CN107671216A - 沙漏形金属构筑成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种沙漏形金属构筑成形方法，其特征在于，包括：制备多个基元；将多个基元堆叠在一起以形成具有从中间向两端横截面面积逐渐增加的形状；将堆叠在一起的多个基元焊接封装成预制坯；通过锻焊使得多个基元之间的界面焊合以将预制坯制成毛坯。本发明采用多块体积更小的金属坯作为构筑基元制成大型金属坯。

Description

沙漏形金属构筑成形方法

技术领域

本发明涉及一种金属材料制造方法，具体来说是沙漏形金属构筑成形的加工方法。该方法不但适用于同质材料的均质化制造，而且还适用于异质材料的复合制造。

背景技术

金属材料是人类历史发展中最不可或缺的材料，基于其得天独厚的廉价性、强韧性、耐久性等特点，金属在当代材料工业中始终占据主导地位。经过数千年的积累，人类已掌握一整套相当成熟的金属材料生产技术，例如传统的钢铁生产历经冶炼、浇铸、压力加工和热处理工序，产品质量稳定，价格低廉。近年来出现的金属基复合材料结合了金属材料与非金属材料的优点，具有比重小、比强度高等特点，进一步拓宽了金属材料的应用范围。

一些关键领域对复合界面的结合强度要求较高，传统的爆炸复合方式由于在常温下压力复合，界面上存在显微缺陷，已难以满足要求，需要开发更加可靠、更加安全的新的金属复合方法。

传统的金属构筑成形方法使用的基元为长方体或圆柱体，堆叠组合后形成长方体或圆柱体形预制坯。该预制坯在镦粗过程中侧面会产生鼓肚，鼓肚位置会存在拉应力，极易造成焊缝开裂。因此，亟需一种构筑方案解决镦粗过程中表面拉应力导致的焊缝开裂问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备大型金属材料或复合金属材料的沙漏形构筑成形方法，以铸坯、锻坯、轧坯等为基元，将基元侧面加工成斜面，并通过表面加工和清洁后，将多个基元封装在一起成为沙漏形，并使界面内部保持高真空状态，然后施加以镦粗变形、锻间保温、多向锻造为特点的锻焊工艺，最终制备优质大型金属器件。其中锻焊是指在高温锻造过程中，通过不同基元间的原子扩散使界面充分焊合而实现冶金连接的过程。

本发明的技术方案为：

一种沙漏形金属构筑成形方法，其中所述沙漏形是指将多个基元堆叠在一起以形成具有从中间向两端横截面面积逐渐增加的形状。

所述沙漏形金属构筑成形方法包括如下步骤：

首先制备基元：将多块小规格金属坯(可为铸坯、锻坯或轧坯)下料为指定尺寸，通过压力加工或机械加工方式将侧面加工成斜面，并将上下表面加工平整，露出新鲜金属。采用有机溶剂将坯料表面清洗洁净，处理后的坯料称之为基元；

然后将基元构筑、封焊成预制坯：将多块基元按照设计顺序进行堆叠，堆叠成大规格圆柱体沙漏形或长方体沙漏形，采用廉价金属板将构筑后的坯料整体封装成箱，并对箱内抽真空处理；或采用真空焊接方式分别将各基元间的界面封装；封装后的坯料称之为预制坯；

然后将预制坯锻焊成毛坯：将封装后的预制坯加热到指定温度出炉，在液压机上进行锻造，实施镦粗变形、锻间保温、多向锻造的措施，使界面充分焊合，实现冶金连接，成为一体化的毛坯；

