CN110479832B - 一种包覆型镁合金多层结构件成形与复合制备方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包覆型镁合金多层结构件成形与复合制备方法和装置，步骤为：对镁合金及其它合金板进行表面处理，交替叠放，装入凹模和料筒之间，并对料筒施加压边力；在料筒中填入适量固体颗粒作为传压介质；压机带动压头对固体颗粒介质施加一定压力，并将模具及坯料加热至一定温度；使多层板在固体颗粒介质传压作用下成形；保温保压一定时间使多层板间实现扩散连接，开模，获得其它金属包覆镁合金多层结构件。与先制备多层复合板，再对复合板成形的传统方法相比，该发明省去了复合板制备工序，可避免复合板成形层间开裂等问题，从而显著提高多层结构件质量和生产效率，并大幅度降低生产成本。

Description

一种包覆型镁合金多层结构件成形与复合制备方法和装置

技术领域

本发明一种包覆型镁合金多层结构件成形与复合制备方法和装置，属于复合板成型技术领域。

背景技术

镁及镁合金耐腐蚀性差是限制其广泛应用的主要因素之一。为改善其耐蚀性，可对其进行表面改性，常用的方法有化学转化膜法、阳极氧化、气相沉积、激光熔覆、热喷涂等。然而这些方法均需专门的设备，且工艺过程复杂，生产成本较高。相比之下，铝及铝合金等其他金属通常具有较好的耐蚀性及塑性成形性能，且表面可修复性、可修饰性好。因此，在镁合金制品表面包覆一层耐蚀性好的其它合金层，制成其它金属包覆镁合金构件，则可在保护镁合金基体的同时又能发挥其比强度和比刚度高、减震性能和电磁波屏蔽性能好等优点，并且不需要专门的表面改性设备和工艺过程。目前，对于其它金属包覆镁合金冲压件，通常的做法是，先通过各种方法制备出其它金属包覆镁合金复合板，然后再将复合板通过拉深、弯曲等冲压工艺深加工成冲压件。

近年来，复合板制备的常用方法有轧制复合法、扩散连接法、爆炸复合法等。轧制复合法是将两种表面洁净的金属板材交叠，通过轧机强大的作用力并配合热处理工艺使得板材结合界面处形成稳固连接。扩散连接法是将相互交叠的金属板材在高温、高压作用下保持一定时间，使原子间发生扩散从而形成牢固的扩散连接结合。爆炸复合法是一种特殊的焊接技术，是通过炸药爆炸产生的高压冲击波使金属运动发生碰撞产生变形而实现界面处的冶金结合。这三种方法都可以成功制得其它金属包覆镁合金复合板，但界面处都会有硬脆的金属间化合物生成，使得复合板在后续加工过程中成形性能下降，容易发生层间开裂。所以先制备复合板再成形零件的工艺过程，不仅工艺流程复杂，能源损耗大，生产效率低，生产成本高，且成形的多层结构件层界面开裂严重，零件质量不高。

如果使镁板和其它金属板叠在一起进行整体成形，同时又能实现原位复合，不但可以省去其它金属包覆镁合金复合板制备的前道工序，降低成本，提高效率，又可避免冲压成形造成的界面层破坏，从而最终获得结构连续、性能均匀、界面结合性能好，耐蚀性好的其它金属包覆镁合金构件。鉴于此，本发明提出采用“固体颗粒介质拉胀成形-扩散连接复合”新方法制备其它金属包覆镁合金构件。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种包覆型镁合金多层结构件成形与复合制备方法和装置，该方法和装置省去复合板制备的前道工序，降低成本，提高效率，同时避免复合板冲压成形造成的界面层破坏。

本发明通过以下技术方案实现：

一种包覆型镁合金多层结构件成形与复合制备方法，包括以下步骤：

步骤一、对镁合金及包覆合金板用剪板机或线切割机进行裁剪，镁合金及包覆合金板的厚度、尺寸和形状由所制备零件的壁厚、形状与尺寸决定，镁合金板厚度小于5mm、尺寸和形状不限，包覆合金板厚度小于镁合金板厚度，尺寸和形状同镁合金板；

