CN112643300A - 一种金属固固复合增材制坯用热力耦合方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金属固固复合增材制坯用热力耦合方法，属于金属锻造技术领域。方法包括：S1、制坯：将多个表面清洁的金属坯料堆垛成型，得到预制坯；S2、焊接：对所述预制坯进行焊接得到复合坯；S3、锻造：对所述复合坯加热至第一温度并保温，到温后，以变形速度V₁、变形量D₁进行第一次热压锻造，之后加热至第二温度并保温，到温后，以变形速度V₂、变形量D₂进行第二次热压锻造，再以变形速度V₃、变形量D₃进行第三次热压锻造，得到一体化复合坯；其中，1％＜D₁＜5％，D₂≥35％，D₁+D₂+D₃≥50％，且V₂＞V₃＞V₁。本发明通过三阶段热力耦合工艺相互配合，有效实现了弥散氧化物、复合坯性能的均匀化、成分的均质化的效果，制备得到的一体化复合坯力学性能好、疲劳寿命长。

Description

一种金属固固复合增材制坯用热力耦合方法

技术领域

本发明涉及金属锻造技术领域，特别涉及一种金属固固复合增材制坯用热力耦合方法。

背景技术

航空航天、兵器装备、船舶等现代工业高端装备正向着大型化、数字化、极端恶劣条件下寿命与可靠性增长的目标快速发展，致使其镍基合金、不锈钢、钛合金等关键金属部件尺寸愈来愈大、结构日益复杂、性能要求不断提高，对制造技术也提出了更高的要求。目前，国内的大尺寸金属锻件多采用增材制坯后再进行机械加工获得最终产品。

增材制坯是指采用多块体积更小的金属坯料作为构筑基元经堆垛后真空封焊，制成大尺寸金属复合坯的增材制造方法，之后复合坯经热压复合而形成一体化复合坯，从而替代大型铸锭，以实现用较小的铸坯、锻坯或轧坯等金属坯料制造大型金属锻件的目的。该增材制坯技术可以替代传统的“大型铸锭生产大型金属锻件”的生产模式，解决大型金属锻件缩松、缩孔、偏析等质量问题，具有明显的优越性，生产的大型金属锻件可与电渣产品相媲美。同时，该增材制坯技术也可用于异种材质复合坯的增材制造，应用范围更广。

由于生产的大型金属锻件的初始金属坯料通常需要尺寸较大，采用增材制坯技术制备的一体化复合坯常常面临着厚截面组织和性能不均匀的问题，目前有企业采用两道次镦粗变形使初始金属坯料的界面组织破碎、细化，保证大型金属锻件的常规拉伸、冲击、剪切等性能均呈现良好状态，且组织分布均匀、无偏析。现有技术中的第一道次变形量一般采用镦粗大变形工艺，但是由于金属坯料的芯部温度大于边部温度，边部为难变形区，边部的界面难变形，将导致复合坯结合界面的组织混晶不均匀、质量一致性差、复合坯开裂等问题。此外，第一道次变形量大时不利于结合界面的元素扩散连接，不利于消除界面氧化膜，尽管界面氧化膜可以通过大变形而破裂，通过扩散而迁移和分解，但最终还是以B类夹杂物存在于结合界面附近，此类夹杂物脆性大，对坯料的疲劳性能会产生不同的影响。因此，对于增材制坯技术制备的一体化复合坯，迫切需要有效消除或控制结合界面氧化物，提高坯料的均匀化、均质化，以提高其疲劳性能。

发明内容

针对以上现有技术中的问题，本发明提供了一种金属固固复合增材制坯用热力耦合方法。

为实现上述目的，本发明具体通过以下技术实现：

一种金属固固复合增材制坯用热力耦合方法，包括以下步骤：

S1、制坯：将多个表面清洁的金属坯料堆垛成型，得到预制坯；

S2、焊接：对所述预制坯进行焊接以使多个所述金属坯料之间的结合界面焊合，得到复合坯；

S3、锻造：对所述复合坯加热至第一温度并保温，到温后，以变形速度V₁、变形量D₁进行第一次热压锻造，得到第一锻坯，之后将所述第一锻坯加热至第二温度并保温，到温后，以变形速度V₂、变形量D₂进行第二次热压锻造，得到第二锻坯，再将所述第二锻坯以变形速度V₃、变形量D₃进行第三次热压锻造，得到一体化复合坯；

