本發(fā)明涉及一種金屬間化合物曲面板材構(gòu)件合成制備與成形一體化方法，具體涉及一種nial合金曲面板材構(gòu)件的合成制備與成形一體化方法，屬于金屬間化合物曲面板材構(gòu)件的制備與成形技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
nial合金具有熔點高、低密度、高硬度、抗氧化性優(yōu)良、高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等優(yōu)點，在航空航天領(lǐng)域可作先進航空發(fā)動機渦輪導(dǎo)向葉片、渦輪葉片和火焰筒骨架等重要部件，有望成為替代鎳基高溫合金的新型高溫結(jié)構(gòu)材料。nial合金還廣泛用作高溫合金的抗氧化、抗腐蝕涂層。另外，在制作半導(dǎo)體元件連接薄膜、電接觸材料、表面催化、高溫形狀記憶合金和核工業(yè)領(lǐng)域，nial合金具有廣闊的應(yīng)用前景。
nial合金常見的制備方法包括粉末冶金法、燃燒合成法、機械合金化法等。最新發(fā)展起來的箔材疊軋退火法制備nial合金，以其先進的合成制備工藝受到了廣泛關(guān)注。該制備方法是以ni箔和al箔為原料，通過軋后退火及熱處理工藝使ni與al發(fā)生原位反應(yīng)，進而形成ni-al金屬間化合物。公開號cn103057203a的發(fā)明申請?zhí)岢隽艘环N層狀nial材料及其制備方法，該方法是對ni箔與al箔的交替疊層進行兩次熱壓復(fù)合，最終得到層狀nial合金板材。公開號cn1667144a的發(fā)明申請?zhí)岢隽死滠埑’B層合金化制備nial形狀記憶合金薄膜，該方法是對ni箔與al箔的交替疊層進行反復(fù)冷軋，通過熱處理工藝獲得成分均勻的合金薄膜。公開號cn105414219a發(fā)明申請?zhí)岢隽艘环N金屬/金屬間化合物層狀復(fù)合材料的制備方法，該方法是對ni箔與al箔的交替疊層進行包套冷軋，之后通過熱處理工藝獲得ni/nial3金屬間化合物。但是，nial合金曲面板材構(gòu)件的生產(chǎn)方式并沒有發(fā)生改變，都是先制備nial合金板坯，再二次成形曲面板構(gòu)件，采用方法通常是在1000℃以上進行超塑性成形。nial合金板坯制備和成形分開進行存在的問題有：一方面，nial合金由于塑性差，軋制條件苛刻，涉及包套的設(shè)計(包括包套材料、厚度及幾何形狀等)及軋制工藝參數(shù)的選擇(包括軋制溫度、軋輥速度等)，使其板坯制備比較困難；另一方面，超塑性成形工藝對成形裝備和材料組織要求較高，成形速率較低，成形缺陷較多；此外，板坯制備與成形分開進行，生產(chǎn)工序較多，生產(chǎn)效率較低，能源浪費嚴重。因此，對nial合金板的合成制備與二次成形進行有機結(jié)合，實現(xiàn)一體化，以滿足實際科研與生產(chǎn)的需要，是當今nial合金曲面板材構(gòu)件熱成形研究亟待解決的問題。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有nial合金板坯由于塑性差而難以熱成形曲面板材構(gòu)件的問題，進而提供一種nial合金曲面板材構(gòu)件合成制備與成形一體化方法。
本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是：
一種nial合金曲面板材構(gòu)件合成制備與成形一體化方法包括以下步驟：
步驟一、原材料厚度比設(shè)計：根據(jù)nial合金中ni原子和al原子的原子個數(shù)比，計算ni箔和al箔的厚度比；
步驟二、表面預(yù)處理：將ni箔和al箔進行表面清潔處理；