步骤二、对裁剪好的镁合金及包覆合金板进行表面处理，去除裁剪好的镁合金与包覆合金板相互接触表面的氧化皮；以有利于板间的扩散连接复合。

步骤三、将镁合金及包覆合金板交替叠放，置于模具中，并对模具的料筒施加压边力P1；压边力P1的大小由零件的尺寸、形状以及板材的强度等因素决定，可通过查冲压手册进行确定。

步骤四、在料筒中填入适量固体颗粒作为传压介质；所述固体颗粒总体积为凹模内腔容积的1.5～2倍；

步骤五、为使板间空气排出，避免加热过程中氧化，使压机带动冲头对固体颗粒介质施加压力P2，使叠层板发生塑性变形，以冲头接触固体颗粒介质后下移位移进行衡量，位移量范围为5～10mm；

步骤六、将模具及坯料加热至成形温度T1，使多层板在固体颗粒介质传压作用下成形，得到成形零件；

步骤七、在连接温度T2和连接压力P3下，成形零件及固体颗粒介质在时间t内，使多层板间实现扩散连接；

步骤八、将所述模具打开，取件，完成合金板包覆镁合金的多层结构件制备。

优选的，所述包覆合金板包括铝合金板、钛合金板、钢板、镍合金板、铜合金板等中的一种或几种。

优选的，所述料筒具有容纳固体颗粒介质和充当压边圈的双重作用。

优选的，步骤四中所述固体颗粒介质为粒径小于3mm的石英砂或钢球。

优选的，压力P2大小以压紧叠层板，并使其发生适量变形而不破裂为宜。

优选的，步骤六中模具及坯料加热方式为管式电阻炉加热或感应加热，加热温度范围为：150℃～450℃。

优选的，多层板在固体颗粒介质传压作用下的成形方式为纯胀形或先拉深后胀形复合成形。

优选的，步骤七中成形件层间扩散连接温度T2范围为：350℃～450℃；连接压力P3范围为：10MPa～30MPa；保温保压的时间t范围为：30min～90min。

一种包覆型镁合金多层板复合制备所用装置，包括工作台、模具、加热炉和液压系统，

所述工作台上设置有加热炉，所述加热炉底部设置有模具垫板，所述加热炉内部设置有模具，模具设置于模具垫板上，所述模具包括分体的料筒和凹模，所属于料筒中空，所述凹模中部与料筒中空部相对应设置有凹腔；

所述液压系统包括压头、液压缸、液压机机架、液压泵站和控制台，所述液压机架设置于工作台上，所述液压机架上部穿设有液压机滑块，顶部设置有液压机上横梁，所述液压机上横梁中部设置有液压缸，所述液压缸底部连接液压机滑块，所述液压机滑块底部设置有压头垫板和压头固定板，所述压头固定板底部设置压头，所述压头活动设置于料筒的中空部内，所述压头形状与料筒中空部相匹配；

所述液压缸连接有液压泵站，所述液压泵站通过控制台控制。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明先将镁合金与包覆金属板叠加，在一定温度范围内采用固体颗粒介质拉胀成形，待叠层板充分贴模后，继续高温保压一定时间，使叠层板在高温高压作用下实现扩散连接，通过控制成形及连接温度、时间和压力最终获得结构连续、层界面强度高、耐腐蚀性好的其它金属包覆镁合金构件。本发明省去复合板制备的前道工序，降低成本，提高效率，同时避免复合板冲压成形造成的界面层破坏。

（1）适用范围广。本发明的一种其它金属包覆镁合金多层结构件固体颗粒介质拉胀成形与复合一体化方法，不同板间的结合方式为机械结合和扩散连接结合，因此该发明可实现铝合金、钛合金、铜合金等多种合金板材的一种或几种与镁合金板材的复合。

