CN104162555A - 一种半固态触变-塑变复合成形方法 - Google Patents

一种半固态触变-塑变复合成形方法 Download PDF

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Abstract

一种半固态触变-塑变复合成形方法，涉及材料加工领域一种新型的加工方法，适用于铝合金、镁合金、钢、钛合金、高温合金及金属基复合材料。主要步骤为：1、根据所加工零件的形状和尺寸要求，下料出尺寸和形状一定的坯料；2、通过电磁感应加热或电流自阻加热等高效加热方式，将坯料预热；3、通过调整加热工艺，使对应于成形复杂形状区域的坯料转变为半固态球晶组织，将对应于成形相对简单形状区域的坯料加热至热/温塑性加工温度；4、将预热完成后具有不同温度和组织状态分布的坯料转移到模具型腔，采用模锻、挤压等方式成形。本发明可同时发挥出半固态成形的近净成形特点和塑性成形的高性能优势，具有重要的理论价值和实际应用意义。

Description

一种半固态触变-塑变复合成形方法
技术领域
本发明涉及材料加工技术领域中一种新型的成形方法，具体是指合金或金属基复合材料固态塑性成形和半固态成形的复合加工方法。 
背景技术
塑性加工技术是利用材料的塑性变形能力，在一定的温度、成形速度等条件下，施加某种形式的外力，以克服材料的变形抗力，使其产生塑性变形，从而得到具有一定形状、规格尺寸和组织性能的制件。采用塑性加工方法所成形的制件一般具有较高的强度和韧性，但对于形状复杂的零件往往需要多道成形工序才能完成，机械加工余量较大，材料利用率较低。 
半固态触变加工技术是利用合金或金属基复合材料在半固态温度保温一定时间后所具备的触变流动性，通过采取锻造、挤压等方式加工形状复杂且力学性能较高(远高于压铸件，接近于锻件)的制件。由于半固态坯料的加热和输送过程较为简单，易于实现批量化生产，因此半固态触变成形技术获得了广泛的关注。 
近年来，源于现代工业对近净成形(成形)和高力学性能构件(成性)的一体化要求，迫切需求一种能同时发挥出合金的性能潜力和成形技术优势的新型加工技术。基于此背景，高强铝合金半固态触变成形技术受到了越来越广泛的重视。申请人已开展了多年的高强铝合金半固态成形技术研究，发现制件经热处理后的力学性能仍难以完全达到锻件指标，尤其是屈服强度较塑性加工仍有一定的差距。航天航空、兵器工业、汽车制造业中有很多零件，如支座、角框架、连杆等，其局部区域具有复杂的几何形状且要求较高的力学性能。若完全采用塑性成形技术，加工效率较低，机械加工量极大，而且易破坏塑性加工流线；半固态触变加工技术虽可实现近净成形，但无法发挥出材料应有的性能潜力，难以完全满足使用需求。因此，若能开发出新型的复合成形技术，将塑性加工与半固态触变成形的优势结合，在实现复杂结构件近净成形甚至精确成形的基础上，最大程度地发挥合金的性能优势，将具有极大的发展前景和应用空间。 
发明内容
在研究已有方法基础上，本发明提出一种半固态触变-塑变复合成形方法，将半固态触变成形和塑性成形在构件成形区域上的一体化集成。本方法可结合固态塑性成形和半固态触变成形的技术优势，在制得复杂形状零件的同时，最大限度地发挥了固态塑性加工的优势，开发出材料的性能潜力，具有应用材料范围广、生产效率高，成本低，组织和性能可控性好等 优点，而且还可用于成形具有梯度组织和性能要求的构件。 
本发明包括以下步骤： 
一、根据所成形零件的形状尺寸和性能要求，下料出具有一定尺寸和形状的坯料； 
二、采用电流自阻加热装置、电磁感应加热装置、红外加热装置等快速加热装置，使坯料的不同区域具有不同的预热温度及组织状态分布。 
三、将预热完成后具有不同温度和组织状态分布的坯料转移到模具型腔，采用模锻、挤压等方式成形，使半固态温度区的坯料成形复杂形状区域，使热/温塑性加工温度区的坯料成形相对简单形状区域。半固态触变-塑变复合成形原理如附图1所示。 
三、若步骤二中采用电流自阻加热，须将坯料截面加工成不同尺寸，如将对应于成形复杂形状区域的坯料加工成较小截面半径，将对应于成形相对简单形状区域的坯料加工成较大的截面半径。根据电流自阻加热的原理，截面半径较小的坯料因自阻产生的焦耳热较大，因此可以达到较高的温度以进行半固态触变变形；截面半径较大的坯料因自阻产生的焦耳热较小，因此可以达到较低的温度以进行固态塑性变形。其原理如附图2所示。 
四、若步骤二中采用电磁感应加热，须对坯料的不同区域分别采用不同的感应线圈和加热功率，以使坯料的各区域间达到所需的温度场和组织状态分布。比如采用大功率加热对应于成形复杂形状区域的坯料，使其达到半固态温度以进行半固态触变变形；采用小功率加热对应于成形相对简单形状区域的坯料，使其达到热塑性加工温度或温塑性加工温度以进行固态塑性变形。其原理如附图3所示。 