最后成形为器件：将毛坯采用锻造、轧制等压力加工方式进一步成形，采用机加工方式精确成形为最终规格尺寸。

该方法的具体步骤如下：

第一步，按照预先计算好的尺寸规格裁切金属坯，将金属坯侧面裁切成斜面或加工成斜面；

第二步，加工、清洗金属坯表面；

第三步，按照设计顺序将多块金属坯排列堆叠成沙漏形，将排列堆叠后的金属坯封装，使各接触界面处于真空状态；

第四步，对封装后的金属坯实施锻前加热；

第五步，对金属坯实施镦粗变形；

第六步，对金属坯实施保温扩散连接；

第七步，对金属坯实施多向镦粗变形；

第八步，将金属坯加工成形至最终规格尺寸。

在沙漏形金属构筑成形方法的第一步中，按照计划的沙漏形尺寸计算每块金属坯的尺寸，将金属坯裁切成相应的圆台形或梯台形。也可裁切成圆柱体形或长方体形，之后对坯料侧面进行加工，将金属坯制成圆台形或梯台形。在坯料总数为奇数的情况下，中间一块坯料侧面保持竖直；在坯料总数为偶数的情况下，所有坯料侧面均为倾斜的。坯料侧面倾斜角度为10°～30°，所有坯料侧面倾斜角度均相同，或由两端至中间倾斜角度逐渐减小均可。裁切后的金属坯叠加之后总高度与最大宽度/直径的比例不超过3∶1，便于实施镦粗变形。

在沙漏形金属构筑成形方法的第二步中，采用角磨、钢刷打磨金属坯表面，去除氧化皮，必要时采用铣床加工表面。然后采用丙酮、酒精等有机溶剂清洗表面，保障表面高度清洁，露出新鲜金属。

在沙漏形金属构筑成形方法的第三步中，按照设计顺序将多块金属坯排列组合、堆叠成沙漏形，并使边缘对齐。圆台形金属坯可堆叠成圆柱体沙漏形，梯台形金属坯可堆叠成长方体沙漏形。采用廉价金属板将构筑后的坯料整体封装成箱，箱体预留抽真空接口，对箱内抽真空处理后再封堵接口；或将堆叠后的坯料整体放入真空室内，再采用真空焊接方式分别将各基元间的界面封装，封装界面的焊接深度为10～50mm。

在沙漏形金属构筑成形方法的第四步中，将焊接完成的坯料送入加热炉加热，加热温度为0.8至0.9Tm，Tm为材料的熔点，单位为℃。优选温度为0.85Tm。

在沙漏形金属构筑成形方法的第五步中，将加热后的坯料水平放置于锻压机操作平台上，使变形方向垂直于坯料内界面方向；采用镦粗板对坯料进行镦粗；首先压下坯料总高度的10-50％，具体压下量与沙漏形中部与上下两端的差异程度相关，差异较大(即侧面斜率较大)的压下量较大，差异较小的压下量较小。变形过程中观察坯料侧面鼓肚情况，在坯料横截面面积从两端至中间基本上相等时，停止变形。

在沙漏形金属构筑成形方法的第六步中，将镦粗后的坯料送回加热炉加热，实施高温扩散，加热温度为0.85Tm，Tm为材料的熔点，单位为℃；坯料温度均匀后保温时间为3至8小时，优选时间为5小时。

在沙漏形金属构筑成形方法的第七步中，将锻焊成一体的坯料沿2～3个方向进行镦粗变形，变形量不小于变形方向尺寸的30％，以保证每个方向坯料均有变形。

在沙漏形金属构筑成形方法的第八步中，将锻焊成一体的坯料通过锻造、轧制等压力加工方式进一步成形，采用机加工方式精确成形为最终规格尺寸。

本发明的物理冶金学和力学分析如下：

在金属坯叠加、封焊边缘之后，虽然在宏观上界面两侧的坯料接触在一起，实际上由于坯料表面存在一定的粗糙度，微观上两块坯料之间是多点接触，在接触点之间存在大量空隙，这种空隙可以等效为孔洞。