步驟三、熱壓：將經(jīng)步驟二處理的若干個ni箔和若干個al箔交替疊放置于熱壓模具的下模上，施加3-5mpa預(yù)壓力作用于疊放的箔層上，待熱壓模具升溫至500℃-600℃，作用箔層上的壓力升壓至5-20mpa，保溫0.5-2h，熱壓結(jié)束后卸除壓力，隨爐冷卻至室溫后取出ni和al形成的層壓復(fù)合板；
步驟四、氣脹成形及反應(yīng)合成：將經(jīng)步驟三熱壓制備的層壓復(fù)合板置于熱氣脹成形模具中，加熱至550-600℃進行氣脹成形，氣脹成形所需壓力根據(jù)成形條件進行實際調(diào)控，待層壓復(fù)合板充分貼模后，將熱氣脹成形模具升溫至610-650℃，氣體壓力升至10-20mpa，保溫保壓2-5h，隨后，再將熱氣脹成形模具升溫至800-950℃，氣體壓力仍為10-20mpa，保溫保壓2-5h，隨后卸除壓力，隨爐冷卻至室溫后取出成形制件；
步驟五、均勻化熱處理：將經(jīng)步驟四處理后的成形制件置于真空熱處理爐中，在1100-1200℃下熱處理1-2h后，隨爐冷卻至室溫取出制件；
步驟六、致密化處理：將經(jīng)步驟五熱處理后的制件重新置于熱氣脹成形模具中，在900-960℃，20-40mpa氣體壓力下，保溫保壓2-4h后取出，最終獲得nial合金曲面板材構(gòu)件，完成nial合金曲面板材構(gòu)件的合成制備與成形一體化。
本發(fā)明的有益效果是：
一、本發(fā)明以ni箔和al箔為原材料，材料獲取方便，成本低廉；
二、利用熱壓工藝使原本處于層疊狀態(tài)的ni箔與al箔擴散連接成為一個整體，能夠有效的控制ni和al界面間擴散層脆性相的生成，避免擴散層不均勻性的產(chǎn)生。
三、熱壓后直接進行熱氣脹成形，能夠最好的發(fā)揮ni和al疊層復(fù)合板本身的塑性成形能力，易于制備出形狀復(fù)雜、尺寸精度高的零件。同時，能夠明顯降低模具鋼的使用要求。
四、nial合金曲面板材構(gòu)件合成制備與成形一體化方法能實現(xiàn)精簡加工工序、提高生產(chǎn)力、降低能耗的作用。另外，該技術(shù)突破了當前nial合金板材構(gòu)件需先制板坯后成形構(gòu)件的壁壘，克服了二次變形的弊端；本發(fā)明適用在具有復(fù)雜外形金屬間化合物板材構(gòu)件的成形中。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的一種nial合金曲面板材構(gòu)件合成制備與成形一體化方法示意圖(圖中標記31為曲面板材構(gòu)件)。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖并通過具體實施方式來進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
具體實施方式一：結(jié)合圖1說明，本實施方式的一種nial合金曲面板材構(gòu)件合成制備與成形一體化方法包括以下步驟：
步驟一、原材料厚度比設(shè)計：根據(jù)nial合金中ni原子和al原子的原子個數(shù)比，計算ni箔和al箔的厚度比；
步驟二、表面預(yù)處理：將ni箔和al箔進行表面清潔處理；
步驟三、熱壓：將經(jīng)步驟二處理的若干個ni箔和若干個al箔交替疊放置于熱壓模具a的下模13上，施加3-5mpa預(yù)壓力作用于疊放的箔層上，待熱壓模具a升溫至500℃-600℃，作用箔層上的壓力升壓至5-20mpa，保溫0.5-2h，熱壓結(jié)束后卸除壓力，隨爐冷卻至室溫后取出ni和al形成的層壓復(fù)合板；
步驟四、氣脹成形及反應(yīng)合成：將經(jīng)步驟三熱壓制備的層壓復(fù)合板置于熱氣脹成形模具b中，加熱至550-600℃進行氣脹成形，待層壓復(fù)合板充分貼模后，將熱氣脹成形模具b升溫至610-650℃，氣體壓力升至10-20mpa，保溫保壓2-5h，隨后，再將熱氣脹成形模具升溫至800-950℃，氣體壓力仍為10-20mpa，保溫保壓2-5h，隨后卸除壓力，隨爐冷卻至室溫后取出成形制件；