（2）低成本、高效率。目前，其它金属包覆镁合金多层结构件的传统做法是，先采用轧制、热压等方法制备其它金属包覆镁合金复合板，在对复合板进行冲压成形制备多层结构件。而本发明的一种其它金属包覆镁合金多层结构件固体颗粒介质拉胀成形与复合一体化方法，直接将其它合金板与镁合金板进行叠加成形和扩散连接复合，即实现了多层板成形与复合一体化，省去了复合板制备的前道工序，可大幅度降低成本，提高效率。

（3）层界面结合良好。本发明的一种其它金属包覆镁合金多层结构件固体颗粒介质拉胀成形与复合一体化方法，是在多层板成形后再进行复合，可避免传统的复合板成形过程中由于变形导致的层间开裂问题，因此可实现多层板间良好的层界面结合。

（4）模具成本低，可成形复杂内腔。本发明的一种其它金属包覆镁合金多层结构件固体颗粒介质拉胀成形与复合一体化方法，采用固体颗粒作为成形介质，对凸模形状及精度要求不高，且凸模的通用性强，从而可降低模具加工成本。同单纯拉深成形相比，流体介质成形可成形具有复杂内腔构件。

附图说明

图1为本发明方法中所用固体颗粒介质成形装置示意图。

图2为本发明叠层板交替叠放示意图。

图3为本发明成形模具和板坯初始状态剖视图。

图4为本发明成形模具和叠层板成形终了状态剖视图。

图中：1为液压缸，2为液压机上横梁，3为液压机滑块，4为液压机机架，5为加热炉，6为工作台，7为底座，8为压头垫板，9为压头固定板，10为模具垫板，11为液压泵站，12为控制台，13为其它合金板材，14为镁合金板材，15为压头，16为料筒，17为凹模，18为固体颗粒介质，19为叠层板板坯，20为凹腔。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明，但是本发明的保护范围并不限于这些实施例，凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。

一种包覆型镁合金多层结构件成形与复合制备方法，包括以下步骤：

步骤一、对镁合金及包覆合金板用剪板机或线切割机进行裁剪，镁合金及包覆合金板的厚度、尺寸和形状由所制备零件的壁厚、形状与尺寸决定，镁合金板厚度一般小于5mm、尺寸和形状不限，包覆合金板厚度小于镁合金板厚度，尺寸和形状同镁合金板；

所述包覆合金板包括铝合金板、钛合金板、钢板、镍合金板、铜合金板等中的一种或几种。

步骤二、对裁剪好的镁合金及包覆合金板进行表面处理，去除裁剪好的镁合金与包覆合金板相互接触表面的氧化皮；所述对镁合金及包覆合金板进行表面处理，方法为：采用电动钢丝刷或喷丸方法将合金板表层氧化皮去除至新鲜基体完全漏出。以有利于板间的扩散连接。另外，对各层板电动钢刷或喷丸处理后的表面粗糙度不做要求，因为较大的粗糙度更有利于板件的机械及冶金结合。

步骤三、将镁合金及包覆合金板交替叠放，置于模具中，并对模具的料筒施加一定压边力P1；压边力P1的大小由零件的尺寸、形状以及板材的强度等因素决定，可通过查冲压手册进行确定。

镁合金及包覆合金板交替叠放顺序为镁合金板在中间，其它合金板置于镁合金板的上侧和下侧。叠层板与模具接触的上下表面涂一层阻焊剂以防止模具与成形件粘连，不易脱模。

步骤四、在料筒中填入适量固体颗粒作为传压介质；

填入的固体颗粒的量为：所述固体颗粒总体积为凹模内腔容积的1.5～2倍；所述固体颗粒介质为粒径小于3mm的石英砂或钢球。

所述料筒具有容纳固体颗粒介质和充当压边圈的双重作用。

步骤五、为使板间空气排出，避免加热过程中氧化，使压机带动冲头对固体颗粒介质施加一定压力P2；在加热之前，先使压机带动压头对固体颗粒介质施加压力，压力P2大小以压紧叠层板，并使其发生适量变形而不破裂为宜。以冲头接触固体颗粒介质后下移位移进行衡量，位移量范围为5～10mm；目的是挤出层间空气，避免氧化严重。