以其中一个孔洞为例，分析其在坯料镦粗锻造过程的演化历程：如图1所示，(a)变形开始阶段，孔洞被压扁，晶粒发生畸变；(b)孔洞宏观上闭合，形成裂纹状缺陷，基体发生再结晶；(c)裂纹缺陷失稳分解为圆柱体或球状微孔洞；(d)晶界迁移、晶粒长大，微孔洞在原子扩散作用下逐渐消失，两块板坯之间实现冶金结合。

孔洞型缺陷的愈合过程包括孔洞的闭合与闭合表面的焊合：闭合是指孔洞表面在应力应变的作用下实现物理接触，焊合是指闭合表面在一定温度、接触压力以及保温时间的条件下通过扩散、再结晶等方式实现冶金结合。闭合是实现焊合的前提，采用锻造方式加工真空焊接或真空封箱后的预制坯，预制坯中心的应变量远大于轧制方法，能够保证缺陷的闭合。焊合是实现缺陷完全愈合的关键，发明人前期通过系统的实验研究，发现显微尺度上一些缺陷虽然已经闭合，但尚未焊合，在外力作用下极易重新张开。同时，刚刚焊合的界面成分、组织与基体存在较大差异，形成“结合带”，这种“瘢痕”组织需变形后长时间高温热处理才能完全消除。

基于上述考虑，本发明提出了“锻间保温”和“多向锻造”的方法实现界面的愈合和成分、组织的均匀化。“锻间保温”可以保障通过高温扩散，使变形时微观上仍存在的显微孔洞完全愈合；“多向锻造”可以保障焊合界面在多个方向上均发生大变形，使界面上残留的氧化膜尽可能地分散到基体当中，降低其对力学性能的危害。上述方法结合使用，可以最大程度上实现界面与基体的一致性。

本发明突破了金属器件的母材只能比其更大的传统思维，使用品质更优、成本更低的小型金属坯构筑成形，具有如下的优点和有益效果：

1、实现大尺寸金属器件的均质化制造。采用多块体积更小的金属坯作为构筑基元，由于凝固速度快，因此其成分均匀性远远好于传统整体铸造的大型金属坯，在此基础上构筑而成的大尺寸金属器件不存在显著的宏观偏析。

2、实现大尺寸金属器件的致密化制造。采用多块体积更小的金属坯作为构筑基元，由于凝固速度快，几乎可以实现同时凝固，因此坯料内部集中的缩孔疏松少。焊合界面经变形、保温和多向锻造后，致密性高于传统整体铸坯制成的锻件。

3、实现大尺寸金属器件的纯净化制造。采用多块体积更小的金属坯作为构筑基元，由于制备成本、难度低，因此可采用各种灵活的精炼方法实现基元的纯净化，在此基础上构筑而成的大尺寸金属器件纯净度高于传统整体铸坯制成的锻件。

4、实现大尺寸金属器件的低成本制造。由于制备体积较小的金属坯可采用连铸等大生产手段，其制造成本远低于制备体积较大的金属坯必须采用的模铸手段，因此可大幅降低制造成本。此外，使用连铸坯作为构筑基元，没有传统钢锭的冒口、水口损耗，可提升材料利用率15％以上。

5、实现大尺寸金属器件的清洁化、稳定化制造。传统模铸方法制备金属坯需人工准备模具、浇道、保温材料，同时浇注后冒口发热剂和覆盖剂存在较大的环境污染。采用沙漏形金属构筑成形方法，过程可实现完全自动化，不但可以改善劳动环境，而且减少了人为因素影响，产品质量将更加稳定。

6、实现金属器件的结构、功能一体化。传统整铸方法制备的金属坯采用单一材料，虽能实现耐蚀、耐热、耐磨等功能，但制造成本较高，存在浪费现象。采用沙漏形金属构筑成形方法，表面为特殊的功能性金属，内部为廉价的结构性金属，可实现金属器件的结构、功能一体化，降低制造成本，节约合金资源。

