CN100378244C - 大型喷射沉积方形坯件致密化加工的方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大型喷射沉积方形坯件致密化加工的方法，采用一小平面与一斜面光滑过渡组成或弧形组成的楔形压头，采用普通压机施以一定压力，对模具中欲致密化的大型喷射沉积方形坯件进行局部小变形，小平面部分为主变形区，斜面为预变形区，逐步向斜面方向推进，进行逐次压制，模具采用了组合模的方式，在压制的道次之间，逐步撤出楔压步进前端的模块，释放一部分空间，坯料在楔压压头斜面的横向分力的作用下向前推进，实现横向切变形，综合向下压制致密化和横向切变流动双重变形。本发明还公开了实现大型喷射沉积方形坯件致密化加工的方法的装置。实现该方法的装置结构简单、制造方便、性能可靠。

Description

大型喷射沉积方形坯件致密化加工的方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种横向变形致密化加工方法，特别是涉及一种对大型喷射沉积方形坯件进行致密化加工的方法，本发明还涉及一种实现该致密化加工方法的装置。
背景技术
航天航空、兵器、交通等领域都需要一些大型和特大型轻质化零部件，主要是铝合金、镁合金及其复合材料。如飞船前端框体，弹翼接头、运载火箭燃料储箱框架结构、汽车及轻轨车辆制动盘等。
在众多的金属材料制备技术中，湖南大学陈振华教授等人提出并发明的一项新型的坩埚移动式自动化控制喷射沉积技术及一系列装置是制备大型快速凝固高性能合金材料的理想技术。该技术克服了铸造成型大型零部件时，由于坯件的冷却速度很慢，锭坯内外的温差极大，容易产生很大的内应力，造成锭坯炸裂，以及在制备大型复合材料时，铸造成型由于存在增强相搅拌不均匀，产生不良的界面反应等问题遇到的难以逾越的障碍。同时，解决了传统喷射沉积技术难以高质量制备大型坯件的问题。目前采用该技术已制备重达1000kg的耐热铝合金大尺寸坯件，冷速达到104K/s以上；圆柱锭的最大直径已经达到750mm，冷速达到103～104K/s，环件的最大直径达到3500mm坯件。这些坯件的晶粒尺寸一般在5μm以下。
喷射沉积坯件均含有一定的孔隙度，属于非连续介质体系，必须经过后续塑性变形进一步致密化加工才能真正实现其高性能。而致密化过程中的坯件横向变形是使空隙完全封闭以及喷射颗粒的溅射界面在切变力下产生冶金结合的关键。
然而，采用通常的挤压、锻造、轧制等技术，却难以实现大型方形坯件的致密化加工。一方面，受到设备吨位的限制，大型坯件截面积较大，如面积大于500cm2的喷射沉积铝基复合材料坯件的致密化压制需要压机吨位在2万吨以上，国内目前还不具备此吨位的设备。另一方面，若采用挤压或模锻，则受到模具尺寸和性能的限制，同时采用普通的模锻工艺，横向变形往往有限，空隙不能完全闭合，难以真正实现坯件致密化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种采用普通压机能对大型喷射沉积方形坯件进行致密化加工、实现溅射颗粒边界冶金结合的致密化加工方法。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种实现该致密化加工方法的装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：采用一小平面与一斜面光滑过渡组成或斜面组成的楔形压头，采用普通压机施以一定压力，对模具中欲致密化的大型喷射沉积方形坯件进行局部小变形，小平面部分为主变形区，斜面为预变形区，逐步向斜面方向推进，进行逐次压制，模具采用了组合模的方式，在压制的道次之间，逐步撤出楔压步进前端的模块，释放一部分空间，坯料在楔形压头斜面的横向分力的作用下向前推进，实现横向切变形，综合向下压制致密化和横向切变流动双重变形，最后实现喷射沉积坯件的整体致密化和剪切作用下的冶金结合，实现大型喷射沉积坯件的高性能。
逐次压制过程的逐步推进，采用楔形压头移动或模具及喷射沉积坯件反向移动的方式，每次移动的距离小于楔形压头小平面宽度。
