一種半固態(tài)觸變-塑變復(fù)合成形方法
【專利摘要】一種半固態(tài)觸變-塑變復(fù)合成形方法，涉及材料加工領(lǐng)域一種新型的加工方法，適用于鋁合金、鎂合金、鋼、鈦合金、高溫合金及金屬基復(fù)合材料。主要步驟為：1、根據(jù)所加工零件的形狀和尺寸要求，下料出尺寸和形狀一定的坯料；2、通過(guò)電磁感應(yīng)加熱或電流自阻加熱等高效加熱方式，將坯料預(yù)熱；3、通過(guò)調(diào)整加熱工藝，使對(duì)應(yīng)于成形復(fù)雜形狀區(qū)域的坯料轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍虘B(tài)球晶組織，將對(duì)應(yīng)于成形相對(duì)簡(jiǎn)單形狀區(qū)域的坯料加熱至熱/溫塑性加工溫度；4、將預(yù)熱完成后具有不同溫度和組織狀態(tài)分布的坯料轉(zhuǎn)移到模具型腔，采用模鍛、擠壓等方式成形。本發(fā)明可同時(shí)發(fā)揮出半固態(tài)成形的近凈成形特點(diǎn)和塑性成形的高性能優(yōu)勢(shì)，具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用意義。
【專利說(shuō)明】一種半固態(tài)觸變-塑變復(fù)合成形方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料加工【技術(shù)領(lǐng)域】中一種新型的成形方法，具體是指合金或金屬基復(fù)合材料固態(tài)塑性成形和半固態(tài)成形的復(fù)合加工方法。

【背景技術(shù)】
[0002]塑性加工技術(shù)是利用材料的塑性變形能力，在一定的溫度、成形速度等條件下，施加某種形式的外力，以克服材料的變形抗力，使其產(chǎn)生塑性變形，從而得到具有一定形狀、規(guī)格尺寸和組織性能的制件。采用塑性加工方法所成形的制件一般具有較高的強(qiáng)度和韌性，但對(duì)于形狀復(fù)雜的零件往往需要多道成形工序才能完成，機(jī)械加工余量較大，材料利用率較低。
[0003]半固態(tài)觸變加工技術(shù)是利用合金或金屬基復(fù)合材料在半固態(tài)溫度保溫一定時(shí)間后所具備的觸變流動(dòng)性，通過(guò)采取鍛造、擠壓等方式加工形狀復(fù)雜且力學(xué)性能較高(遠(yuǎn)高于壓鑄件，接近于鍛件)的制件。由于半固態(tài)坯料的加熱和輸送過(guò)程較為簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，因此半固態(tài)觸變成形技術(shù)獲得了廣泛的關(guān)注。
[0004]近年來(lái)，源于現(xiàn)代工業(yè)對(duì)近凈成形(成形)和高力學(xué)性能構(gòu)件(成性)的一體化要求，迫切需求一種能同時(shí)發(fā)揮出合金的性能潛力和成形技術(shù)優(yōu)勢(shì)的新型加工技術(shù)?；诖吮尘?，高強(qiáng)鋁合金半固態(tài)觸變成形技術(shù)受到了越來(lái)越廣泛的重視。 申請(qǐng)人:已開(kāi)展了多年的高強(qiáng)鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)研究，發(fā)現(xiàn)制件經(jīng)熱處理后的力學(xué)性能仍難以完全達(dá)到鍛件指標(biāo)，尤其是屈服強(qiáng)度較塑性加工仍有一定的差距。航天航空、兵器工業(yè)、汽車制造業(yè)中有很多零件，如支座、角框架、連桿等，其局部區(qū)域具有復(fù)雜的幾何形狀且要求較高的力學(xué)性能。若完全采用塑性成形技術(shù)，加工效率較低，機(jī)械加工量極大，而且易破壞塑性加工流線；半固態(tài)觸變加工技術(shù)雖可實(shí)現(xiàn)近凈成形，但無(wú)法發(fā)揮出材料應(yīng)有的性能潛力，難以完全滿足使用需求。因此，若能開(kāi)發(fā)出新型的復(fù)合成形技術(shù)，將塑性加工與半固態(tài)觸變成形的優(yōu)勢(shì)結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件近凈成形甚至精確成形的基礎(chǔ)上，最大程度地發(fā)揮合金的性能優(yōu)勢(shì)，將具有極大的發(fā)展前景和應(yīng)用空間。