步骤六、将模具及坯料加热至成形温度T1，使多层板在固体颗粒介质传压作用下成形，得到成形零件；模具及坯料加热方式为管式电阻炉加热或感应加热，感应加热圈由薄壁紫铜管绕制而成，加热温度范围为：150℃～450℃。多层板在固体颗粒介质传压作用下的成形方式为纯胀形或先拉深后胀形复合成形。

步骤七、在连接温度T2和连接压力P3下，成形零件及固体颗粒介质在时间t内，使多层板间实现扩散连接；步骤七中成形件层间扩散连接温度T2范围为：350℃～450℃；连接压力P3范围为：10MPa～30MPa；保温保压的时间t范围为：30min～90min。

步骤八、将所述模具打开，取件，完成合金板包覆镁合金的多层结构件制备。

一种包覆型镁合金多层板复合制备所用装置，包括工作台、模具、加热炉和液压系统，

所述工作台上设置有加热炉，所述加热炉底部设置有模具垫板，所述加热炉内部设置有模具，模具设置于模具垫板上，所述模具包括分体的料筒和凹模，所属于料筒中空，所述凹模中部与料筒中空部相对应设置有凹腔；

所述液压系统包括压头、液压缸、液压机机架、液压泵站和控制台，所述液压机架设置于工作台上，所述液压机架上部穿设有液压机滑块，顶部设置有液压机上横梁，所述液压机上横梁中部设置有液压缸，所述液压缸底部连接液压机滑块，所述液压机滑块底部设置有压头垫板和压头固定板，所述压头固定板底部设置压头，所述压头活动设置于料筒的中空部内，所述压头形状与料筒中空部相匹配；

所述液压缸连接有液压泵站，所述液压泵站通过控制台（YKT-56型）控制。

所述加热炉为管式电阻炉或感应加热炉。

实施例1

结合图1至图4说明本实施例，本实施例铝包镁盒形件固体颗粒介质拉胀成形与复合一体化方法，包括以下步骤：

步骤一、根据成形构件几何尺寸和性能要求，选取的镁合金板材为AZ31，厚度为2mm，为提高构件耐蚀性，包覆用板材为防锈铝合金5052板材，厚度为0.5mm板材尺寸由构件几何尺寸确定。

步骤二、采用电动钢丝刷去除裁剪好的AZ31及5052板材相互接触的表面氧化皮，使新鲜基体露出表面，以促进二者扩散结合；

步骤三、将AZ31板至于中间，5052板至于AZ31板上侧和下侧进行叠放，置于凹模和料筒之间，如图2所示，叠层板与模具接触的上下表面涂一层氮化硼阻焊剂，压头和凹模内腔也涂一层氮化硼阻焊剂，以防止模具与成形件粘连不易脱模，并起到润滑的作用，使材料易于流动充模，然后凭借料筒自重实现叠层板压边；

步骤四、因成形温度较低，在料筒中填入适量粒度小于1mm的石英砂作为传压介质；

步骤五、使压机带动压头对石英砂介质施加一定压力，使5052/AZ31/5052叠层板发生一定变形但不破裂为宜，以将板间空气挤出，避免加热过程中氧化，影响板间扩散结合；

步骤六、将模具及坯料加热至300℃，使多层板在石英砂颗粒介质传压作用下成形,如图4所示；

步骤七、零件成形贴膜后，将模具及坯料加热至400℃，使成形零件在20MPa压力下保持1h，使多层板间实现扩散连接；

步骤八、将步骤三中所述模具打开，取件，完成铝包镁合金多层结构件制备。

实施例2

一种包覆型镁合金多层结构件成形与复合制备方法，包括以下步骤：

步骤一、根据成形构件几何尺寸和性能要求，选取的镁合金板材为AZ31，厚度为5mm，为提高构件耐蚀性，包覆用板材为钛合金板，厚度为1mm板材尺寸由构件几何尺寸确定。