其中，1％＜D₁＜5％，D₂≥35％，且D₁+D₂+D₃≥50％；

V₁、V₂和V₃的大小关系为：V₂＞V₃＞V₁。

进一步地，步骤S3中，所述变形速度V₁为1mm/s≤V₁＜5mm/s，所述变形速度V₂为10mm/s≤V₂≤60mm/s，所述变形速度V₃为5mm/s≤V3＜10mm/s。

进一步地，步骤S3中，所述第一温度和所述第二温度大于或等于0.7Tm，Tm为熔点温度，单位为℃。

进一步地，步骤S3中，当所述第二锻坯的表面温度低于0.6Tm时，将所述第二锻坯回炉加热至温度大于或等于0.7Tm并在该温度下保温1h以上，再进行所述第三次热压锻造。

进一步地，步骤S3中，加热至所述第一温度采用两阶段升温工艺，所述两阶段升温工艺为：从室温以第一升温速率升温至奥氏体转变温度，从奥氏体转变温度以第二升温速率升温至第一温度，其中，所述第一升温速率大于所述第二升温速率。

进一步地，所述第一升温速率为200-300℃/h，所述第二升温速率为100-200℃/h。

进一步地，步骤S3中，当所述第三次热压锻造完成后，对所述一体化复合坯进行保压处理，所述保压时间大于10min。

进一步地，步骤S3中，当所述复合坯的四周表面与模具内壁接触面积大于90％，结束所述第三次热压锻造。

进一步地，步骤S1中，所述金属坯料的质量大于或等于20吨、高度大于或等于300mm。

进一步地，步骤S2中，所述焊接的方式采用真空电子束焊接，所述真空电子束焊接的参数为：加速电压：大于50KV，束流：大于200mA，聚焦电流：大于500mA，功率：大于10KW，焊接速率：50mm/s＜V＜300mm/s。

本发明的有益效果：

本发明采用三阶段热力耦合工艺，第一阶段利用金属坯料整体尚未热透、其内外部存在温差的特性，先进行低速率小变形量的热压锻造，使金属坯料的边部率先变形，解决边部界面难变形的问题，而且在预变形过程中，可将界面处氧化膜提前破碎，以在界面处形成变形储能。之后在第二阶段采用快速率大变形热压加工进行大塑性变形处理，使铸态组织被充分破碎和再结晶，以改善复合坯的组织性能和成形质量，同时大塑性变形可以充分破碎、弥散界面氧化物，进而促进相邻金属坯料的界面结合。最后，第三阶段采用慢速率闭式热压加工进行终变形处理，改善零件内部的残余应力分布，提高变形均匀化程度，促进界面结合、氧化物弥散消失的均匀性。上述三阶段热力耦合工艺相互配合，有效实现了弥散氧化物、复合坯性能的均匀化、成分的均质化的效果，制备得到的一体化复合坯力学性能好、疲劳寿命长，可用于制备航空航天、兵器装备、船舶等现代工业高端装备的关键零部件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1的实验组的冲击断口断裂图及断裂位置示意图，其中，图a为冲击断口断裂位置组合图，图b为断口断裂位置示意图；

图2为实施例1的对照组的冲击断口断裂图及断裂位置示意图，其中，图a为冲击断口断裂位置组合图，图b为断口断裂位置示意图；

图3为实施例1的实验组的拉伸断口断裂图，其中，图a为拉伸断口低倍宏观形貌图，图b为拉伸断口心部高倍微观形貌图；

图4为实施例1的对照组的拉伸断口断裂图，其中，图a为拉伸断口低倍宏观形貌图，图b为拉伸断口心部高倍微观形貌图；

图5为实施例1的实验组的结合界面微观形貌图；

图6为实施例1的对照组的结合界面微观形貌图；

图7为实施例2的实验组的对角线截面取点图；

图8为实施例2的对照组的对角线截面取点图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，术语“包括”、“含有”、“具有”的含义是非限制性的，即可加入不影响结果的其它步骤和其它成分。如无特殊说明的，材料、设备、试剂均为市售。