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在研究已有方法基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出一種半固態(tài)觸變-塑變復(fù)合成形方法，將半固態(tài)觸變成形和塑性成形在構(gòu)件成形區(qū)域上的一體化集成。本方法可結(jié)合固態(tài)塑性成形和半固態(tài)觸變成形的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在制得復(fù)雜形狀零件的同時(shí)，最大限度地發(fā)揮了固態(tài)塑性加工的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)出材料的性能潛力，具有應(yīng)用材料范圍廣、生產(chǎn)效率高，成本低，組織和性能可控性好等優(yōu)點(diǎn)，而且還可用于成形具有梯度組織和性能要求的構(gòu)件。
[0006]本發(fā)明包括以下步驟:
[0007]—、根據(jù)所成形零件的形狀尺寸和性能要求，下料出具有一定尺寸和形狀的坯料；
[0008]二、采用電流自阻加熱裝置、電磁感應(yīng)加熱裝置、紅外加熱裝置等快速加熱裝置，使坯料的不同區(qū)域具有不同的預(yù)熱溫度及組織狀態(tài)分布。
[0009]三、將預(yù)熱完成后具有不同溫度和組織狀態(tài)分布的坯料轉(zhuǎn)移到模具型腔，采用模鍛、擠壓等方式成形，使半固態(tài)溫度區(qū)的坯料成形復(fù)雜形狀區(qū)域，使熱/溫塑性加工溫度區(qū)的坯料成形相對(duì)簡(jiǎn)單形狀區(qū)域。半固態(tài)觸變-塑變復(fù)合成形原理如附圖1所示。
[0010]三、若步驟二中采用電流自阻加熱，須將坯料截面加工成不同尺寸，如將對(duì)應(yīng)于成形復(fù)雜形狀區(qū)域的坯料加工成較小截面半徑，將對(duì)應(yīng)于成形相對(duì)簡(jiǎn)單形狀區(qū)域的坯料加工成較大的截面半徑。根據(jù)電流自阻加熱的原理，截面半徑較小的坯料因自阻產(chǎn)生的焦耳熱較大，因此可以達(dá)到較高的溫度以進(jìn)行半固態(tài)觸變變形；截面半徑較大的坯料因自阻產(chǎn)生的焦耳熱較小，因此可以達(dá)到較低的溫度以進(jìn)行固態(tài)塑性變形。其原理如附圖2所示。
[0011]四、若步驟二中采用電磁感應(yīng)加熱，須對(duì)坯料的不同區(qū)域分別采用不同的感應(yīng)線圈和加熱功率，以使坯料的各區(qū)域間達(dá)到所需的溫度場(chǎng)和組織狀態(tài)分布。比如采用大功率加熱對(duì)應(yīng)于成形復(fù)雜形狀區(qū)域的坯料，使其達(dá)到半固態(tài)溫度以進(jìn)行半固態(tài)觸變變形；采用小功率加熱對(duì)應(yīng)于成形相對(duì)簡(jiǎn)單形狀區(qū)域的坯料，使其達(dá)到熱塑性加工溫度或溫塑性加工溫度以進(jìn)行固態(tài)塑性變形。其原理如附圖3所示。
[0012]五、若步驟二中采用紅外加熱，須對(duì)坯料的不同區(qū)域分別施加不同的加熱功率，以使坯料的各區(qū)域間達(dá)到所需的溫度場(chǎng)和組織狀態(tài)分布。比如采用大功率加熱對(duì)應(yīng)于成形復(fù)雜形狀區(qū)域的坯料，使其達(dá)到半固態(tài)溫度以進(jìn)行半固態(tài)觸變變形；采用小功率加熱對(duì)應(yīng)于成形相對(duì)簡(jiǎn)單形狀區(qū)域的坯料，使其達(dá)到熱塑性加工溫度或溫塑性加工溫度以進(jìn)行固態(tài)塑性變形。其原理如附圖4所示。
[0013]本發(fā)明的適用材料包括鋁合金、鎂合金、鋼、鈦合金、高溫合金等合金，及SiCp、CNTs等作為增強(qiáng)體的金屬基復(fù)合材料。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1半固態(tài)觸變-塑變復(fù)合成形示意圖
[0015]圖中:I上模；2下模；3坯料；4沖頭；5成形構(gòu)件
[0016]圖2電流自阻加熱示意圖
[0017]圖中:1電源；2導(dǎo)線；3導(dǎo)電片；4坯料
[0018]圖3電磁感應(yīng)加熱示意圖