步骤二、采用电动钢丝刷去除裁剪好的镁合金和钛合金板材相互接触的表面氧化皮，使新鲜基体露出表面，以促进二者扩散结合；

步骤三、将镁合金板至于中间，钛合金板至于镁合金板上侧和下侧进行叠放，置于凹模和料筒之间，叠层板与模具接触的上下表面涂一层氮化硼阻焊剂，压头和凹模内腔也涂一层氮化硼阻焊剂，以防止模具与成形件粘连不易脱模，并起到润滑的作用，使材料易于流动充模，然后凭借料筒自重实现叠层板压边；

步骤四、因成形温度较低，在料筒中填入凹模内腔容积的1.7倍的钢球作为传压介质，所述钢球粒度小于1mm；

步骤五、使压机带动压头对石英砂介质施加一定压力，使三层叠板发生一定变形但不破裂为宜，以将板间空气挤出，避免加热过程中氧化，影响板间扩散结合；

步骤六、将模具及坯料加热至450℃，使多层板在钢球颗粒介质传压作用下成形；

步骤七、零件成形贴膜后，将模具及坯料加热至450℃，使成形零件在30MPa压力下保持30min，使多层板间实现扩散连接；

步骤八、将步骤三中所述模具打开，取件，完成铝包镁合金多层结构件制备。

实施例3

一种包覆型镁合金多层结构件成形与复合制备方法，包括以下步骤：

步骤一、根据成形构件几何尺寸和性能要求，选取的镁合金板材厚度为1mm，为提高构件耐蚀性，包覆用板材为镍合金板，厚度为0.2mm板材尺寸由构件几何尺寸确定。

步骤二、采用电动钢丝刷去除裁剪好的镁合金和镍合金板材相互接触的表面氧化皮，使新鲜基体露出表面，以促进二者扩散结合；

步骤三、将镁合金板至于中间，镍合金板至于镁合金板上侧和下侧进行叠放，置于凹模和料筒之间，叠层板与模具接触的上下表面涂一层氮化硼阻焊剂，压头和凹模内腔也涂一层氮化硼阻焊剂，以防止模具与成形件粘连不易脱模，并起到润滑的作用，使材料易于流动充模，然后凭借料筒自重实现叠层板压边；

步骤四、因成形温度较低，在料筒中填入凹模内腔容积的2倍的石英砂作为传压介质，所述石英砂粒度小于1mm；

步骤五、使压机带动压头对石英砂介质施加一定压力，压头位移量5mm，使叠层板发生一定变形但不破裂，以将板间空气挤出，避免加热过程中氧化，影响板间扩散结合；

步骤六、将模具及坯料加热至150℃，使多层板在石英砂颗粒介质传压作用下成形,如图4所示；

步骤七、零件成形贴膜后，将模具及坯料加热至350℃，使成形零件在10MPa压力下保持90min，使多层板间实现扩散连接；

步骤八、将步骤三中所述模具打开，取件，完成铝包镁合金多层结构件制备。

实施例4

一种包覆型镁合金多层结构件成形与复合制备方法，包括以下步骤：

步骤一、根据成形构件几何尺寸和性能要求，选取的镁合金板材厚度为4mm，为提高构件耐蚀性，包覆用板材为不锈钢板，厚度为2mm板材尺寸由构件几何尺寸确定。

步骤二、采用电动钢丝刷去除裁剪好的镁合金和不锈钢板板材相互接触的表面氧化皮，使新鲜基体露出表面，以促进二者扩散结合；

步骤三、将镁合金板至于中间，不锈钢板至于镁合金板上侧和下侧进行叠放，置于凹模和料筒之间，叠层板与模具接触的上下表面涂一层氮化硼阻焊剂，压头和凹模内腔也涂一层氮化硼阻焊剂，以防止模具与成形件粘连不易脱模，并起到润滑的作用，使材料易于流动充模，然后凭借料筒自重实现叠层板压边；