五、若步骤二中采用红外加热，须对坯料的不同区域分别施加不同的加热功率，以使坯料的各区域间达到所需的温度场和组织状态分布。比如采用大功率加热对应于成形复杂形状区域的坯料，使其达到半固态温度以进行半固态触变变形；采用小功率加热对应于成形相对简单形状区域的坯料，使其达到热塑性加工温度或温塑性加工温度以进行固态塑性变形。其原理如附图4所示。 
本发明的适用材料包括铝合金、镁合金、钢、钛合金、高温合金等合金，及SiCp、CNTs等作为增强体的金属基复合材料。 
附图说明
图1半固态触变-塑变复合成形示意图 
图中：1上模；2下模；3坯料；4冲头；5成形构件 
图2电流自阻加热示意图 
图中：1电源；2导线；3导电片；4坯料 
图3电磁感应加热示意图 
图中：1低功率电源；2感应线圈；3大功率电源；4线圈；5坯料 
图4红外加热示意图 
图中：1低功率加热器；2大功率电源；3坯料 
具体实施方式
具体实施方式一 
下面结合图1说明本实施方式，本实施方式包括以下步骤： 
步骤一：将7075铝合金棒料加工成尺寸为的坯料； 
步骤二：采用电磁感应加热装置将坯料预热，坯料下端的感应线圈的功率为5kW，坯料上端的感应线圈的功率为2kW； 
步骤三：采用红外测/控温设备控制坯料的加热温度，使坯料下端的温度为620℃，上端的温度为热塑性成形温度400℃，中间过渡区的温度介于半固态温度和热塑性成形温度之间呈梯度分布； 
步骤四：将坯料在步骤三中的温度下保温3分钟，使坯料上端的组织转化为半固态组织； 
步骤四：将预热并保温完成的坯料转移至模具型腔，进行挤压成形，成形力为100kN，成形速度为15mm/s，保压时间为30s。使半固态温度区的坯料成形下端尾翼形状区域，使热塑性成形温度区的坯料成形上端简单形状区域。 
具体实施方式二 
下面结合图1说明本实施方式，本实施方式包括以下步骤： 
步骤一：将SiCp/2024A1复合材料棒料加工成尺寸为的坯料； 
步骤二：采用电磁感应加热装置将坯料预热，坯料下端的感应线圈的功率为5kW，坯料上端的感应线圈的功率为2kW； 
步骤三：采用红外测/控温设备控制坯料的加热温度，使坯料下端的温度为600℃，上端的温度为热塑性成形温度400℃，中间过渡区的温度介于半固态温度和热塑性成形温度之间呈梯度分布； 
步骤四：将坯料在步骤三中的温度下保温4分钟，使坯料上端的组织转化为半固态组织； 
步骤四：将预热并保温完成的坯料转移至模具型腔，进行挤压成形，成形力为100kN，成形速度为15mm/s，保压时间为30s，使半固态温度区的坯料成形下端尾翼形状区域，使热塑性成形温度区的坯料成形上端简单形状区域。 
具体实施方式三 
下面结合图1说明本实施方式，本实施方式包括以下步骤： 
步骤一：将AZ31镁合金棒料加工成尺寸为的坯料； 
步骤二：采用电磁感应加热装置将坯料预热，坯料下端的感应线圈的功率为5kW，坯料上端的感应线圈的功率为2kW； 
步骤三：采用红外测/控温设备控制坯料的加热温度，使坯料下端的温度为590℃，上端的温度为热塑性成形温度400℃，中间过渡区的温度介于半固态温度和热塑性成形温度之间呈梯度分布； 
步骤四：将坯料在步骤三中的温度下保温4分钟，使坯料上端的组织转化为半固态组织； 
步骤四：将预热并保温完成的坯料转移至模具型腔，进行挤压成形，成形力为100kN，成形速度为15mm/s，保压时间为30s，使半固态温度区的坯料成形下端尾翼形状区域，使热塑性成形温度区的坯料成形上端简单形状区域。 
具体实施方式四 
下面结合图1说明本实施方式，本实施方式包括以下步骤： 
步骤一：将CNTs/2024A1复合材料棒料加工成尺寸为的坯料； 
步骤二：采用电磁感应加热装置将坯料预热，坯料下端的感应线圈的功率为6kW，坯料上端的感应线圈的功率为3kW； 
步骤三：采用红外测/控温设备控制坯料的加热温度，使坯料下端的温度为610℃，上端的温度为热塑性成形温度400℃，中间过渡区的温度介于半固态温度和热塑性成形温度之间呈梯度分布； 
步骤四：将坯料在步骤三中的温度下保温4分钟，使坯料上端的组织转化为半固态组织； 
步骤四：将预热并保温完成的坯料转移至模具型腔，进行挤压成形，成形力为100kN，成形速度为15mm/s，保压时间为30s，使半固态温度区的坯料成形下端尾翼形状区域，使热塑性成形温度区的坯料成形上端简单形状区域。 
依据上述实施方式，本发明内容所述范围均能实施，制得性能良好的成形构件，本发明不仅仅局限于上述实施方式。 
本发明提供一种半固态触变-塑变复合成形方法，采用该方法可以制得形状复杂的高性能构件，具有应用材料范围广、生产效率高，成本低，组织和性能可控性好等优点。 