为了更好地理解本发明而不是限制本发明的范围，在本发明中所用的表示速度、变形量、温度的所有数字、以及其他数值，在所有情况下都应理解为以词语“大约”所修饰。因此，除非特别说明，否则在说明书和权利要求书中所列出的数字参数都是近似值，其可能会根据试图获得的理想性质的不同而加以改变。各个数字参数至少应被看作是根据所报告的有效数字和通过常规的四舍五入方法而获得的。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。

本发明提供一种金属固固复合增材制坯用热力耦合方法，包括以下步骤：

S1、制坯：将多个表面清洁的金属坯料堆垛成型，得到预制坯；

S2、焊接：对预制坯进行焊接以使多个金属坯料之间的结合界面焊合，继而将预制坯制备成复合坯；

S3、锻造：对所述复合坯加热至第一温度并保温，到温后，以变形速度V₁、变形量D₁进行第一次热压锻造，得到第一锻坯，之后将所述第一锻坯加热至第二温度并保温，到温后，以变形速度V₂、变形量D₂进行第二次热压锻造，得到第二锻坯，再将所述第二锻坯以变形速度V₃、变形量D₃进行第三次热压锻造，得到第三锻坯，即为一体化复合坯；

其中，1％＜D₁＜5％，D₂≥35％，且D₁+D₂+D₃≥50％；

V₁、V₂和V₃的大小关系为：V₂＞V₃＞V₁。

首先，采用低速率小变形量进行第一阶段预变形处理(即第一次热压锻造)，由于坯料较大，经过加热炉后，坯料整体尚未热透，按照金属坯料加热时的传热规律，金属坯料的外部温度将率先达到预定保温温度，而心部尚未达到预定保温温度，利用这种温差和此时坯料的刚度，先对金属坯料进行预变形处理，则金属坯料的边部相较于心部先开始变形，有效解决了现有工艺中的边部难变形区的界面难变形的技术难题，减少了边部未熔合、混晶不均匀等缺陷，对金属坯料整体的均匀化具有很好的效果。同时，给予一定的预变形，减少了第二阶段快速率大变形(即第二次热压锻造)的变形量，不至于因金属坯料的边部和心部变形量差异过大而引起断裂，而且在预变形过程中，可将界面处氧化膜提前破碎，并使氧化膜两侧新鲜金属提前获得接触和机械混合，以在界面处形成变形储能，促进元素扩散，为第二阶段坯料热透时元素的充分扩散及氧化物的消融与弥散提供良好基础。

然后，采用快速率大变形热压加工进行第二阶段的大塑性变形处理(即第二次热压锻造)，第一锻件经回炉保温热透后，金属流动性高，受挤压产生大塑性变形，由于变形程度大和锻件温度高，铸态组织被破碎和再结晶充分，从而形成细小晶粒的锻态组织，消除金属坯料残存的气孔、未熔合等缺陷，显著改善复合坯的组织性能和成形质量，同时大塑性变形可以充分破碎、弥散界面氧化物，使界面两侧新鲜金属形成更充分接触和机械混合，进而促进相邻金属坯料的界面结合。

最后，采用慢速率闭式热压加工进行第三阶段的终变形处理(即第三次热压锻造)，即金属坯料接触模具内壁后启动此工序，降低变形速率和变形量，改善零件内部的残余应力分布，并且通过第三阶段后续的保压措施，有效提高金属坯料边部的难变形区的变形量，提高整体坯料的变形均匀化程度，促进界面结合、氧化物弥散消失的均匀性。

在“第一阶段预变形处理+第二阶段快速率大变形热压加工+第三阶段慢速率闭式热压加工”的三阶段热力耦合工艺下，可以有效碎化、消除结合界面处氧化物，促进界面元素扩散，增强界面结合，达到弥散氧化物、复合坯性能的均匀化、成分的均质化的效果，提高复合坯的抗压强度、疲劳寿命和可靠性等性能。

热压锻造即为镦粗过程，镦粗过程中需要严格控制镦粗速度，防止由于镦粗过快产生表面质量问题及导致锻造时大量机械能短时间内转化为内部热量引起锻件中心部分急剧升温、造成局部过热，甚至过烧的问题，但同时镦粗速度不应太低，以影响锻件的再结晶。较合适的变形速率可以保证变形过程中锻件能够充分发生回复、再结晶，提高锻件变形塑性，而且较合适的变形速率有利于结合界面氧化膜破碎及新鲜金属的扩散结合，从而达到消除结合界面氧化物的目的。优选地，步骤S3中，所述变形速度V₁为1mm/s≤V₁＜5mm/s。优选地，步骤S3中，所述变形速度V₂为10mm/s≤V₂≤60mm/s。优选地，步骤S3中，所述变形速度V₃为5mm/s≤V3＜10mm/s。