7、避免镦粗过程中焊缝开裂，提高工艺稳定性。传统的金属构筑成形方法使用的基元为长方体或圆柱体，堆叠组合后形成长方体或圆柱体形预制坯。该预制坯在镦粗过程中侧面会产生鼓肚，鼓肚位置会存在拉应力，极易造成焊缝开裂。采用沙漏形金属构筑成形方法，可以避免表面鼓肚和拉应力的产生，不会造成焊缝开裂，从而不会导致真空界面在镦粗过程中破真空，提高了工艺的稳定性，保证了产品合格率。

附图说明

图1a至图1d为界面愈合机理，其中，图1a为界面变形开始阶段；图1b为界面孔洞宏观上闭合阶段；图1c为界面裂纹缺陷失稳分解阶段；图1d为界面冶金结合阶段。

图2a至图2j为本发明工艺流程图，其中，图2a显示金属坯切割下料，坯料侧面裁切或加工为斜面；图2b显示将金属坯表面加工平整，露出新鲜金属，并进行清洗；图2c显示在真空环境下对界面四周进行封焊，以获得沙漏形预制坯；图2d显示将沙漏形预制坯放入高温炉中加热；图2e显示在锻压机上采用镦粗板沿沙漏形预制坯的高度方向镦粗；图2f显示镦粗变形到位，使缺陷充分焊合以获得毛坯；图2g显示将毛坯回炉高温扩散；图2h显示在液压机上采用镦粗板沿毛坯的长度方向镦粗；图2i显示在液压机上采用镦粗板沿毛坯的宽度方向镦粗，保障每个方向均有变形；图2j显示将毛坯进一步锻造、加工成最终零件形状和尺寸。

图3为本发明实施例1中，锻件基元堆叠成圆柱体沙漏形，总层数为奇数。

图4为本发明实施例2中，锻件基元堆叠成圆柱体沙漏形，总层数为偶数。

图5为本发明实施例3中，连铸坯基元堆叠成长方体沙漏形，总层数为奇数。

图6为本发明实施例4中，连铸坯基元堆叠成长方体沙漏形，总层数为偶数。

图7为本发明实施例5中，连铸坯基元堆叠成长方体沙漏形，总层数为偶数，且侧面倾斜角度由两端至中间逐渐减小。

具体实施方式

图1为界面愈合机理，其中，图1a为界面变形开始阶段；图1b为界面孔洞宏观上闭合阶段；图1c为界面裂纹缺陷失稳分解阶段；图1d为界面冶金结合阶段。

术语“界面”一般是指两个金属坯堆叠在一起时相互接触的表面。

图2a至图2j为本发明工艺流程图，其中，图2a显示金属坯切割下料，坯料侧面裁切或加工为斜面；图2b显示将金属坯表面加工平整，露出新鲜金属，并进行清洗；图2c显示在真空环境下对界面四周进行封焊，以获得沙漏形预制坯；图2d显示将沙漏形预制坯放入高温炉中加热；图2e显示在锻压机上采用镦粗板沿沙漏形预制坯的高度方向镦粗；图2f显示镦粗变形到位，使缺陷充分焊合以获得毛坯；图2g显示将毛坯回炉高温扩散；图2h显示在液压机上采用镦粗板沿毛坯的长度方向镦粗；图2i显示在液压机上采用镦粗板沿毛坯的宽度方向镦粗，保障每个方向均有变形；图2j显示将毛坯进一步锻造、加工成最终零件形状和尺寸。

图3为本发明实施例1中，锻件基元堆叠成圆柱体沙漏形，总层数为奇数。

实施例1

本实施例的目标产品为模块。首先采用连铸方式，浇注厚度200mm的连铸坯。之后将连铸坯按照需要锻造、加工成所需圆台形。将锻件基元表面加工、清洗后进行真空电子束焊接。最后进行锻造、机加工。具体步骤如下：

