一种在金属表面进行多层梯度组织构型的方法及装置与流程

本发明是一种在金属表面进行多层梯度组织构型的方法及装置，属于高温合金盘锻件加工制造。

背景技术：

1、在机械生产过程中，由于操作不当、工艺不对等都会造成高温合金盘锻件的早期失效，另外在恶劣的工况下，高温合金盘锻件无法达到较长的使用寿命。对高温合金盘锻件表面进行表面改性(包括熔敷技术、热处理、td盐浴等)，能提高高温合金盘锻件表面性能，使高温合金盘锻件的服役时间增长，提高材料的使用效率、节约生产成本。近几十年来涌现出了各种提高材料表面性能的表面工程技术，包括比较成熟的渗碳、渗氮、pvd、cvd、pcvd、磁控溅射等技术，这类表面强化技术所获得镀层厚度均较薄，只有5～10微米左右，这样获得的表面强化层极易产生剥落和塌陷，对于高温合金盘锻件来说是不够的。

技术实现思路

1、本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种在金属表面进行多层梯度组织构型的方法及装置，其目的是以高温合金盘锻件目标，利用塑性成形的方法在高温合金盘锻件表面制备梯度构型并优化的组织材料，形成层与层之间良好过渡，并实现对该组织材料的强化，高温合金盘锻件表面多层梯度组织材料在高温下的硬度、耐磨性、热强性和抗氧化性得到改善和提高，以提高高温合金盘锻件的寿命、成型精度、加工效率并降低能耗，为精密热机部件的再制造提供新途径、新方法。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

3、本发明技术方案所述的在金属表面进行多层梯度组织构型的方法，首先在金属表面铺覆一层或多层金属粉末层，然后将金属粉末层加热至组织构型所需的温度并保温热透，再使用一个构型棒2对金属粉末层逐层或整体进行施压构型，该施压方式为挤压、推压或碾压中的一种或几种同时进行，其中：

4、挤压为构型棒2的作用力方向与金属粉末层表面垂直，其作用是使金属粉末层中的粉末颗粒在原有位置上，受到压应力的作用而发生塑性变形至轴向破碎；构型棒2的下降运动速度越快，粉末破碎的能量越大，发生再结晶的动能越大，通过多次运动，实现轴向梯度组织；

5、推压为构型棒2的作用力方向与金属粉末层表面平行，其作用是使金属粉末层中的粉末颗粒受到均匀的周向和径向的切应力而发生塑性变形至周向和切向破碎；金属粉末沿着周向和切向移动和延展，圆周运动速度越快，金属粉末破碎和延展的能量越大，发生再结晶的动能越大，通过多次运动，实现周向和切向梯度组织；

6、碾压为构型棒2做自转运动时产生，其作用是使金属粉末层中的粉末颗粒受到不均匀的周向和径向的切应力而发生塑性变形至周向和切向破碎，其中部分金属粉末颗粒受到压应力的作用，在原有位置上，发生塑性变形至轴向破碎，自转运动速度越快，粉末破碎的能量越大，发生再结晶的动能越大，通过多次运动，实现局部的三向梯度组织。

7、在实施时，所述金属粉末的纯净度为99.99％，金属粉末的粒度相同。

8、在实施时，对金属粉末层的加热通过构型棒2进行。

9、在实施时，所述金属表面为fgh96高温合金盘锻件的表面。

10、进一步，所述金属粉末为碳纳米管+ti2alnb粉末，对该金属粉末层的加热温度为1300℃，保温时间为1h。

11、进一步，对该金属粉末层的施压方式过程为：

12、第一步，构型棒2向下运动至距离金属表面10μm，进行以圆周运动方式进行推压，圆周运动速度为3rad/s，转动10圈，使金属粉末均匀扩散至距该圆周运动中心70mm的圆周范围内，并发生破碎和部分再结晶；

13、第二步，在保持第一步圆周运动方式进行推压的同时，构型棒2向下运动至距离金属表面3μm，开始作自转运动，自转运动速度1rad/s，每自转1圈，停止1s，直至构型棒2完成2圈上述圆周运动，使金属粉末均匀扩散至距该圆周运动中心90mm的圆周范围内，并发生破碎和部分再结晶；

