CN110280767B - 一种钛铝复合管的制备方法及模具 - Google Patents

一种钛铝复合管的制备方法及模具 Download PDF

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Abstract

本发明是一种钛铝复合管的制备方法及模具，该方法是在挤压筒(6)内壁上紧密贴覆钛合金管(4)，再将铝合金粉末(5)置于钛合金管(4)内，挤压筒(6)的下端设置下压头(7)并与挤压筒(6)紧密配合以抵住钛合金管(4)及其内的铝合金粉末(5)，在挤压筒(6)的上端设置上压头(3)对钛合金管(4)内的铝合金粉末(5)进行挤压，上压头(3)与钛合金管(4)之间为过渡配合，上压头(3)在挤压行程上，在钛合金管(4)的内壁上形成一层铝合金材料层，当上压头(3)的下端面与下压头(7)的上端面平齐时，得到钛铝复合管。相比于粉末轧制法和喷射沉积法，工艺流程大幅缩短，成本降低，从而制备出组织致密且具有细小再结晶组织。

Description

一种钛铝复合管的制备方法及模具
技术领域
本发明是一种钛铝复合管的制备方法及模具，属于热加工技术领域。
背景技术
钛铝双金属复合管是以铝合金为管内侧金属作为受力层，管外侧覆盖上一层钛合金作为保护层，这种材料既具有铝合金低密度、高强度、焊接性能优良的特点，又兼具耐高温、耐腐蚀、耐冲击的特点。而且该双金属的复合很大程度上可以节约成本，使管材达到轻量化的目的，因而近些年来受到一些国家的高度重视，已用于航空，军事装甲等领域。
金属层状复合材料的加工方法有很多种，针对粉末冶金材料的方法一般有粉末轧制法和喷射沉积法两种。其中，粉末轧制法有两种：一种是在基体金属带坯上松装铺粉，然后通过粉末轧制和烧结，形成双金属复合材料；另一种是用两个漏斗同时供粉，轧制成双金属粉末带坯，再经过进一步的烧结、轧制，以获得双金属复合材料。这种方法的特点是周期长，而且一般用于制备板形构件。喷射沉积法是将熔融的液态金属在气压或自重的作用下，由坩埚底部导流管流出形成稳定的金属液流，金属液流经过雾化器时，被高压高速的惰性气体分散为极细小的金属液体颗粒射流，射流中部分小的颗粒冷凝固结，部分大的颗粒则能保持液相，处于固态、半固态，这种射流喷向下方基体材料，产生撞击、凝结、凝固，大部分形成沉积层，沉积层附着在基体上，便形成复合材料。这种方法的局限性在于沉积物在顶部形成过厚的液相层，将蜕化为土一般铸造组织，故难以制备厚壁构件，另外，由于金属射流中物质分布不均匀，沉积层的尺寸精度低。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种钛铝复合管的制备方法及模具，其目的是提高钛铝双金属复合管的生产效率，并改善其微观组织。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明技术方案提供了一种钛铝复合管的制备方法，其特征在于：该方法是在挤压筒6内壁上紧密贴覆钛合金管4，再将铝合金粉末5置于钛合金管4内，挤压筒6的下端设置下压头7并与挤压筒6紧密配合以抵住钛合金管4及其内的铝合金粉末5，在挤压筒6的上端设置上压头3对钛合金管4内的铝合金粉末5进行挤压，上压头3与钛合金管4之间为过渡配合，上压头3在挤压行程中同时作顺时针转动，在钛合金管4的内壁上形成一层铝合金材料层，当上压头3的下端面与下压头7的上端面平齐时，得到钛铝复合管。
进一步，所需铝合金粉末5的称取重量按以下公式计算：
m装载＝m计算/0.8 公式1
式中：m装载为装载到模具中的铝合金粉末重量，m计算为根据构件的体积计算得到的铝合金粉末重量。
进一步，挤压前，将铝合金粉末5及挤压筒6加热到1050-1150℃，进行保温并热透。
在一种实施中，上压头3对钛合金管4内的铝合金粉末5进行挤压的速度为17mm/s～20mm/s，当钛合金管4内的铝合金粉末5成型为铝合金锭后，上压头3对该铝合金锭继续进行挤压时的速度为5mm/s～10mm/s。
在一种实施中，在上压头3成型铝合金材料层的挤压行程中，上压头3作顺时针转动，旋转速度为10rad/min～20rad/min。
在一种实施中，在钛合金管4内成型为铝合金锭的压力应达到200-400MPa。
本发明技术方案还提供了一种用于上述钛铝复合管的制备方法的模具，其特征在于：该模具包括一个中空圆筒形的挤压筒6，在挤压筒6的下端设置有下压头7并与挤压筒6紧密配合，在挤压筒6的上端设置有用于压紧钛合金管4上端的外压环1并与挤压筒6过渡配合，外压环1的内径与钛合金管4的内径相同，在外压环1内设置内压环2并与外压环1过渡配合，在内压环2内设置上压头3并与内压环2过渡配合，上压头3能够绕轴线作顺时针旋转。