步骤四、因成形温度较低，在料筒中填入凹模内腔容积的1.5倍的钢球作为传压介质，所述钢球粒度小于3mm；

步骤五、使压机带动压头对石英砂介质施加一定压力，压头位移量10mm，使叠层板发生一定变形但不破裂，以将板间空气挤出，避免加热过程中氧化，影响板间扩散结合；

步骤六、将模具及坯料加热至450℃，使多层板在石英砂颗粒介质传压作用下成形,如图4所示；

步骤七、零件成形贴膜后，将模具及坯料加热至400℃，使成形零件在20MPa压力下保持70min，使多层板间实现扩散连接；

步骤八、将步骤三中所述模具打开，取件，完成铝包镁合金多层结构件制备。

一种包覆型镁合金多层板复合制备所用装置，包括工作台、模具、加热炉和液压系统，

所述工作台上设置有加热炉，所述加热炉底部设置有模具垫板，所述加热炉内部设置有模具，模具设置于模具垫板上，所述模具包括分体的料筒和凹模，所属于料筒中空，所述凹模中部与料筒中空部相对应设置有凹腔；

所述液压系统包括压头、液压缸、液压机机架、液压泵站和控制台，所述液压机架设置于工作台上，所述液压机架上部穿设有液压机滑块，顶部设置有液压机上横梁，所述液压机上横梁中部设置有液压缸，所述液压缸底部连接液压机滑块，所述液压机滑块底部设置有压头垫板和压头固定板，所述压头固定板底部设置压头，所述压头活动设置于料筒的中空部内，所述压头形状与料筒中空部相匹配；

所述液压缸连接有液压泵站，所述液压泵站通过控制台（YKT-56型）控制。

所述加热炉为管式电阻炉或感应加热炉。

本发明不会限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽范围。

Claims (4)

1.一种包覆型镁合金多层结构件成形与复合制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、对镁合金及包覆合金板用剪板机或线切割机进行裁剪，镁合金及包覆合金板的厚度、尺寸和形状由所制备零件的壁厚、形状与尺寸决定，镁合金板厚度小于5mm、尺寸和形状不限，包覆合金板厚度小于镁合金板厚度，尺寸和形状同镁合金板；

步骤二、对裁剪好的镁合金及包覆合金板进行表面处理，去除裁剪好的镁合金与包覆合金板相互接触表面的氧化皮；

步骤三、将镁合金及包覆合金板交替叠放，得到多层板，置于模具中，并对模具的料筒施加压边力P1；

步骤四、在料筒中填入适量固体颗粒作为传压介质；所述固体颗粒总体积为凹模内腔容积的1.5～2倍；所述固体颗粒介质为粒径小于3mm的石英砂或钢球；

所述料筒具有容纳固体颗粒介质和充当压边圈的双重作用；

步骤五、对固体颗粒介质施加压力P2，使多层板发生塑性变形，以冲头接触固体颗粒介质后下移位移进行衡量，位移量范围为5～10mm；

步骤六、将模具及多层板加热至成形温度T1，使多层板在固体颗粒介质传压作用下成形，得到成形零件；加热温度范围为：150℃～450℃；所述多层板在固体颗粒介质传压作用下的成形方式为纯胀形或先拉深后胀形复合成形；

步骤七、在连接温度T2和连接压力P3下，成形零件及固体颗粒介质在时间t内，使多层板间实现扩散连接；所述成形零件层间扩散的连接温度T2范围为：350℃～450℃；连接压力P3范围为：10MPa～30MPa；保温保压的时间t范围为：30min～90min；

步骤八、将所述模具打开，取件，完成包覆型镁合金多层结构件制备。

2.根据权利要求1所述的一种包覆型镁合金多层结构件成形与复合制备方法，其特征在于，所述包覆合金板包括铝合金板、钛合金板、钢板、镍合金板、铜合金板中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的一种包覆型镁合金多层结构件成形与复合制备方法，其特征在于，所述压力P2大小以压紧多层板，并使其发生适量变形而不破裂。

4.根据权利要求1所述的一种包覆型镁合金多层结构件成形与复合制备方法，其特征在于，所述步骤六中模具及多层板加热方式为管式电阻炉加热或感应加热。

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