通过多个构件超塑性成形后焊接在一起，但焊接破坏构件的整体性能，导致很大的残余应力和变形，影响构件的装配精度，大大限制了大型复杂构件的实际应用。为制备出具有超塑性成形能力的大尺寸钛合金板材，吴等人[专利202111282326.4]公开了一种制备大尺寸钛合金构件的超塑成形工艺，即先将商业钛合金超塑性轧制板材进行搅拌摩擦焊接，在焊核区得到细小等轴晶，并将整个焊接板材进行退火，通过退火过程中焊核与母材退火过程中的组织粗化速率的差异，最终实现整个板材相似的组织，从而可使得大尺寸焊接板各个区域具有相近的超塑性变形能力。然而该方法要求原始钛合金板材必须是轧制板材，且轧板必须是具有超塑性的细晶组织，如此方能在后续退火后仍能维持细晶结构使得整板具有超塑性，但该方法需使用商业钛合金超塑性细晶板作为原材料，但该原材料板材的制备仍存在工艺流程长、需多种设备协调进行、过程复杂繁琐、材料成品率低等传统轧板制备的问题，这大大限制了该方法的工程化应用。此外，该方法长时间的退火也将导致整个板材的组织粗化，由此降低整个板材的力学性能。

3、因此，亟需发明一种大型复杂构件的低成本短流程制备方法，即采用一种短流程制备方法从铸态合金原材料上制备出具有均匀细小组织的大尺寸超塑性合金板材，并在此基础上采用超塑性成形制备出大型复杂构件。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种大型复杂构件的低成本短流程制备方法。该方法可以通过从小尺寸的铸态合金原材料上获得均匀的细晶/超细晶组织的大尺寸超塑性板材，并最终实现高性能大型构件的制备，并且工艺简单高效、成本低，大型复杂结构件的原始板材尺寸不受加工方法的限制。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种大型复杂构件的低成本短流程制备方法，该方法包括如下步骤：

4、(1)将多块铸态合金板进行搅拌摩擦焊接，获得大尺寸的合金焊接板材；采用铸态合金板作为原材料可以大幅降低原材料的成本，且采用焊接将小尺寸的板连接成大尺寸的板材，由此可以突破原材料板材尺寸的限制。

5、(2)对焊后的大尺寸合金板材进行多道次搅拌摩擦加工，消除整体铸态板材缺陷，改善成分偏析和组织不均匀性，细化晶粒，制备出大尺寸的具有均匀细小组织的超塑性板材。由于铸态组织粗大并通常伴随有成分偏析、组织不均匀和铸造缺陷等，故铸态组织板母材通常不具有超塑性。本步骤可以通过多道次搅拌摩擦加工的大塑性变形方式，消除铸造缺陷，使得加工区组织大幅细化，成分和组织均匀化。此外，焊接后焊缝的组织与原始铸态母材的组织完全不同，但由于搅拌摩擦焊接与加工的基本原理相同，故通过多道次搅拌摩擦加工可以将整个大尺寸的焊接板(包括焊缝和母材)的组织加工成均匀一致的特殊细小组织，由此使得整个大尺寸的板具有优异的超塑性成形能力。

6、(3)对制备的大尺寸超塑性合金板材进行整体超塑性成形制备出大尺寸复杂构件。由于步骤步骤(1)和(2)制备出了具有优异超塑性成形能力的大尺寸板，因而在步骤(3)通过合适的超塑性成形工艺可实现大尺寸复杂构件的制备。

7、上述步骤(1)-(2)中的搅拌摩擦焊接与多道次搅拌摩擦加工参数相同。具体为：采用搅拌工具的轴肩尺寸为8～15毫米，搅拌针尺寸为3～8毫米；搅拌工具的旋转速度为200～1000转/分钟；焊接速度为25～300毫米/分钟。由于超塑性要求晶粒度低，因而本发明采用的搅拌摩擦焊接与搅拌摩擦加工的参数对应的热输入较低，由此搅拌工具的尺寸较小并匹配较低的转速和适当的焊接速度。

8、上述步骤(1)-(2)焊接过程可以在大气、真空、水甚至干冰、液氮、液氦及有机溶剂介质中进行。通过较低的热输入焊接参数结合不同的介质冷却，实现具有优异超塑性成形能力的特殊细晶组织。

9、上述步骤(2)多道次搭接加工前后两道次之间的搭接区宽度为每道次搅拌摩擦加工区宽度的1/5～4/5。若搭接区宽度过小将导致两道次之间存在未加工区域，局部未加工区即为原始铸态组织，由此导致整个板的局部区域无超塑性，无法获得后续超塑性成形应用。若搭接区宽度过大会导致要实现整板板材加工则加工道次量非常大，由此导致生产效率过低。此外，搭接区宽度过大将导致整个板材加工区的加工道次过多，易导致整个加工区受到多次热量积累的影响，由此导致晶粒度大幅增加，从而导致晶粒度过度粗化而无法获得超塑性，因而搭接区的宽度必须在上述的范围内，方能保证本技术所需的组织，实现大尺寸板材的超塑性。