第一步，按照一定的规格锻造、加工连铸坯。所需坯料为11块，将坯料锻造至所需尺寸。按照堆叠顺序，由两端至中间坯料直径逐渐减小，侧面倾斜角度为15°。最上和最下一块坯料大平面为φ1.5m，小平面为φ1.393m。次上和次下一块坯料大平面为φ1.393m，小平面为φ1.285m，其它各块以此类推。直至中间一块坯料尺寸为φ964mm×200mm。由于总层数为奇数，故中间一块侧面竖直。

第二步，加工、清洗待焊接表面。采用龙门铣床加工连铸坯表面，然后采用丙酮清洗，保障表面高度清洁，露出新鲜金属。

第三步，对锻件基元进行真空电子束焊接。将11块锻件基元按设计顺序堆叠在一起，成为沙漏形，沙漏高度(Z方向)2200mm，最大直径φ1500mm，最小直径φ964mm。11块锻件基元放入真空室，使用真空电子束焊接成沙漏形预制坯(图3)。

第四步，对预制坯实施锻前加热。将焊接完成的预制坯送入加热炉加热，加热温度为1200℃。

第五步，对预制坯实施镦粗与锻焊。将加热后的预制坯放置于锻压机操作平台上，使预制坯高度方向(Z方向)沿竖直方向。采用镦粗板沿高度方向对预制坯进行镦粗，压下预制坯总高度的30％，得到毛坯。

第六步，对毛坯实施高温扩散连接。将镦粗后的毛坯送回加热炉加热，加热温度为1200℃，毛坯均温后的保温时间为6小时。

第七步，对毛坯实施三个方向的镦粗、拔长操作。首先沿圆柱体直径方向任选一个方向(X方向)进行镦粗，之后沿垂直于上次镦粗方向的直径方向(Y方向)进行第二次镦粗，最后沿圆柱体轴线方向(Z方向)进行镦粗，每次镦粗变形量不小于毛坯沿镦粗方向高度的40％，镦粗后进行拔长修整外形，更换方向进行下一次镦粗。

第八步，将毛坯锻造成形至最终锻件尺寸。模块尺寸约为1000×1500×1650mm。

图4为本发明实施例2中，锻件基元堆叠成圆柱体沙漏形，总层数为偶数。

实施例2

本实施例的目标产品为模块。首先采用连铸方式，浇注厚度200mm的连铸坯。之后将连铸坯按照需要锻造、加工成所需圆台形。将锻件基元表面加工、清洗后进行封箱抽真空。最后进行锻造、机加工。具体步骤如下：

第一步，按照一定的规格锻造、加工连铸坯。所需坯料为12块，将坯料锻造至所需尺寸。按照堆叠顺序，由两端至中间坯料直径逐渐减小，侧面倾斜角度为15°。最上和最下一块坯料大平面为φ1.5m，小平面为φ1.393m。次上和次下一块坯料大平面为φ1.393m，小平面为φ1.285m，其它各块以此类推。直至中间两块坯料大平面为φ964mm，小平面为φ857mm。

第二步，加工、清洗待焊接表面。采用龙门铣床加工连铸坯表面，然后采用丙酮清洗，保障表面高度清洁，露出新鲜金属。

第三步，对锻件基元进行真空电子束焊接。将12块锻件基元按设计顺序堆叠在一起，成为沙漏形，沙漏高度(Z方向)2400mm，最大直径φ1500mm，最小直径φ857mm。使用16mm厚的Q235薄钢板将堆叠后的连铸坯基元六面完全包围成箱。在薄钢板与堆叠后的坯料上下面之间铺垫石棉板，并在薄钢板箱的内侧涂覆脱模涂料。使用二氧化碳气体保护焊封箱，使6块薄钢板形成一个箱体将坯料包围。在箱侧面留Φ10mm圆孔，使用抽真空装置将箱内抽成真空状态，抽真空后将圆孔封住，使箱内保持真空。此步骤完成后得到被封箱的预制坯，箱内的沙漏形预制坯如图4所示。