优选地，步骤S3中，所述第一温度大于或等于0.7Tm，Tm为熔点温度，单位为℃。将锻造前将金属坯料加热至该温度条件下，金属坯料较软，具有良好的可锻造性，易于变形加工，锻造时不易出现裂纹。

优选地，步骤S3中，所述第二温度大于或等于0.7Tm。在第一次热压锻造后，实施锻间加热和保温，保证第一锻件整体热透，以能够顺利地进行第二阶段的大塑性变形处理。同时，通过高温扩散促进第一次镦粗变形时微观上仍存在的显微孔洞愈合。为保证第一锻件出炉温度≥0.7Tm，出炉后，可随即加盖保温罩。所述保温罩为上端封闭、下端开口的倒桶状结构，所述保温罩的顶部由金属圆环卡箍固定，所述保温罩的筒壁由耐热材料制成，且所述保温罩的筒体内径大于复合坯的外径，在所述保温罩的顶部设有吊耳，所述吊耳可固定在吊车卡具上。加盖所述保温罩的金属坯料由吊车热送，及时转运至压机锻压工位，以减少热量散失。必要时，所述保温罩不移除，可随复合坯一起变形，直至复合坯达到规定尺寸后再移除。

优选地，步骤S3中，当所述第二锻坯的表面温度低于0.6Tm时，将所述第二锻坯回炉加热至温度≥0.7Tm并在该温度下保温1h以上，再进行所述第三次热压锻造。对第二锻坯进行高温加热并保温一段时间，以提高复合坯的难变形区温度，增加复合坯的金属流动性，使其一直保持较好的可锻造性，减少锻造裂纹的产生。

优选地，在所述第一温度的保温时间小于在所述第二温度保温时间。可以理解的是，上述具体保温时间依据金属坯料尺寸而定。当金属坯料尺寸较小，可以适当的减少保温时间，如为10-60min，当金属坯料尺寸较大，则应当适当的延长保温时间，如≥1h，以保证金属坯料的温度适于进行热压锻造。

优选地，步骤S3中，加热至所述第一温度采用两阶段升温工艺，所述两阶段升温工艺为：从室温以第一升温速率升温至奥氏体转变温度(AC3温度)，从AC3温度以第二升温速率升温至第一温度，其中，第一升温速率＞第二升温速率。

具体地，所述第一升温速率为200-300℃/h，目的是使坯料快速加热，节省加热时间；所述第二升温速率为100-200℃/h，目的是减少前段快速加热坯料的内外温差易造成试料开裂、弯曲等问题，使坯料温度均匀化。

优选地，步骤S3中，当第三次热压锻造完成后，对所述一体化复合坯进行保压处理，所述保压时间＞10min，保压期间不再变形，起到稳定锻态组织、细化晶粒和充分消除残余内应力的目的，提高一体化复合坯的内部质量和界面结合强度。

具体地，步骤S3中，复合坯的四周表面与模具内壁接触面积大于90％，认定为复合坯达到所需变形量，结束第三次热压锻造。

优选地，步骤S1中，所述金属坯料的质量≥20吨、高度≥300mm。采用大的金属坯料，由于金属坯料变厚，在后续热压锻造时，复合坯的结合界面不落在难变形区中，有效保障界面结合，减少界面开裂风险。而且，大大提高焊接效率，减少焊缝数量，无需“引弧试块、熄弧试块”，因无直角缝，无焊缝“缺肉”现象。需要注意的是，由于金属坯料重量较大，采用热压锻造所需压力较大，需要匹配超大压机。