14、第三步，在保持第一、二步运动状态的同时，构型棒2向下运动至距离金属表面0.5μm，构型棒2完成20圈上述圆周运动后停止，使金属粉末均匀扩散至距该圆周运动中心120mm的圆周范围内，并实现完全再结晶和界面结合，完成金属表面的多层梯度组织的构型。

15、在实施时，本发明技术方案提出了用于上述在金属表面进行多层梯度组织构型的方法的装置，该装置包括一个用于安装并固定待加工金属构件的固化盘1，在固化盘1的上方设置有输粉柱3用于向待加工金属构件的表面输送金属粉末，另在固化盘1的上方设置有圆柱形的构型棒2，该构型棒2能够以输粉柱3在金属构件表面的投影点为圆心，以输粉柱3为导向做垂直运动，并且该构型棒2能够以自身轴线为轴做自转运动和绕上述圆心作圆周运动。

16、在实施时，所述固化盘1为圆筒形，以适用于高温合金盘锻件。

17、本发明技术方案通过上述施压方式及其组合，实现了金属表面金属粉末颗粒完全发生塑性变形，而完成多层梯度组织构型，其有益的技术效果如下：

18、一、通过构型棒2的下降运动，圆周运动和自转运动的相互协调，可以实现高温合金盘锻件表面的多层梯度组织构型；

19、二、多层梯度组织构型过程中，金属粉末颗粒历经破碎-再结晶-界面结合全过程，通过塑性变形的方式，实现了附加组织的生成，组织更加细化，对于原始基体组织的表面改性具有积极效果；

20、三、本发明装置操作简单，固化盘1可以根据目标盘锻件的尺寸规格进行调整，为了避免氧化，还可以将装置置于真空系统中操作。

技术特征：

1.一种在金属表面进行多层梯度组织构型的方法，其特征在于：该方法首先在金属表面铺覆一层或多层金属粉末层，然后将金属粉末层加热至组织构型所需的温度并保温热透，再使用一个构型棒(2)对金属粉末层逐层或整体进行施压构型，该施压方式为挤压、推压或碾压中的一种或几种同时进行，其中：

2.根据权利要求1所述的在金属表面进行多层梯度组织构型的方法，其特征在于：所述金属粉末的纯净度为99.99％，金属粉末的粒度相同。

3.根据权利要求1所述的在金属表面进行多层梯度组织构型的方法，其特征在于：对金属粉末层的加热通过构型棒(2)进行。

4.根据权利要求1所述的在金属表面进行多层梯度组织构型的方法，其特征在于：所述金属表面为fgh96高温合金盘锻件的表面。

5.根据权利要求1或以上任一项所述的在金属表面进行多层梯度组织构型的方法，其特征在于：所述金属粉末为碳纳米管+ti2alnb粉末，对该金属粉末层的加热温度为1100℃～1300℃，保温时间为0.5h～1h。

6.根据权利要求5所述的在金属表面进行多层梯度组织构型的方法，其特征在于：对该金属粉末层的施压方式过程为：

7.一种用于权利要求1所述在金属表面进行多层梯度组织构型的方法的装置，其特征在于，该装置包括一个用于安装并固定待加工金属构件的固化盘(1)，在固化盘(1)的上方设置有输粉柱(3)用于向待加工金属构件的表面输送金属粉末，另在固化盘(1)的上方设置有圆柱形的构型棒(2)，该构型棒(2)能够以输粉柱(3)在金属构件表面的投影点为圆心，以输粉柱(3)为导向做垂直运动，并且该构型棒(2)能够以自身轴线为轴做自转运动和绕上述圆心作圆周运动。

8.根据权利要求7所述的在金属表面进行多层梯度组织构型的方法的装置，其特征在于，所述固化盘(1)为圆筒形，以适用于高温合金盘锻件。

技术总结
本发明是一种在金属表面进行多层梯度组织构型的方法及装置，该方法首先在金属表面铺覆一层或多层金属粉末层，然后将金属粉末层加热至组织构型所需的温度并保温热透，再使用一个构型棒(2)对金属粉末层逐层或整体进行施压构型，该施压方式为挤压、推压或碾压中的一种或几种同时进行，通过过本发明技术方案可实现多层构型层与层之间好的过渡，并能够对表面多层梯度组织进行强化，使表面多层梯度组织高温下的硬度、耐磨性、热强性和抗氧化性得到改善和提高。

技术研发人员：方爽,刘京,唐林,姜涛,李凯
受保护的技术使用者：中国航发北京航空材料研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15