步驟五、均勻化熱處理：將經(jīng)步驟四處理后的成形制件置于真空熱處理爐c中，在1100-1200℃下熱處理1-2h后，隨爐冷卻至室溫取出制件；
步驟六、致密化處理：將經(jīng)步驟五熱處理后的制件重新置于熱氣脹成形模具b中，于900-960℃，20-40mpa氣體壓力下，保溫保壓2-4h后取出，最終獲得nial合金曲面板材構(gòu)件，完成nial合金曲面板材構(gòu)件的合成制備與成形一體化。
本實施方式步驟二中表面清潔處理包括去除表面油污及氧化皮。本實施方式的步驟三中的熱壓模具a包括下底板11、上底板12、下模13、上模14、上隔熱板15、下隔熱板16、上水冷板17、下水冷板18和壓力機19；下底板11和上底板12之間布置有下水冷板18和上水冷板17，上底板12與上水冷板17連接，下底板11與下水冷板18連接，上水冷板17和下水冷板18之間布置有上隔熱板15和下隔熱板16，上水冷板17與上隔熱板15連接，下水冷板18與下隔熱板16連接，上隔熱板15和下隔熱板16之間布置有上模14和下模13，上隔熱板15與上模14連接，下隔熱板16與下模13連接，壓力機19布置在上底板12的上部；熱壓過程中，交替疊放的若干個ni箔和若干個al箔逐漸合成為一體。
本實施方式步驟四中熱氣脹成形模具b包括脹形下底板21、脹形上底板22、脹形下模23、脹形上模24、脹形上隔熱板25、脹形下隔熱板26、脹形上水冷板27、脹形下水冷板28、脹形壓力機29和加壓控制系統(tǒng)30，脹形下底板21和脹形上底板22之間布置有脹形下水冷板28和脹形上水冷板27，脹形上底板22與脹形上水冷板27連接，脹形下底板21與脹形下水冷板28連接，脹形上水冷板27和脹形下水冷板28之間布置有脹形上隔熱板25和脹形下隔熱板26，脹形上水冷板27與脹形上隔熱板25連接，脹形下水冷板28與脹形下隔熱板26連接，脹形上隔熱板25和脹形下隔熱板26之間布置有脹形上模24和脹形下模23，脹形上隔熱板25與脹形上模24連接，脹形下隔熱板26與脹形下模23連接，脹形壓力機29布置在脹形上底板22的上部。脹形下隔熱板26上加工有水平通道，脹形下模23上加工豎向通道，水平通道和豎向通道貫通，水平通道與加壓控制系統(tǒng)30的高壓氣源貫通，加壓控制系統(tǒng)30用于控制氣體脹形壓力。
ni和al形成的層壓復(fù)合板置于熱氣脹成形模具b的脹形下模23上，脹形過程中層壓復(fù)合板逐漸向上模的模腔貼合，在高溫高壓下充分貼模。
本實施方式的真空熱處理爐c、真空熱壓爐、普通熱壓爐和熱等靜壓設(shè)備均為現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備，可外購取得。本實施方式的若干個ni箔和若干個al箔交替疊放，可以是最下層為ni箔，最上層為al箔，也可以是最上層為ni箔，最下層為al箔。氣脹成形所需壓力根據(jù)成形條件進行實際調(diào)控。
ni箔和al箔厚度比設(shè)計計算
n＝n·na(1)
其中：n表示原子個數(shù)，n表示物質(zhì)的量，na表示阿伏伽德羅常數(shù)
m＝n·m(2)
其中：m表示質(zhì)量，n表示物質(zhì)的量，m表示物質(zhì)的摩爾質(zhì)量
其中：h表示高度，m表示質(zhì)量，ρ表示密度，s表示截面積；
又已知：ρni＝8.902g/cm3；mni＝58.69g/mol
ρal＝2.70g/cm3；mal＝26.98g/mol
由nni：nal＝1:1
根據(jù)式(1)(2)(3)可得：hni：hal≈1:1.5
