CN103736956B - 一种镁合金半固态堆积成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及镁合金，特指一种镁合金半固态堆积成型方法。其特征在于：将镁合金加入到螺旋流变挤压装置，形成镁合金半固态浆料，再通过挤出模具将半固态浆料铺展到基底材料上，边加热边压合连接，完成一个压接点后采用同样方法继续实施下一个压接点，完成一排后接着进行下一排，点与点之间、排与排之间紧密结合，整个面堆积完成后在其上重复上述步骤进行下一层的堆积成型，直到达到需要的厚度。本发明提出的方法，能有效避免镁的氧化和挥发，同时可减少零部件制造过程中的体积收缩。
Description
技术领域
本发明涉及镁合金，特指一种镁合金半固态堆积成型方法。
背景技术
3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术；3D打印可以实现低成本快速制造、非平衡高性能材料制造、难熔难加工产品制造以及多材料复合等，在缩短新产品开发周期、降低大型复杂零部件制造成本、提高产品性能和设计灵活性等方面具有突出的优势，适用于单件或定制产品以及贵而难加工、大而复杂、性能要求高的零件。
结构材料的轻量化对于提高能源的利用率、改善装备的机动性乃至减少环境污染均具有十分重要的意义，因此采用轻量化材料进行3D打印具有特别重要的应用价值。在金属材料中，镁合金具有密度低、比强度及比刚度高、电磁屏蔽性能好、易于回收利用等一系列优点，被誉为二十一世纪的绿色材料；然而，由于镁的化学活性高，在高温下非常容易氧化，同时由于镁的沸点和蒸气压低，在高温下镁还容易挥发，因此采用常规的3D打印技术，如激光选区沉积方法，非常容易引起镁的挥发，不仅不能保证镁合金的化学成分，而且也会使零件难以顺利成型；另外，从高温液体到固体的成型过程还很容易引起较大的体积收缩，导致零部件变形；因此，要成功实现镁合金的3D打印，防止因高温导致镁的挥发，并有效降低成型过程中的体积收缩和变形，就需要提出有效的技术方法。但是，到目前为止，尚未有类似技术方法的文献报道。
本发明的目的是，在比较低的温度下实现镁合金的堆积成型，从而有效避免氧化和挥发，同时减少零部件的体积收缩。
发明内容
本发明提出一种镁合金半固态堆积成型方法，其原理是：利用半固态技术成型温度低、半固态材料在压力作用下容易相互连接的特点，通过螺旋流变挤压方法形成镁合金半固态浆料，并在块体材料上边加热铺展边压合连接，同时采用模具限制压下时镁合金材料的位移，避免镁合金出现开裂，从而实现镁合金的堆积成型。
本发明提出一种镁合金半固态成型方法，其特征在于：将镁合金加入到螺旋流变挤压装置，形成镁合金半固态浆料，再通过挤出模具将半固态浆料铺展到基底材料上，边加热边压合连接，完成一个压接点后采用同样方法继续实施下一个压接点，完成一排后接着进行下一排，点与点之间、排与排之间紧密结合，整个面堆积完成后在其上重复上述步骤进行下一层的堆积成型，直到达到需要的厚度。
所述的镁合金，是指直径为1.0~3.0mm的粒状或者丝状常用镁合金，如AZ91D、AZ61、AS31等。
所述的螺旋流变挤压装置，是指由模具钢制作采用双螺旋形式的半固态浆料制作装置，螺旋节距2~5mm，内腔直径20~40mm，使用过程中该装置内腔的温度控制在镁合金液相线温度与固相线温度的平均值上下10℃范围内，螺旋旋转速度为100~300r/min。
所述的镁合金半固态浆料，是指温度控制在镁合金液相线温度与固相线温度的平均值上下10℃范围内，液、固两相均匀混合的镁合金物料。
所述的挤出模具，是指热作模具钢制作的出口截面为0.5~1.0mm×0.2~0.5mm的模具，其温度与镁合金半固态浆料保持一致。