模具及坯件可采用模具加热装置进行预热，以实现对喷射沉积坯件的热致密化加工。
采用上述技术方案的大型喷射沉积方形坯件的横向切变压制成型装置，第1步：压制准备，将大型喷射沉积方形坯件放入方形组合模具中，若采用热压，则利用模具的电热加热装置将方形组合模具和大型喷射沉积坯件通过内置发热元件加热到预定温度；第2步：进行楔形压制，坯件从左到右逐步压下变形；单次压下量可由限位装置精确控制；根据喷射沉积原坯的密度，确定总压下量，逐道次累积实现坯件的预致密化；第3步：抬起楔形压头，撤出方形组合模具中的活动组合模块之一，使方形组合模具内释放一部分空间；第4步：重复第2步，楔形压头斜面对向模具内的空间方向，逐步压制，坯件在压头斜面产生的横向分力的作用下最小阻力原理作用下发生横向切变，直至充满撤出活动组合模块所留有的空间；第5步：重复第3和第4步，直至坯件产生足够的横向变形。
在压制过程中，楔形压头单次压下量很小，并采取步进式方式，从一段开始压制，每次向前移动一个跨距，大型喷射沉积方形坯件逐次横向变形，累积产生整体横向切变，直至压完全程，通过逐道次累计，使多孔体大型喷射沉积坯件空隙完全封闭、致密成形。
为了实现该致密化加工方法，本发明提供的装置是：包括压机及压机工作台，在压机工作台上安装有方形组合模具，方形组合模具内设有活动组合模块，在压机压头顶部上设有步进式推进装置，在步进式推进装置上设有滑板，在滑板上设有楔形压头，在压机工作台上设有与压机压头对应的限位装置。
所述的楔形压头端面为弧形或端面一小部分为平面其余部分为斜面，平面部分与斜面采用小角度过渡，角度值为3～7度。
作为本发明的一种改进，在所述的方形组合模具上设有模具电热加热装置。
根据上述压制过程可见，横向变形楔形压制为局部横向变形，逐步推进使喷射沉积大型方形坯件整体实现单道次小变形，经多道次累计实现整体切变，直至完全致密化的过程。通过组合模逐次释放模具内空间，采用楔形压头移动的方式，通过楔形压头的斜面或弧面的横向分力以及压制的最小阻力原理使坯件产生横向流动。每次横向切变量可通过模具内活块尺寸控制。局部小变形时，所需压力较小，可根据使用的压机吨位和坯件特点设计小变形区的面积，小平面部分与斜面部分采用光滑过渡。其特点是模具结构简单，操作简便，压制坯件密度分布均匀。可以完全消除产品的组织缺陷，使得产品组织、性能均匀。同时，工艺可重复性高，产品尺寸精确，生产成本降低，可以进行大规模连续生产。本发明“横向变形楔形压制”工艺与移动坩埚采用自动控制的喷射沉积装置和技术相结合，可以制备出高新技术领域急需的大型复合材料。
综上所述，本发明的方法能实现对大型喷射沉积坯件进行横向切变的致密化加工，实现该方法的装置结构简单、制造方便、性能可靠。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图；
图2是本发明的一种楔形压头结构示意图；
图3是本发明的另一种楔形压头结构示意图；
图4是本发明的工作原理图。
具体实施方式
参见图1和图2，在压机工作台14上安装有方形组合模具1，方形组合模具1内设有活动组合模块6，在压机压头13顶部上设有步进式推进装置9，在步进式推进装置9上设有滑板8，在滑板8上设有楔形压头3，楔形压头3端面一小部分为平面12其余部分为斜面10，平面12与斜面10采用小角度过渡，角度值为3～7度，最好为5度，为了确定单次压下量和横向切变值，在压机工作台14上设有与压机压头13对应的限位装置7。
参见图1和图3，楔形压头3端面也可以设计为弧形11。
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