Claims (6)

1.半固态触变-塑变复合成形方法，其特征在于包括以下步骤： 
步骤一：根据所加工零件的形状和尺寸要求，下料出尺寸和形状一定的坯料； 
步骤二：采用快速加热装置，将坯料预热，并预热成形模具至所需温度； 
步骤三：通过调整加热工艺参数，实现坯料的分区温度控制，使坯料的不同区域具有不同的组织状态分布，使对应于成形复杂形状区域的坯料加热为半固态球晶组织，使对应于成形相对简单形状区域的坯料加热至热塑性加工温度或温塑性加工温度； 
步骤四：将加热完成后具有不同温度和组织状态分布的坯料转移到模具型腔，采用模锻、挤压等方式成形。 
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于坯料预热所采用的快速加热装置包括电流自阻加热装置、电磁感应加热装置、红外加热装置等。 
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于调整电流自阻加热装置、电磁感应加热装置、红外加热装置等快速加热装置的工艺参数，从而使坯料的不同区域具有不同的预热温度及组织状态分布，使对应于成形复杂形状区域的坯料加热为半固态球晶组织，使对应于成形相对简单形状区域的坯料加热至热塑性加工温度或温塑性加工温度。 
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于被加工材料是铝合金、镁合金、钢、钛合金、高温合金及SiCp、CNTs等作为增强体的金属基复合材料。 
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于半固态触变-塑变复合成形系统包括电流自阻加热装置、电磁感应加热装置、红外加热装置等快速加热装置，区域温度检测及控制装置，成形模具。 
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于其应用范围为：具有局部复杂形状的构件，及具有梯度组织和性能要求的构件。 
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