在一种实施中，构成模具的组件均采用断裂强度超过2000MPa的钢材料制备成。
在一种实施中，上压头3、下压头7、内压环2与外压环1的中心线同轴。
在一种实施中，上压头3、下压头7、内压环2和外压环1在真空室内分别对接一套液压系统和加热系统配套，加热系统位于挤压筒6的外侧。
在一种实施中，内压环2的下部与上压头3的下部以锥形面相互配合。
本发明技术方案具有的特点是：
本发明主要针对目前国内金属层状复合材料加工方法存在的周期长和微观组织分布均匀性差的技术现状，用反挤压+高压扭转的方式，解决了上述问题。
本发明是在粉末冶金双金属复合管的塑性成形技术研究的基础上，利用了粉末材料良好的流动性，通过阶段变化的变形温度和压力，使复合管内层铝合金粉末在一定的温度和较小压力下达到初步致密化，并保留粉末颗粒具有一定程度的表面活性和流动性，接下来，提高压力，复合管内层的铝合金锭通过反挤压运动均匀铺在复合管内壁上，同时通过上压头的旋转，在温度和压力的共同作用下，复合管内壁的两层金属之间形成过渡组织。在这一过程中，粉末颗粒之间的孔隙完全消失，达到全致密化，外层金属与内层金属通过过渡组织形成一个整体，实现粉末构件固化-组织-成形一体化。相比于粉末轧制法和喷射沉积法，工艺流程大幅缩短，成本降低，从而制备出组织致密且具有细小再结晶组织。
本发明技术方案与与国内外粉末高温合金环形构件的制备技术相比，其优点主要体现在：
1利用粉末良好的流动性，双金属复合管成形过程中，内层金属粉末从固化到致密，从致密到与外层金属形成过度组织，实现了构件固化—成形的一体化，提高了成形效率；
2粉末在钻入包套的过程中，粉末受到温度和压力作用，持续塑性变形，积攒的变性能满足粉末颗粒从界面结合到再结晶形核和长大整个过程能量需求；
3简化了工艺流程，缩短了研制周期，提高了材料利用率，降低构件制造成本。
附图说明
图1为本发明技术方案中挤压模具的结构示意图
图2为在挤压筒内成型铝合金锭的示意图
图3为在挤压筒内成型铝合金材料层的示意图
图4为上压头3的下端面与下压头7的上端面平齐时的示意图
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
采用本发明方法制备钛铝复合管的步骤如下：
步骤一、钛合金管准备
根据所需钛铝复合管长度准备钛合金管4，将钛合金管4内、外壁清洗干净，钛合金管4外壁和挤压筒6紧密配合；
步骤二、铝合金粉末准备
根据所需钛铝复合管长度以及钛合金管4的壁厚计算并称量铝合金粉末5，称量的重量按以下公式计算：
m装载＝m计算/0.8 公式1
式中：m装载为装载到模具中的铝合金粉末重量，m计算为根据构件的体积计算得到的铝合金粉末重量；
步骤三、模具制备
采用断裂强度超过2000MPa的钢材料制备挤压模具，该模具由挤压筒6、外压环1、内压环2、上压头3和下压头7组成，其中，下压头7与挤压筒6紧密配合，上压头3、内压环2与外压环1紧密配合，外压环1的外径比挤压筒6的内径小，内压环2的外径比外压环1的内径小，上压头3的外径比内压环2的内径小，上压头3、下压头7、内压环2与外压环1可以沿竖直方向自由上下移动，上压头3绕轴线作顺时针旋转，上压头3、下压头7、内压环2与外压环1四者的中心线同轴；
步骤四、坯料准备
坯料由钛合金管4和铝合金粉末5构成，钛合金管4位于挤压筒6内，并与下压头7和外压环1接触，铝合金粉末5位于钛合金管4内，并与上压头3和内压环2接触；
步骤五、液压系统和加热系统就位
将挤压模具内壁用酒精及丙酮清理干净，并置于真空室内，真空室内设置四套液压系统和加热系统，四套液压系统分别对接上压头3、下压头7、内压环2与外压环1，加热系统位于挤压筒6的四周；
步骤六、坯料装载
在真空室内将预先准备好的钛合金管4和铝合金粉末5装入挤压筒6中；
步骤七、粉末及模具预加热
将模具及粉末加热到1050-1150℃，进行保温，保温时间按以下公式计算：
T保温时间＝L护环内腔直径+L护环壁厚×2×1.7min/mm 公式2
步骤八、铝合金粉末固化
待保温时间结束后，下压头7和外压环1保持不动，内压环2和上压头3同步向下运动，速度保持在17mm/s～20mm/s之间，直至压力达到200-400MPa；此时，内压环2停止运动，上压头3继续向下运动，速度保持在5mm/s～10mm/s之间，与此同时，上压头3作顺时针转动，速度保持在10rad/min～20rad/min，直至上压头3的下端面与下压头7的上端面平齐，即可获得粉末钛铝复合管坯料；
步骤九、粉末钛铝复合管的后处理
将上压头3、下压头7、内压环2与外压环1的位置调整至在钛合金管4和铝合金粉末5装载之前的状态，下压头7、向上运动，将粉末钛铝复合管向上推出并取出，冷却至室温后进行吹砂，并采用机械加工的方法去除表面污垢。