[0019]圖中:1低功率電源；2感應(yīng)線圈；3大功率電源；4線圈；5坯料
[0020]圖4紅外加熱示意圖
[0021]圖中:1低功率加熱器；2大功率電源；3坯料

【具體實(shí)施方式】
[0022]【具體實(shí)施方式】一
[0023]下面結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式包括以下步驟:
[0024]步驟一:將7075鋁合金棒料加工成尺寸為(pl5xh60的坯料；
[0025]步驟二:采用電磁感應(yīng)加熱裝置將坯料預(yù)熱，坯料下端的感應(yīng)線圈的功率為5kW，坯料上端的感應(yīng)線圈的功率為2kW ；
[0026]步驟三:采用紅外測(cè)/控溫設(shè)備控制坯料的加熱溫度，使坯料下端的溫度為620°C，上端的溫度為熱塑性成形溫度400°C，中間過(guò)渡區(qū)的溫度介于半固態(tài)溫度和熱塑性成形溫度之間呈梯度分布；
[0027]步驟四:將坯料在步驟三中的溫度下保溫3分鐘，使坯料上端的組織轉(zhuǎn)化為半固態(tài)組織；
[0028]步驟四:將預(yù)熱并保溫完成的坯料轉(zhuǎn)移至模具型腔，進(jìn)行擠壓成形，成形力為10kN,成形速度為15mm/s,保壓時(shí)間為30s。使半固態(tài)溫度區(qū)的還料成形下端尾翼形狀區(qū)域，使熱塑性成形溫度區(qū)的坯料成形上端簡(jiǎn)單形狀區(qū)域。
[0029]【具體實(shí)施方式】二
[0030]下面結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式包括以下步驟:
[0031]步驟一:將SiCp/2024Al復(fù)合材料棒料加工成尺寸為<pl5><h60的坯料；
[0032]步驟二:采用電磁感應(yīng)加熱裝置將坯料預(yù)熱，坯料下端的感應(yīng)線圈的功率為5kW，坯料上端的感應(yīng)線圈的功率為2kW ；
[0033]步驟三:采用紅外測(cè)/控溫設(shè)備控制坯料的加熱溫度，使坯料下端的溫度為600°C，上端的溫度為熱塑性成形溫度400°C，中間過(guò)渡區(qū)的溫度介于半固態(tài)溫度和熱塑性成形溫度之間呈梯度分布；
[0034]步驟四:將坯料在步驟三中的溫度下保溫4分鐘，使坯料上端的組織轉(zhuǎn)化為半固態(tài)組織；
[0035]步驟四:將預(yù)熱并保溫完成的坯料轉(zhuǎn)移至模具型腔，進(jìn)行擠壓成形，成形力為10kN,成形速度為15mm/s,保壓時(shí)間為30s,使半固態(tài)溫度區(qū)的還料成形下端尾翼形狀區(qū)域，使熱塑性成形溫度區(qū)的坯料成形上端簡(jiǎn)單形狀區(qū)域。
[0036]【具體實(shí)施方式】三
[0037]下面結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式包括以下步驟:
[0038]步驟一:將AZ31鎂合金棒料加工成尺寸為(pl5xh60的坯料；
[0039]步驟二:采用電磁感應(yīng)加熱裝置將坯料預(yù)熱，坯料下端的感應(yīng)線圈的功率為5kW，坯料上端的感應(yīng)線圈的功率為2kW ；
[0040]步驟三:采用紅外測(cè)/控溫設(shè)備控制坯料的加熱溫度，使坯料下端的溫度為590°C，上端的溫度為熱塑性成形溫度400°C，中間過(guò)渡區(qū)的溫度介于半固態(tài)溫度和熱塑性成形溫度之間呈梯度分布；
[0041]步驟四:將坯料在步驟三中的溫度下保溫4分鐘，使坯料上端的組織轉(zhuǎn)化為半固態(tài)組織；
[0042]步驟四:將預(yù)熱并保溫完成的坯料轉(zhuǎn)移至模具型腔，進(jìn)行擠壓成形，成形力為10kN,成形速度為15mm/s,保壓時(shí)間為30s,使半固態(tài)溫度區(qū)的還料成形下端尾翼形狀區(qū)域，使熱塑性成形溫度區(qū)的坯料成形上端簡(jiǎn)單形狀區(qū)域。
[0043]【具體實(shí)施方式】四
[0044]下面結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式包括以下步驟:
[0045]步驟一:將CNTs/2024Al復(fù)合材料棒料加工成尺寸為(pl5><h60的坯料；
[0046]步驟二:采用電磁感應(yīng)加熱裝置將坯料預(yù)熱，坯料下端的感應(yīng)線圈的功率為6kW，坯料上端的感應(yīng)線圈的功率為3kW ；