采用7075/SiCp大型喷射沉积方形坯件为例进行了横向变形楔形压制，参见图1、图2和图4，第1步：压制准备，将大型喷射沉积方形坯件5放入方形组合模具1中，采用热压，利用方形组合模具1的电热加热装置2将方形组合模具1和大型喷射沉积方形坯件5通过电热加热装置2加热到预定温度；第2步：进行楔形压制，步进式推进装置9驱动滑板8及楔形压头3在喷射沉积大型方形坯件5上从左到右逐步压下变形；单次压下量可由限位装置7精确控制；根据大型喷射沉积方形坯件5原坯的密度，确定总压下量，逐道次累积实现坯件的预致密化；第3步：压机压头13抬起楔形压头3，撤出方形组合模具1中的活动组合模块6之一，使方形组合模具1内释放一部分空间；第4步：重复第2步，楔形压头3斜面对向方形组合模具1内的空间方向4，逐步压制，坯件在楔形压头3斜面产生的横向分力的作用下最小阻力原理作用下发生横向切变，直至充满撤出活动组合模块6所留有的空间；第5步：重复第3和第4步，直至坯件产生足够的横向变形，达到所需的要求。
随横向变形率的增加，材料的强度和延伸率明显提高，当累积横向变形达到20％时，材料的强度已基本达到喷射沉积方形坯件的挤压材性能，说明横向变形楔形压制可以是喷射沉积坯件的完全致密化，实现喷射沉积材料的高性能。其性能见下表：
横向变形率/％ 抗拉强度/MPa   屈服强度/MPa     延伸率/％
0101520 130.5343.3530.5651.13   80.3240.9419.6550.8     0.150.681.02.88

Claims (7)

1.一种大型喷射沉积方形坯件致密化加工的方法，其特征是：采用一小平面与一斜面光滑过渡组成或弧形组成的楔形压头，采用普通压机施以一定压力，对模具中欲致密化的大型喷射沉积方形坯件进行局部小变形，小平面部分为主变形区，斜面为预变形区，逐步向斜面方向推进，进行逐次压制，模具采用了组合模的方式，在压制的道次之间，逐步撤出楔压步进前端的模块，释放一部分空间，坯料在楔压压头斜面的横向分力的作用下向前推进，实现横向切变形，综合向下压制致密化和横向切变流动双重变形，最后实现喷射沉积坯件的整体致密化和剪切作用下的冶金结合，实现大型喷射沉积坯件的高性能。
2.根据权利要求1所述的一种大型喷射沉积方形坯件致密化加工的方法，其特征是：模具及大型喷射沉积方形坯件可采用模具加热装置进行预热，以实现对沉积坯件的热致密化加工。
3.根据权利要求1或2所述的一种大型喷射沉积方形坯件致密化加工的方法，其特征是：第1步：压制准备，将大型喷射沉积方形坯件放入方形组合模具中，若采用热压，则利用模具的电热加热装置将模具和大型喷射沉积方形坯件通过内置发热元件加热到预定温度；第2步：进行楔形压制，楔形压头对大型喷射沉积方形坯件从左到右逐步压下变形；单次压下量可由限位装置精确控制；根据喷射沉积原坯的密度，确定总压下量，逐道次累积实现坯件的预致密化；第3步：抬起楔形压头，撤出方形组合模具中的活动组合模块之一，使万形组合模具内释放一部分空间；第4步：重复第2步，楔形压头斜面对向模具内的空间方向，逐步压制，坯件在压头斜面产生的横向分力的作用下最小阻力原理作用下发生横向切变，直至充满撤出活动组合模块所留有的空间；第5步：重复第3和第4步，直至坯件产生足够的横向变形，达到所需的要求。
4.实现权利要求1所述的大型喷射沉积方形坯件致密化加工的方法的装置，包括压机压头(13)及压机工作台(14)，其特征是：在压机工作台(14)上安装有方形组合模具(1)，方形组合模具(1)内设有活动组合模块(6)，在压机压头(13）顶部上设有步进式推进装置(9)，在步进式推进装置(9)上设有滑板(8)，在滑板(8)上设有楔形压头(3)，在压机工作台(14)上设有与压机压头(13)对应的限位装置(7)。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征是：所述的楔形压头(3)端面一小部分为平面(12)其余部分为斜面(10)，平面(12)部分与斜面(10)采用小角度过渡，角度值为3～7度。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征是：所述的楔形压头(3)端面为弧形(11)。
7.根据权利要求4、5或6所述的装置，其特征是：在所述的方形组合模具(1)上设有电热加热装置(2)。
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