具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一的不同點是：步驟二中ni箔和al箔用細砂紙打磨光亮，之后將其放入丙酮溶液中進行超聲波清洗，隨后置于蒸餾水中浸泡1min，取出并冷風吹干。如此設(shè)置，保證了ni箔和al箔表面處理干凈。其它與具體實施方式一相同。
具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二的不同點是：步驟二中ni箔和al箔用細砂紙打磨光亮后，將ni箔用體積百分比為5％～15％的naoh溶液清洗后在丙酮溶液中進行超聲波清洗，之后置于蒸餾水中浸泡1min，取出并冷風吹干；al箔用體積百分比為5％～15％hf溶液清洗后在丙酮溶液中進行超聲波清洗，之后置于蒸餾水中浸泡1min，取出并冷風吹干。如此設(shè)置，保證了ni箔和al箔表面處理干凈。其它與具體實施方式一或二相同。
具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一的不同點是：步驟二中ni箔和al箔進行表面噴丸處理。如此設(shè)置，以去除ni箔和al箔表面油污及氧化皮。其它與具體實施方式一至三之一相同。
具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一至四之一的不同點是：步驟三中將表面處理后的ni箔和al箔交替疊放后，用鉚接機對疊層邊緣位置進行鉚接。如此設(shè)置，保證了ni箔和al箔能牢靠穩(wěn)定的疊放在一起。其它與具體實施方式一至四之一相同。
具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式一至五之一的不同點是：步驟三中熱壓模具a置于真空熱壓爐或普通熱壓爐中。如此設(shè)置，保證了熱壓過程溫度的需要。其它與具體實施方式一至五之一相同。
具體實施方式七：本實施方式與具體實施方式一至六之一的不同點是：步驟三中熱壓模具工作表面均勻涂敷氮化硼阻焊劑。如此設(shè)置，是用來防止熱壓時材料與模具發(fā)生結(jié)合。其它與具體實施方式一至六之一相同。
具體實施方式八：參見圖1說明，本實施方式與具體實施方式一至七之一的不同點是：步驟四中加熱至600℃進行氣脹成形，待疊層復(fù)合板充分貼模后，將熱氣脹成形模具b升溫至640℃，氣壓升至15mpa，保溫5h，隨后熱氣脹成形模具b升溫至950℃，氣壓仍為15mpa，保溫3h。如此設(shè)置，滿足材料設(shè)計的要求和實際反應(yīng)合成的需要。其它與具體實施方式一至七之一相同。
具體實施方式九：本實施方式與具體實施方式一至八之一的不同點是：步驟五中將經(jīng)步驟四處理后的熱成形制件置于真空熱處理爐c中，在1100-1200℃熱處理1h后，隨爐冷卻至室溫取出制件。如此設(shè)置，發(fā)揮ni箔和al箔形成的層壓復(fù)合板本身的塑性成形能力，易于制備出形狀復(fù)雜精度較高的曲面板構(gòu)件。其它與具體實施方式一至八之一相同。
具體實施方式十：本實施方式與具體實施方式一至九之一的不同點是：步驟五和步驟六合并由以下步驟代替：熱等靜壓處理步驟，其處理條件為惰性氣體保護下加熱溫度為1100-1200℃，壓力50-100mpa，保溫2-5h。如此設(shè)置，加工的產(chǎn)品的致密度高，均勻性好，性能優(yōu)異，同時具有生產(chǎn)周期短，工序少，能耗低，材料損耗小。其它與具體實施方式一至九之一相同。
具體實施方式十一：結(jié)合圖1說明，一種nial合金曲面板材構(gòu)件合成制備與成形一體化方法包括以下步驟：
步驟一、原材料厚度比設(shè)計：根據(jù)nial合金中ni原子和al原子的原子個數(shù)比，計算ni箔和al箔的厚度比；
步驟二、表面預(yù)處理：ni箔和al箔用細砂紙打磨光亮后，將ni箔用10％vol.％naoh溶液清洗后在丙酮溶液中進行超聲波清洗，之后置于蒸餾水中浸泡1min，取出并冷風吹干；al箔用10％vol.％hf溶液清洗后在丙酮溶液中進行超聲波清洗，之后置于蒸餾水中浸泡1min，取出并冷風吹干；