[0047]步驟三:采用紅外測(cè)/控溫設(shè)備控制坯料的加熱溫度，使坯料下端的溫度為610°C，上端的溫度為熱塑性成形溫度400°C，中間過(guò)渡區(qū)的溫度介于半固態(tài)溫度和熱塑性成形溫度之間呈梯度分布；
[0048]步驟四:將坯料在步驟三中的溫度下保溫4分鐘，使坯料上端的組織轉(zhuǎn)化為半固態(tài)組織；
[0049]步驟四:將預(yù)熱并保溫完成的坯料轉(zhuǎn)移至模具型腔，進(jìn)行擠壓成形，成形力為10kN,成形速度為15mm/s,保壓時(shí)間為30s,使半固態(tài)溫度區(qū)的還料成形下端尾翼形狀區(qū)域，使熱塑性成形溫度區(qū)的坯料成形上端簡(jiǎn)單形狀區(qū)域。
[0050]依據(jù)上述實(shí)施方式，本
【發(fā)明內(nèi)容】
所述范圍均能實(shí)施，制得性能良好的成形構(gòu)件，本發(fā)明不僅僅局限于上述實(shí)施方式。
[0051]本發(fā)明提供一種半固態(tài)觸變-塑變復(fù)合成形方法，采用該方法可以制得形狀復(fù)雜的高性能構(gòu)件，具有應(yīng)用材料范圍廣、生產(chǎn)效率高，成本低，組織和性能可控性好等優(yōu)點(diǎn)。
【權(quán)利要求】
1.半固態(tài)觸變-塑變復(fù)合成形方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一:根據(jù)所加工零件的形狀和尺寸要求，下料出尺寸和形狀一定的坯料； 步驟二:采用快速加熱裝置，將坯料預(yù)熱，并預(yù)熱成形模具至所需溫度； 步驟三:通過(guò)調(diào)整加熱工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)坯料的分區(qū)溫度控制，使坯料的不同區(qū)域具有不同的組織狀態(tài)分布，使對(duì)應(yīng)于成形復(fù)雜形狀區(qū)域的坯料加熱為半固態(tài)球晶組織，使對(duì)應(yīng)于成形相對(duì)簡(jiǎn)單形狀區(qū)域的坯料加熱至熱塑性加工溫度或溫塑性加工溫度； 步驟四:將加熱完成后具有不同溫度和組織狀態(tài)分布的坯料轉(zhuǎn)移到模具型腔，采用模鍛、擠壓等方式成形。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于坯料預(yù)熱所采用的快速加熱裝置包括電流自阻加熱裝置、電磁感應(yīng)加熱裝置、紅外加熱裝置等。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于調(diào)整電流自阻加熱裝置、電磁感應(yīng)加熱裝置、紅外加熱裝置等快速加熱裝置的工藝參數(shù)，從而使坯料的不同區(qū)域具有不同的預(yù)熱溫度及組織狀態(tài)分布，使對(duì)應(yīng)于成形復(fù)雜形狀區(qū)域的坯料加熱為半固態(tài)球晶組織，使對(duì)應(yīng)于成形相對(duì)簡(jiǎn)單形狀區(qū)域的坯料加熱至熱塑性加工溫度或溫塑性加工溫度。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于被加工材料是鋁合金、鎂合金、鋼、鈦合金、高溫合金及SiCp、CNTs等作為增強(qiáng)體的金屬基復(fù)合材料。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于半固態(tài)觸變-塑變復(fù)合成形系統(tǒng)包括電流自阻加熱裝置、電磁感應(yīng)加熱裝置、紅外加熱裝置等快速加熱裝置，區(qū)域溫度檢測(cè)及控制裝置，成形模具。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其應(yīng)用范圍為:具有局部復(fù)雜形狀的構(gòu)件，及具有梯度組織和性能要求的構(gòu)件。
【文檔編號(hào)】B21J1/06GK104162555SQ201410249314
【公開(kāi)日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)明者】陳剛, 張鵬, 韓飛, 魏斌 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）