优选地，步骤S1中，所述表面清洁的金属坯料的制备方法为：对所用的初始坯料进行表面打磨加工，所述表面打磨加工的方式可采用铣床、车床、磨床、砂带、砂轮、钢丝等打磨方式，之后采用有机溶剂对初始坯料表面进行清洗，得到所述表面清洁的金属坯料。通过打磨，一方面，将初始坯料表面的锈层和氧化层去除，保证结合表面粗糙度≤3.2μm，提高表面光洁度有利于后续表面的油污去除；另一方面，保障坯料待焊接上下表面的平行度与坯料棱边的垂直度，有效保障焊接时的电子束焊枪移动时焊接位置的准确性。打磨之后采用酒精、丙酮等有机溶剂对初始坯料结合表面进行清洗，以便除油除污，并吹干，得到表面清洁的金属坯料，以提高金属坯件的质量与性能，减少后续金属坯料镦粗时断裂或产生裂纹。表面清洁后金属坯料的放置时间不宜过长。

优选地，步骤S2中，所述焊接的方式采用真空电子束焊接、感应加热、搅拌摩擦焊中的一种，在真空条件(真空度≤0.1Pa)下进行密封焊接，焊缝熔深≥15mm，焊接部位经检测无漏气点，获得复合坯。对于真空电子束焊接，为保障焊缝质量，要求如下参数：加速电压：＞50KV，束流：＞200mA，聚焦电流：＞500mA，功率：＞10KW，焊接速率：50mm/s＜V＜300mm/s。通过以上参数，可有效保障真空电子束焊接后，焊缝无缺肉、无漏焊，有效保障焊缝熔深及焊缝的均匀性。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照制造厂商所建议的条件。

实施例1

一种金属固固复合增材制坯用热力耦合方法，包括以下步骤：

S1、制坯：采用材质为Q345R的初始坯料，单块初始坯料尺寸为：

采用铣床和车床打磨加工，将初始坯料表面(包括上下的结合界面和侧面的柱体表面)上的锈层和氧化层去除，并保障初始坯料待焊接的上下表面的平行度与金属坯料柱体的垂直度和表面粗糙度为1.6μm，之后采用酒精或丙酮对初始坯料表面进行清洗，去除表面油污，并吹干，得到表面清洁的金属坯料，接着将3块表面清洁的金属坯料垂直堆垛，并用卡具固定，到预制坯；

S2、焊接：将预制坯固定在真空电子束焊接工作台面上，移入真空室，并抽真空，待真空室真空度≤0.1Pa后，准备正式焊接，正式焊接时，焊接真空度维持在7.0×10^-3-9.0×10^-3Pa，焊接的速电压65kV，束流210mA，聚焦电流550mA，焊缝深度约15mm，组焊完毕得到复合坯；

将复合坯分为2组，分别进行如下处理：

实验组：

S3、锻造：采用液压机进行热压加工，将复合坯置于电阻炉中采用两阶段升温工艺加热至1230℃，第一阶段：从室温以200℃/h快速升温至750℃，第二阶段：从750℃以120℃/h慢速升温至1230℃，达到1230℃时保温30min(由于坯料尺寸较小，不能按照大规格坯料的＞1h的要求进行保温，故缩短一段工序中的保温时间)，将保温后的复合坯移送至压机，以变形速度3mm/s、变形量3.4％进行下压，下压约20mm，进行第一次热压锻造，得到第一锻坯，之后将第一锻坯回炉加热至1230℃并保温6h，待第一锻坯热透后用保温罩将其热送至压机中，以变形速度50mm/s、变形量35.8％进行下压，下压约215mm，进行第二次热压锻造，得到第二锻坯，移出保温罩，经表面测温，第二锻坯的表面温度为1135℃，继续进行下压变形工序，无需回炉加热和保温，以变形速度6mm/s、变形量10.8％进行下压，下压约65mm，最后保压约15min，不再变形，得到一体化复合坯。

对照组：

S3、锻造：采用液压机进行热压加工，将复合坯置于电阻炉中采用两阶段升温工艺加热至1230℃，第一阶段：从室温以200℃/h快速升温至750℃，第二阶段：从750℃以120℃/h慢速升温至1230℃，达到1230℃时保温6h，将保温热透后的复合坯移送至压机，以变形速度50mm/s、变形量30％进行下压，下压约180mm，进行第一次热压锻造，得到第一锻坯，之后将第一锻坯回炉加热至1230℃并保温1h，以变形速度5mm/s、变形量20％进行下压，下压约120mm，最后保压约15min，不再变形，得到一体化复合坯。