10、上述步骤(1)-(2)得到的大尺寸板材的组织为等轴组织，晶粒度为0.01～5微米，高角度晶界高于80％。组织细小等轴且高角度晶界(错配角度不小于15°的晶界)比例高有利于获得优异的超塑性成形能力。因此，本发明通过特定的焊接和加工参数组合保证获得的晶粒度，晶粒形态和高角度比例为在上述范围内的特殊组织，方能保证后续超塑性成形的实现。

11、上述步骤(3)中，超塑性变形温度范围为175～1000℃，应变速率1×10-4～1×10-1s-1，超塑性成形的气体压力为0.1～5mpa。材料必须在一定的温度范围内、结合一定的应变速率区间(或气体压力)才能体现出高超塑性，过高的应变速率，晶界滑移很难进行，因而易发生局部颈缩，从而很难获得高超塑性延伸率。过低的应变速率，导致晶粒粗化严重，晶界滑移阻力大幅增加，由此无法获得高超塑性延伸率。

12、本发明适用的合金包括钛合金、铝合金、镁合金、钢铁、高熵合金及其他所有具有超塑性变形能力的合金。

13、本发明设计机理如下：

14、本发明通过采用较低热输入的搅拌摩擦焊接将小尺寸的铸态板连接成大尺寸的板材，由此可以解决大尺寸板制备难的问题。并通过结合多道次搅拌摩擦加工(即单板搅拌摩擦焊接)工艺的方式，由于搅拌工具与待焊/待加工铸态板材的剧烈摩擦生热并发生剧烈变形，消除铸造缺陷，细化晶粒，成分和组织均匀化。基于搅拌摩擦焊接与搅拌摩擦加工基本原理相同而使得搅拌摩擦焊焊核与搅拌摩擦加工区具有相同组织的原理，通过适当的搅拌摩擦焊接和加工参数组合，保证在整个大尺寸焊接板上实现均匀一致的具有合适晶粒度，晶粒形态和高角度比例相结合的特殊组织，由此获得具有优异超塑性成形能力的大尺寸细晶或者超细晶板材；并进一步在适当的温度结合适当的气体压力(或应变速率)进行超塑性成形，最终在该大尺寸板材上制备出大型复杂构件。

15、相比其他传统工艺，本发明方法可以制备出具有高比例高角度晶界的细小等轴组织，更有利于超塑性成形。并且本发明采用小尺寸铸态合金板作为原材料可以大幅降低超塑性板材的成本；且采用焊接将小尺寸的板连接成大尺寸的板材，可突破原材料的板材尺寸限制；并可在同一设备上实现，可大幅降低大尺寸钛合金超塑性板的制备难度。此外，该工艺流程短，效率高，材料利用率高，并且组织均匀，可以突破板材尺寸限制，最终制备出大尺寸复杂结构件，对工业用高性能大型复杂构件的低成本制备有重要意义。

16、本发明的优点在于：

17、1、相比传统高压扭转、等通道转角挤压以及动态塑性变形等很难制备大尺寸超塑性板材的剧烈塑性变形方法，搅拌摩擦焊接与多道次搅拌摩擦加工的方法可以突破板材尺寸限制，制备出大尺寸的具有超塑性变形能力的细晶/超细晶合金板材。

18、2、传统超塑性细晶板材的制备方法：铸态-均匀化退火处理-开坯-多次(热轧-热处理)-热处理-多次冷轧-热处理，工艺流程长，工艺复杂，生产周期长，成本较高，需多种设备协作进行，且成品率低；而本发明采用搅拌摩擦焊接与多道次搅拌摩擦加工制备超塑性板材的工艺，在同一设备上即可完成，工艺流程短、工艺简单、材料利用率高、生产效率高、成本低，适用于工业生产与应用。

19、3、相比传统轧制方法制备板材后采用超塑性成形制备复杂构件的方法受限于板材尺寸无法制备大尺寸(例如直径数米)复杂构件，本发明方法可以突破尺寸的限制，可以结合搅拌摩擦焊增大板材尺寸，和搅拌摩擦加工短流程制备细晶/超细晶组织的特点，本发明的方法可以兼具焊接与加工功能，突破板材尺寸的限制，最终采用超塑性成形制备出大型复杂构件。

20、4、相比铸态合金，搅拌摩擦焊接与多道次搅拌摩擦加工的工艺制备出的高比例高角度晶界的大尺寸细晶/超细晶合金构件具有优异的超塑性成形能力，在大型复杂构件如卫星蒙皮、飞机进气口唇口、飞机起落架舱门，飞机翼肋和机身构件以及整体涡轮盘等方面有广泛的应用前景。