Claims (11)

1.一种钛铝复合管的制备方法，其特征在于：该方法是在挤压筒(6)内壁上紧密贴覆钛合金管(4)，再将铝合金粉末(5)置于钛合金管(4)内，挤压筒(6)的下端设置下压头(7)并与挤压筒(6)紧密配合以抵住钛合金管(4)及其内的铝合金粉末(5)，在挤压筒(6)的上端设置上压头(3)对钛合金管(4)内的铝合金粉末(5)进行挤压，上压头(3)与钛合金管(4)之间为过渡配合，上压头(3)在挤压行程中，上压头(3)作顺时针转动，在钛合金管(4)的内壁上形成一层铝合金材料层，当上压头(3)的下端面与下压头(7)的上端面平齐时，得到钛铝复合管。
2.根据权利要求1所述的钛铝复合管的制备方法，其特征在于：所需铝合金粉末(5)的称取重量按以下公式计算：
m装载＝m计算/0.8 公式1
式中：m装载为装载到模具中的铝合金粉末重量，m计算为根据构件的体积计算得到的铝合金粉末重量。
3.根据权利要求1所述的钛铝复合管的制备方法，其特征在于：挤压前，将铝合金粉末(5)及挤压筒(6)加热到1050-1150℃，进行保温并热透。
4.根据权利要求1所述的钛铝复合管的制备方法，其特征在于：上压头(3)对钛合金管(4)内的铝合金粉末(5)进行挤压的速度为17mm/s～20mm/s，当钛合金管(4)内的铝合金粉末(5)成型为铝合金锭后，上压头(3)对该铝合金锭继续进行挤压时的速度为5mm/s～10mm/s。
5.根据权利要求1或4所述的钛铝复合管的制备方法，其特征在于：上压头(3)在成型铝合金材料层的挤压行程中顺时针转动的旋转速度为10rad/min～20rad/min。
6.根据权利要求4所述的钛铝复合管的制备方法，其特征在于：在钛合金管(4)内成型为铝合金锭的压力应达到200-400MPa。
7.用于权利要求1所述钛铝复合管的制备方法的模具，其特征在于：该模具包括一个中空圆筒形的挤压筒(6)，在挤压筒(6)的下端设置有下压头(7)并与挤压筒(6)紧密配合，在挤压筒(6)的上端设置有用于压紧钛合金管(4)上端的外压环(1)并与挤压筒(6)过渡配合，外压环(1)的内径与钛合金管(4)的内径相同，在外压环(1)内设置内压环(2)并与外压环(1)过渡配合，在内压环(2)内设置上压头(3)并与内压环(2)过渡配合，上压头(3)能够绕轴线作顺时针旋转。
8.根据权利要求7所述的用于钛铝复合管的制备方法的模具，其特征在于：构成模具的组件均采用断裂强度超过2000MPa的钢材料制备成。
9.根据权利要求7所述的用于钛铝复合管的制备方法的模具，其特征在于：上压头(3)、下压头(7)、内压环(2)与外压环(1)的中心线同轴。
10.根据权利要求7所述的用于钛铝复合管的制备方法的模具，其特征在于：上压头(3)、下压头(7)、内压环(2)和外压环(1)在真空室内分别对接一套液压系统和加热系统配套，加热系统位于挤压筒(6)的外侧。
11.根据权利要求7所述的用于钛铝复合管的制备方法的模具，其特征在于：内压环(2)的下部与上压头(3)的下部以锥形面相互配合。
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