第四步，对预制坯实施锻前加热。将焊接完成的预制坯送入加热炉加热，加热温度为1200℃。

第五步，对预制坯实施镦粗与锻焊。将加热后的预制坯放置于锻压机操作平台上，使预制坯高度方向(Z方向)沿竖直方向。采用镦粗板沿高度方向对预制坯进行镦粗，压下预制坯总高度的30％。将薄钢板箱剥离，得到毛坯。

第六步，对毛坯实施高温扩散连接。将镦粗后的毛坯送回加热炉加热，加热温度为1200℃，毛坯均温后的保温时间为6小时。

第七步，对毛坯实施三个方向的镦粗、拔长操作。首先沿圆柱体直径方向任选一个方向(X方向)进行镦粗，之后沿垂直于上次镦粗方向的直径方向(Y方向)进行第二次镦粗，最后沿圆柱体轴线方向(Z方向)进行镦粗，每次镦粗变形量不小于毛坯沿镦粗方向高度的40％，镦粗后进行拔长修整外形，更换方向进行下一次镦粗。

第八步，将毛坯锻造成形至最终锻件尺寸。模块尺寸约为1000×1500×1700mm。

图5为本发明实施例3中，连铸坯基元堆叠成长方体沙漏形，总层数为奇数。

实施例3

本实施例的目标产品为模块。首先采用连铸方式，浇注宽度1500mm、厚度200mm的Q235连铸板坯。之后将连铸坯按照需要加工成所需梯台形。将连铸坯基元表面加工、清洗后进行真空电子束焊接。最后进行锻造、机加工。具体步骤如下：

第一步，按照一定的规格切割、加工连铸坯。所需坯料为11块，将坯料切割、加工所需尺寸。按照堆叠顺序，由两端至中间坯料直径逐渐减小，侧面倾斜角度为15°。最上和最下一块坯料大平面为1.5m×1.5m，小平面为1.393m×1.393m。次上和次下一块坯料大平面为1.393m×1.393m，小平面为1.285m×1.285m，其它各块以此类推。直至中间一块坯料尺寸为964mm×964mm×200mm。由于总层数为奇数，故中间一块侧面竖直。

第二步，加工、清洗待焊接表面。采用龙门铣床加工连铸坯表面，然后采用丙酮清洗，保障表面高度清洁，露出新鲜金属。

第三步，对连铸坯基元进行真空电子束焊接。将11块连铸坯基元按设计顺序堆叠在一起，成为沙漏形，沙漏高度(Z方向)2200mm，最大横截面1500mm×1500mm，最小截面964mm×964mm。11块连铸坯基元放入真空室，使用真空电子束焊接成沙漏形预制坯(图5)。

第四步，对预制坯实施锻前加热。将焊接完成的预制坯送入加热炉加热，加热温度为1200℃。

第五步，对预制坯实施镦粗与锻焊。将加热后的预制坯放置于锻压机操作平台上，使预制坯高度方向(Z方向)沿竖直方向。采用镦粗板沿高度方向对预制坯进行镦粗，压下预制坯总高度的30％，得到毛坯。

第六步，对毛坯实施高温扩散连接。将镦粗后的毛坯送回加热炉加热，加热温度为1200℃，毛坯均温后的保温时间为6小时。

第七步，对毛坯实施三个方向的镦粗、拔长操作。每次镦粗变形量不小于毛坯沿镦粗方向高度的40％，镦粗后进行拔长修整外形，更换方向进行下一次镦粗。其中第三次镦粗方向为原始预制坯的高度方向(Z方向)，即垂直于堆叠界面方向。

第八步，将毛坯锻造成形至最终锻件尺寸。模块尺寸约为1000×1500×2100mm。

图6为本发明实施例4中，连铸坯基元堆叠成长方体沙漏形，总层数为偶数。

实施例4

本实施例的目标产品为模块。首先采用连铸方式，浇注宽度1500mm、厚度200mm的Q235连铸板坯。之后将连铸坯按照需要加工成所需梯台形。将连铸坯基元表面加工、清洗后进行真空电子束焊接。最后进行锻造、机加工。具体步骤如下：