步驟三、熱壓：將經(jīng)步驟二處理的若干個ni箔和若干個al箔交替疊放置于熱壓模具a的下模13上，最外層由ni箔包裹，施加3mpa預(yù)壓力作用于疊放的箔層上，待熱壓模具升溫至550℃，作用箔層上的壓力升壓至8mpa，保溫2h，熱壓結(jié)束后卸除壓力，隨爐冷卻至室溫后取出ni和al形成的層壓復(fù)合板；
步驟四、氣脹成形及反應(yīng)合成：將經(jīng)步驟三熱壓制備的層壓復(fù)合板置于熱氣脹成形模具b中，加熱至600℃進行氣脹成形，待層壓復(fù)合板充分貼模后，將熱氣脹成形模具b升溫至650℃，氣體壓力升至10mpa，保溫保壓2h，隨后，再將熱氣脹成形模具b升溫至900℃，氣體壓力仍為10mpa，保溫保壓2h，隨后卸除壓力，隨爐冷卻至室溫后取出成形制件；
步驟五、均勻化熱處理：將經(jīng)步驟四處理后的成形制件置于真空熱處理爐c中，在1100℃下熱處理1h后，隨爐冷卻至室溫取出制件；
步驟六、致密化處理：將經(jīng)步驟五熱處理后的制件重新置于熱氣脹成形模具b中，在950℃，40mpa氣體壓力下，保溫保壓4h后取出，最終獲得nial合金曲面板材構(gòu)件，完成nial合金曲面板材構(gòu)件的合成制備與成形一體化。
步驟四中，氣脹成形所需壓力根據(jù)成形條件進行實際調(diào)控。
具體實施方式十二：結(jié)合圖1說明，一種nial合金曲面板材構(gòu)件合成制備與成形一體化方法包括以下步驟：
步驟一、原材料厚度比設(shè)計：根據(jù)nial合金中ni原子和al原子的原子個數(shù)比，計算ni箔和al箔的厚度比；
步驟二、表面預(yù)處理：將ni箔和al箔用細砂紙打磨光亮，之后將其放入丙酮溶液中進行超聲波清洗，隨后置于蒸餾水中浸泡1min，取出并冷風吹干；
步驟三、熱壓：將經(jīng)步驟二處理的若干個ni箔和若干個al箔交替疊放置于熱壓模具a的下模13上，最外層由al箔包裹，施加5mpa預(yù)壓力作用于疊放的箔層上，待熱壓模具升溫至550℃，作用箔層上的壓力升壓至15mpa，保溫1h，熱壓結(jié)束后卸除壓力，隨爐冷卻至室溫后取出ni和al形成的層壓復(fù)合板；
步驟四、氣脹成形及反應(yīng)合成：將經(jīng)步驟三熱壓制備的層壓復(fù)合板置于熱氣脹成形模具b中，加熱至600℃進行氣脹成形，待層壓復(fù)合板充分貼模后，將熱氣脹成形模具b升溫至650℃，氣體壓力升至16mpa，保溫保壓4.5h，隨后，再將熱氣脹成形模具b升溫至900℃，氣體壓力仍為16mpa，保溫保壓4h，隨后卸除壓力，隨爐冷卻至室溫后取出成形制件；
步驟五、均勻化熱處理：將經(jīng)步驟四處理后的成形制件置于真空熱處理爐c中，在1115℃下熱處理1h后，隨爐冷卻至室溫取出制件；
步驟六、致密化處理：將經(jīng)步驟五熱處理后的制件重新置于熱氣脹成形模具b中，在950℃，30mpa氣體壓力下，保溫保壓2-4h后取出，最終獲得nial合金曲面板材構(gòu)件，完成nial合金曲面板材構(gòu)件的合成制備與成形一體化。
步驟四中，氣脹成形所需壓力根據(jù)成形條件進行實際調(diào)控。
本發(fā)明已以較佳實施案例揭示如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當可以利用上述揭示的結(jié)構(gòu)及技術(shù)內(nèi)容做出些許的更動或修飾為等同變化的等效實施案例，但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施案例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬本發(fā)明技術(shù)方案范圍。