打开模具，取出实验组和对照组的热态一体化复合坯，空冷至室温，对冷却后的一体化复合坯进行解剖，沿结合界面位置解剖，得到加工界面金相、常温拉伸、低温冲击(-20℃，V口)等试样，并进行分析，结果见图1-6。图1为实施例1的实验组的冲击断口断裂图及断裂位置示意图，其中，图a为冲击断口断裂位置组合图，图b为断口断裂位置示意图。图2为实施例1的对照组的冲击断口断裂图及断裂位置示意图，其中，图a为冲击断口断裂位置组合图，图b为断口断裂位置示意图。图3为实施例1的实验组的拉伸断口断裂图，其中，图a为拉伸断口低倍宏观形貌图，图b为拉伸断口心部高倍微观形貌图。图4为实施例1的对照组的拉伸断口断裂图，其中，图a为拉伸断口低倍宏观形貌图，图b为拉伸断口心部高倍微观形貌图。图5为实施例1的实验组的结合界面微观形貌图。图6为实施例1的对照组的结合界面微观形貌图。

由图1-4可以看出，实验组和对照组的常温拉伸及低温冲击的断口均未在一体化复合坯的结合界面处断裂(图1和图2中虚斜线为结合界面位置，波浪线为冲击断口侧面断裂线)，说明结合界面处界面结合性能良好，抗拉强度良好。从结合界面微观形貌上进行对比来看(见图5-6)，实验组的结合界面处的氧化物明显弥散、细小，说明采用本发明的“第一阶段预变形处理+第二阶段快速率大变形热压加工+第三阶段慢速率闭式热压加工”的三阶段工艺能更有利于界面复合、氧化物弥散碎化，增强界面的均匀化程度和结合强度，提升材料性能。

同时，对上述制备的一体化复合坯的材料性能进行测试，测定结果见表1。

表1实施例1的实验组和对照组的一体化复合坯的材料性能测定结果

由表1可知，实验组的一体化复合坯的材料性能明显优于对照组，抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和抗冲击性能均有所提升，本发明的三阶段工艺制备得到的一体化复合坯的综合性能要优于现有技术制备得到的一体化复合坯。

实施例2

实施例2的步骤S1和步骤S2与实施例1基本相同，其区别在于初始坯料不同且步骤S3的锻造过程不同，具体如下：

实验组采用材质为Q345R的初始坯料，单块初始坯料尺寸为：φ2000mm×1575mm，制备158吨的一体化复合坯由4块初始坯料组成，单块初始坯料约重39.5吨。因此，需加工上、下表面共8个，柱体表面4个。

对照组采用采用材质为Q345R的初始坯料，根据现有技术中的初始坯料的最大厚度进行选择，单块初始坯料尺寸为：φ2000mm×300mm，对于158吨的复合坯，则需要21块初始坯料组成。因此，需加工上、下表面共42个，柱体表面21个。实验组和对照组的对初始坯料的表面清洁和焊接工艺区别见表2。

表2实施例2的实验组和对照组对初始坯料的表面清洁和焊接工艺区别

分别对上述实验组和对照组的复合坯进行如下的锻造过程：

S3、锻造：采用液压机进行热压加工，将复合坯置于电阻炉中采用两阶段升温工艺加热至1230℃，第一阶段：从室温以200℃/h快速升温至750℃，第二阶段：从750℃以120℃/h慢速升温至1230℃，达到1230℃时保温10h，将保温后的复合坯移送至压机，以变形速度4mm/s、变形量3％进行下压，下压约190mm，进行第一次热压锻造，得到第一锻坯，之后将第一锻坯回炉加热至1230℃并保温35h，待第一锻坯热透后用保温罩将其热送至压机中，以变形速度40mm/s、变形量35.08％进行下压，下压约2210mm，进行第二次热压锻造，得到第二锻坯，移出保温罩，经表面测温，第二锻坯的表面温度为1135℃，继续进行下压变形工序，无需回炉加热和保温，以变形速度8mm/s、变形量12.06％进行下压，下压约760，最后保压约15min，不再变形，得到一体化复合坯。

对锻压变形后的一体化复合坯的对角线截面进行取点分析，对实验组分别模拟计算3个界面的中心点、1/2R、边缘等3个位置的真应变情况，3个界面的选点分布如图7所示。对对照组分别选择距下表面的第一层、第二层和坯料的中间层(第11层)，并分别提取角线中心点、1/4对角线点、棱边交点等3处位置的真应变，对角线截面取点图如图8所示。实验组和对照组的各点真应变分布情况分别见表3和表4。