第一步，按照一定的规格切割、加工连铸坯。所需坯料为12块，将坯料切割、加工所需尺寸。按照堆叠顺序，由上下至中间坯料直径逐渐减小，侧面倾斜角度为15°。最上和最下一块坯料大平面为1.5m×1.5m，小平面为1.393m×1.393m。次上和次下一块坯料大平面为1.393m×1.393m，小平面为1.285m×1.285m，其它各块以此类推。直至中间两块坯料大平面为0.964m×964mm，小平面为0.857m×0.857m。

第二步，加工、清洗待焊接表面。采用龙门铣床加工连铸坯表面，然后采用丙酮清洗，保障表面高度清洁，露出新鲜金属。

第三步，对连铸坯基元进行真空电子束焊接。将12块连铸坯基元按设计顺序堆叠在一起，成为沙漏形，沙漏高度(Z方向)2200mm，最大横截面1500mm×1500mm，最小截面857mm×857mm。12块连铸坯基元放入真空室，使用真空电子束焊接成沙漏形预制坯(图6)。

第四步，对预制坯实施锻前加热。将焊接完成的预制坯送入加热炉加热，加热温度为1200℃。

第五步，对预制坯实施镦粗与锻焊。将加热后的预制坯放置于锻压机操作平台上，使预制坯高度(Z方向)方向沿竖直方向。采用镦粗板沿高度方向对预制坯进行镦粗，压下预制坯总高度的30％，得到毛坯。

第六步，对毛坯实施高温扩散连接。将镦粗后的毛坯送回加热炉加热，加热温度为1200℃，毛坯均温后的保温时间为6小时。

第七步，对毛坯实施三个方向的镦粗、拔长操作。每次镦粗变形量不小于毛坯沿镦粗方向高度的40％，镦粗后进行拔长修整外形，更换方向进行下一次镦粗。其中第三次镦粗方向为原始预制坯的高度方向(Z方向)，即垂直于堆叠界面方向。

第八步，将毛坯锻造成形至最终锻件尺寸。模块尺寸约为1000×1500×2200mm。

图7为本发明实施例5中，连铸坯基元堆叠成长方体沙漏形，总层数为偶数，且侧面倾斜角度由两端至中间逐渐减小。

实施例5

本实施例的目标产品为模块。首先采用连铸方式，浇注宽度1600mm、厚度250mm的Q235连铸板坯。之后将连铸坯按照需要加工成所需梯台形。将连铸坯基元表面加工、清洗后进行真空电子束焊接。最后进行锻造、机加工。具体步骤如下：

第一步，按照一定的规格切割、加工连铸坯。所需坯料为8块，将坯料切割、加工所需尺寸。按照堆叠顺序，由两端至中间坯料尺寸逐渐减小，且侧面倾斜角度由两端至中间逐渐减小。由顶端至底端每块坯料的尺寸分别为：第一层上表面1594mm×1000mm，下表面1464mm×904mm；第二层上表面1464mm×904mm，下表面1354mm×810mm；第三层上表面尺寸为1354mm×810mm，第三层下表面尺寸为1294mm×750mm；第四层上表面1294mm×750mm，下表面1264mm×720mm；第五层上表面1264mm×720mm，下表面1294mm×750mm；第六层上表面尺寸为1294mm×750mm，下表面尺寸为1354mm×810mm；第七层上表面1354mm×810mm，下表面1464mm×904mm；第八层上表面1464mm×904mm，下表面1594mm×1000mm。

第二步，加工、清洗待焊接表面。采用龙门铣床加工连铸坯表面，然后采用丙酮清洗，保障表面高度清洁，露出新鲜金属。

第三步，对连铸坯基元进行真空电子束焊接。将8块连铸坯基元按设计顺序堆叠在一起，成为沙漏形，沙漏高度(Z方向)2000mm，最大横截面1594mm×1000mm，最小截面1264mm×720mm。8块连铸坯基元放入真空室，使用真空电子束焊接成沙漏形预制坯(图7)。