所述的将半固态浆料铺展，是指挤出模具出口紧贴在基底材料上，镁合金半固态浆料由的挤出模具出口水平挤出并铺展在基底材料上。
所述的基底材料，是指与镁合金成分相同的已经加热到与半固态浆料相同温度的块体材料，其表面平整，厚度为10~15mm，截面尺寸根据所要制作的最终材料的尺寸确定。
所述的边加热边压合连接，是指一边通过挤出模具对基底材料或者已压合出的镁合金进行加热，一边采用压合模具和压合冲头对镁合金半固态浆料进行压合，挤出模具、压合模具和压合冲头一起以同样的速度水平移动，每分钟移动30~90次。
所述的压合模具是指，内孔尺寸截面为0.5~1.0mm×0.5~1.0mm，高度为2.0~3.0mm由模具钢制作的模具。
所述的压合冲头是指，端面尺寸为0.5~1.0mm×0.5~1.0mm，高度为3.0~5.0mm的模具钢冲头，在压合模具中上下垂直运动，其作用在镁合金半固态浆料上的压合应力为40~60MPa。
所述的点与点之间、排与排之间紧密结合，是指后一个压接点的位置紧贴前一个压接点，后一排压接点紧贴前一排压接点，重叠率为压接点在水平移动方向上线尺寸的3~5%。
本发明提出的方法，由于成型温度低，能有效避免镁的氧化和挥发，同时可减少零部件成型过程中的体积收缩；该方法实用性强，还可以应用于铝合金以及镁基、铝基复合材料的堆积成型。
附图说明
图1半固态堆积成型镁合金的显微组织。
具体实施方式
本发明可以根据以下实例实施，但不限于以下实例；在本发明中所使用的术语，除非有另外的说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义；应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围；在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。
实施例1
本实施例具体实施一种镁合金半固态成型方法，其具体过程是：将直径为1.0mm的粒状AZ91D镁合金加入到螺旋流变挤压装置，形成温度为600℃，液、固两相均匀混合的镁合金半固态浆料；螺旋流变挤压装置是由模具钢制作采用双螺旋形式的半固态浆料制作装置，螺旋节距2mm、内腔直径20mm，使用过程中该装置内腔的温度控制为600℃，螺旋旋转速度为100r/min；然后通过热作模具钢制作的出口截面为0.5mm×0.2mm的挤出模具挤出半固态浆料，采用压合模具和压合冲头在基底材料上对镁合金半固态浆料进行压合，挤出模具、压合模具和压合冲头一起以同样的速度水平移动，每分钟移动30次；压合模具由模具钢制作，内孔截面尺寸为0.5mm×0.5mm，高度为2.0mm；压合冲头采用模具钢制作，端面尺寸为0.5mm×0.5mm，高度为3.0mm，在压合模具中上下垂直运动，其作用在镁合金半固态浆料上的压合应力为60MPa；基底材料是已经加热到600℃的AZ91D镁合金块体材料，其表面平整，厚度为10mm，截面尺寸为50mm×50mm；完成一个压接点后采用同样方法继续实施下一个压接点，完成一排后接着进行下一排，后一个压接点的位置紧贴前一个压接点，后一排压接点紧贴前一排压接点，点与点之间、排与排之间保持0.025mm的重叠，使点与点之间、排与排之间紧密结合，整个面堆积完成后在其上重复上述步骤进行下一层的堆积成型，直到半固态堆积的AZ91D镁合金厚度达到40mm。
图1为半固态堆积成型AZ91D镁合金的显微组织；从图中可以看出，所获得的合金材料组织均匀、细小。
实施例2