表3实验组的各点真应变分布情况

表4对照组的各点真应变分布情况

从表3和表4看出，采用本发明的技术方案，与整体的一体化复合坯的模拟真应变0.587相比，现有技术中采用较小规格的金属坯料，在复合坯靠近下上表面第一层结合界面中心点至1/4对角线点位置的真应变仅为0.2-0.29，仅复合坯的边缘位置接近0.587；而第二层结合界面中心至棱边交点位置的真应变也仅为0.33-0.43左右，说明复合坯靠近上下表面的第一、第二结合面均处于难变形区中。但采用大规格的金属坯料，除局部边缘点真应变小于目标值，3个结合界面绝大部分真应变均高于真应变0.587，有效保障了界面的结合强度，且变形更均匀，对提升一体化复合坯的质量具有重要作用。

虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种金属固固复合增材制坯用热力耦合方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、制坯：将多个表面清洁的金属坯料堆垛成型，得到预制坯；

S2、焊接：对所述预制坯进行焊接以使多个所述金属坯料之间的结合界面焊合，得到复合坯；

S3、锻造：对所述复合坯加热至第一温度并保温，到温后，以变形速度V₁、变形量D₁进行第一次热压锻造，得到第一锻坯，之后将所述第一锻坯加热至第二温度并保温，到温后，以变形速度V₂、变形量D₂进行第二次热压锻造，得到第二锻坯，再将所述第二锻坯以变形速度V₃、变形量D₃进行第三次热压锻造，得到一体化复合坯；

其中，1％＜D₁＜5％，D₂≥35％，且D₁+D₂+D₃≥50％；

V₁、V₂和V₃的大小关系为：V₂＞V₃＞V₁。

2.根据权利要求1所述的金属固固复合增材制坯用热力耦合方法，其特征在于，步骤S3中，所述变形速度V₁为1mm/s≤V₁＜5mm/s，所述变形速度V₂为10mm/s≤V₂≤60mm/s，所述变形速度V₃为5mm/s≤V3＜10mm/s。

3.根据权利要求1所述的金属固固复合增材制坯用热力耦合方法，其特征在于，步骤S3中，加热至所述第一温度采用两阶段升温工艺，所述两阶段升温工艺为：从室温以第一升温速率升温至奥氏体转变温度，从奥氏体转变温度以第二升温速率升温至第一温度，其中，所述第一升温速率大于所述第二升温速率。

4.根据权利要求3所述的金属固固复合增材制坯用热力耦合方法，其特征在于，所述第一升温速率为200-300℃/h，所述第二升温速率为100-200℃/h。

5.根据权利要求1所述的金属固固复合增材制坯用热力耦合方法，其特征在于，步骤S3中，所述第一温度和所述第二温度大于或等于0.7Tm。

6.根据权利要求1所述的金属固固复合增材制坯用热力耦合方法，其特征在于，步骤S3中，当所述第二锻坯的表面温度低于0.6Tm时，将所述第二锻坯回炉加热至温度大于或等于0.7Tm并在该温度下保温1h以上，再进行所述第三次热压锻造。

7.根据权利要求1所述的金属固固复合增材制坯用热力耦合方法，其特征在于，步骤S3中，当所述第三次热压锻造完成后，对所述一体化复合坯进行保压处理，所述保压时间大于10min。

8.根据权利要求1所述的金属固固复合增材制坯用热力耦合方法，其特征在于，步骤S3中，当所述复合坯的四周表面与模具内壁接触面积大于90％，结束所述第三次热压锻造。

9.根据权利要求1-8任一项所述的金属固固复合增材制坯用热力耦合方法，其特征在于，步骤S1中，所述金属坯料的质量大于或等于20吨、高度大于或等于300mm。

10.根据权利要求1-8任一项所述的金属固固复合增材制坯用热力耦合方法，其特征在于，步骤S2中，所述焊接的方式采用真空电子束焊接，所述真空电子束焊接的参数为：加速电压：大于50KV，束流：大于200mA，聚焦电流：大于500mA，功率：大于10KW，焊接速率：50mm/s＜V＜300mm/s。

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