第四步，对预制坯实施锻前加热。将焊接完成的预制坯送入加热炉加热，加热温度为1200℃。

第五步，对预制坯实施镦粗与锻焊。将加热后的预制坯放置于锻压机操作平台上，使预制坯高度方向(Z方向)沿竖直方向。采用镦粗板沿高度方向对预制坯进行镦粗，压下预制坯总高度的40％，得到毛坯。

第六步，对毛坯实施高温扩散连接。将镦粗后的毛坯送回加热炉加热，加热温度为1200℃，毛坯均温后的保温时间为6小时。

第七步，对毛坯实施三个方向的镦粗、拔长操作。首先沿X方向镦粗，之后沿Y方向镦粗，最后沿Z方向镦粗。每次镦粗变形量不小于毛坯沿镦粗方向高度的40％，镦粗后进行拔长修整外形，更换方向进行下一次镦粗。其中第三次镦粗方向为原始预制坯的高度方向(Z方向)，即垂直于堆叠界面方向。

第八步，将毛坯锻造成形至最终锻件尺寸。模块尺寸约为900×1200×1600mm。

Claims (13)

1.一种沙漏形金属构筑成形方法，包括：

制备多个基元；

将多个基元堆叠在一起以形成具有从中间向两端横截面面积逐渐增加的形状；

将堆叠在一起的多个基元封装成预制坯；

通过锻焊使得多个基元之间的界面焊合以将预制坯制成毛坯。

2.根据权利要求1所述的沙漏形金属构筑成形方法，所述多个基元为铸坯、锻坯或轧坯。

3.根据权利要求1所述的沙漏形金属构筑成形方法，所述从中间向两端面积逐渐增加的横截面是圆形。

4.根据权利要求1所述的沙漏形金属构筑成形方法，所述从中间向两端面积逐渐增加的横截面是正方形或长方形。

5.根据权利要求3或4所述的沙漏形金属构筑成形方法，所述基元的侧面被加工成斜面，所述斜面相对于基元的轴线的倾斜角度为10°～30°。

6.根据权利要求5所述的沙漏形金属构筑成形方法，其特征在于，全部基元的侧面的倾斜角度均相同。

7.根据权利要求5所述的沙漏形金属构筑成形方法，其特征在于，基元的侧面的倾斜角度逐渐变化，以使得堆叠在一起的多个基元封装成预制坯时，基元的侧面的倾斜角度由两端至中间逐渐减小。

8.根据权利要求3或4所述的沙漏形金属构筑成形方法，其特征在于，在基元总数为奇数的情况下，中间一块基元的侧面保持竖直。

9.根据权利要求3或4所述的沙漏形金属构筑成形方法，其特征在于，在基元总数为偶数的情况下，所有基元的侧面均为倾斜的。

10.根据权利要求1所述的沙漏形金属构筑成形方法，通过锻焊将预制坯制成毛坯的步骤包括加热预制坯，加热温度范围在0.8-0.9Tm之间，Tm为材料的熔点，单位为℃，然后将加热后的预制坯放置于锻压机操作平台上锻压预制坯使得预制坯变形。

11.根据权利要求10所述的沙漏形金属构筑成形方法，变形量为预制坯在高度方向上的10％-50％。

12.根据权利要求11所述的沙漏形金属构筑成形方法，在锻压预制坯使得预制坯变形过程中，在预制坯的横截面面积从两端至中间基本上相等时，停止变形。

13.根据权利要求1所述的沙漏形金属构筑成形方法，在通过锻焊使得多个基元之间的界面焊合以将预制坯制成毛坯的步骤之后还包括将制成的毛坯实施高温扩散连接的步骤，毛坯均温后的保温时间为3-8小时，加热温度为1200℃。