本实施例具体实施一种镁合金半固态成型方法，其具体过程是：将直径为3.0mm的丝状AZ61镁合金加入到螺旋流变挤压装置，形成温度为605℃，液、固两相均匀混合的镁合金半固态浆料；螺旋流变挤压装置是由热作模具钢制作采用双螺旋形式的半固态浆料制作装置，螺旋节距5mm，内腔直径40mm，使用过程中该装置内腔的温度控制为605℃，螺旋旋转速度为300r/min；然后通过模具钢制作的出口截面为1.0mm×0.5mm的挤出模具挤出半固态浆料，采用压合模具和压合冲头在基底材料上对镁合金半固态浆料进行压合，挤出模具、压合模具和压合冲头一起以同样的速度水平移动，每分钟移动90次；压合模具由模具钢制作，内孔截面尺寸为1.0mm×1.0mm，高度为3.0mm；压合冲头采用模具钢制作，端面尺寸为1.0mm×1.0mm，高度为5.0mm，在压合模具中上下垂直运动，其作用在镁合金半固态浆料上的压合应力为40MPa；基底材料是已经加热到605℃的AZ61镁合金块体材料，其表面平整，厚度为15mm，截面尺寸为100mm×80mm；完成一个压接点后采用同样方法继续实施下一个压接点，完成一排后接着进行下一排，后一个压接点的位置紧贴前一个压接点，后一排压接点紧贴前一排压接点，点与点之间、排与排之间保持0.03mm的重叠，使点与点之间、排与排之间紧密结合，整个面堆积完成后在其上重复上述步骤进行下一层的堆积成型，直到半固态堆积的AZ61镁合金厚度达到60mm。半固态堆积成型的AZ61镁合金显微组织与图1类似。
实施例3
本实施例具体实施一种镁合金半固态成型方法，其具体过程是：将直径为2.0mm的粒状AZ91D镁合金加入到螺旋流变挤压装置，形成温度为610℃，液、固两相均匀混合的镁合金半固态浆料；螺旋流变挤压装置是由热作模具钢制作采用双螺旋形式的半固态浆料制作装置，螺旋节距3mm，内腔直径30mm，使用过程中该装置内腔的温度控制为610℃，螺旋旋转速度为200r/min；然后通过模具钢制作的出口截面为0.8mm×0.3mm的挤出模具挤出半固态浆料，采用压合模具和压合冲头在基底材料上对镁合金半固态浆料进行压合，挤出模具、压合模具和压合冲头一起以同样的速度水平移动，每分钟移动70次；压合模具由模具钢制作，内孔截面尺寸为0.8mm×0.8mm，高度为2.5mm；压合冲头采用模具钢制作，端面尺寸为0.8mm×0.8mm，高度为4.0mm，在压合模具中上下垂直运动，其作用在镁合金半固态浆料上的压合应力为50MPa；基底材料是已经加热到610℃的AZ91D镁合金块体材料，其表面平整，厚度为12mm，截面尺寸为120mm×80mm；完成一个压接点后采用同样方法继续实施下一个压接点，完成一排后接着进行下一排，后一个压接点的位置紧贴前一个压接点，后一排压接点紧贴前一排压接点，点与点之间、排与排之间保持0.028mm的重叠，使点与点之间、排与排之间紧密结合，整个面堆积完成后在其上重复上述步骤进行下一层的堆积成型，直到半固态堆积的AZ91D镁合金厚度达到80mm。半固态堆积成型的AZ91D镁合金显微组织与图1类似。
实施例4
本实施例具体实施一种镁合金半固态成型方法，其具体过程是：将直径为1.0mm的丝状AS31镁合金加入到螺旋流变挤压装置，形成温度为605℃，液、固两相均匀混合的镁合金半固态浆料；螺旋流变挤压装置是由热作模具钢制作采用双螺旋形式的半固态浆料制作装置，螺旋节距2mm，内腔直径30mm，使用过程中该装置内腔的温度控制为605℃，螺旋旋转速度为150r/min；然后通过模具钢制作的出口截面为0.5mm×0.3mm的挤出模具挤出半固态浆料，采用压合模具和压合冲头在基底材料上对镁合金半固态浆料进行压合，挤出模具、压合模具和压合冲头一起以同样的速度水平移动，每分钟移动50次；压合模具由模具钢制作，内孔截面尺寸为0.5mm×0.8mm，高度为2.5mm；压合冲头采用模具钢制作，端面尺寸为0.5mm×0.8mm，高度为3.5mm，在压合模具中上下垂直运动，其作用在镁合金半固态浆料上的压合应力为50MPa；基底材料是已经加热到605℃的AS31镁合金块体材料，其表面平整，厚度为14mm，截面尺寸为110mm×110mm；完成一个压接点后采用同样方法继续实施下一个压接点，完成一排后接着进行下一排，后一个压接点的位置紧贴前一个压接点，后一排压接点紧贴前一排压接点，点与点之间、排与排之间保持0.025mm的重叠，使点与点之间、排与排之间紧密结合，整个面堆积完成后在其上重复上述步骤进行下一层的堆积成型，直到半固态堆积的AS31镁合金厚度达到80mm。半固态堆积成型的AS31镁合金显微组织与图1类似。
Claims (10)
1.一种镁合金半固态成型方法，其特征在于：将镁合金加入到螺旋流变挤压装置，形成镁合金半固态浆料，再通过挤出模具将半固态浆料铺展到基底材料上，边加热边压合连接，完成一个压接点后采用同样方法继续实施下一个压接点，完成一排后接着进行下一排，点与点之间、排与排之间紧密结合，整个面堆积完成后在其上重复上述步骤进行下一层的堆积成型，直到达到需要的厚度。
2.如权利要求1所述的一种镁合金半固态成型方法，其特征在于：所述的镁合金，是指直径为1.0~3.0mm的粒状或者丝状常用镁合金。
3.如权利要求1所述的一种镁合金半固态成型方法，其特征在于：所述的螺旋流变挤压装置，是指由模具钢制作采用双螺旋形式的半固态浆料制作装置，螺旋节距2~5mm，内腔直径20~40mm，使用过程中该装置内腔的温度控制在镁合金液相线温度与固相线温度的平均值上下10℃范围内，螺旋旋转速度为100~300r/min。
4.如权利要求1所述的一种镁合金半固态成型方法，其特征在于：所述的镁合金半固态浆料，是指温度控制在镁合金液相线温度与固相线温度的平均值上下10℃范围内，液、固两相均匀混合的镁合金物料。
5.如权利要求1所述的一种镁合金半固态成型方法，其特征在于：所述的挤出模具，是指热作模具钢制作的出口截面为0.5~1.0mm×0.2~0.5mm的模具，其温度与镁合金半固态浆料保持一致。
6.如权利要求1所述的一种镁合金半固态成型方法，其特征在于：所述的将半固态浆料铺展，是指挤出模具出口紧贴在基底材料上，镁合金半固态浆料由的挤出模具出口水平挤出并铺展在基底材料上；所述的基底材料，是指与镁合金成分相同的已经加热到与半固态浆料相同温度的块体材料，其表面平整，厚度为10~15mm，截面尺寸根据所要制作的最终材料的尺寸确定。
7.如权利要求1所述的一种镁合金半固态成型方法，其特征在于：所述的边加热边压合连接，是指一边通过挤出模具对基底材料或者已压合出的镁合金进行加热，一边采用压合模具和压合冲头对镁合金半固态浆料进行压合，挤出模具、压合模具和压合冲头一起以同样的速度水平移动，每分钟移动30~90次。
8.如权利要求1所述的一种镁合金半固态成型方法，其特征在于：所述的压合模具是指，内孔尺寸截面为0.5~1.0mm×0.5~1.0mm，高度为2.0~3.0mm由模具钢制作的模具。
9.如权利要求1所述的一种镁合金半固态成型方法，其特征在于：所述的压合冲头是指，端面尺寸为0.5~1.0mm×0.5~1.0mm，高度为3.0~5.0mm的模具钢冲头，在压合模具中上下垂直运动，其作用在镁合金半固态浆料上的压合应力为40~60MPa。
10.如权利要求1所述的一种镁合金半固态成型方法，其特征在于：所述的点与点之间、排与排之间紧密结合，是指后一个压接点的位置紧贴前一个压接点，后一排压接点紧贴前一排压接点，重叠率为压接点在水平移动方向上线尺寸的3~5%。
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