CN113695502B - 一种多层金属冷变形构筑成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及多层金属材料制造领域，具体来说是一种多层金属冷变形构筑成形方法。该方法包括如下过程：制备多个金属基元；将多个金属基元堆垛成预定形状；将堆垛成预定形状的多个金属基元通过冷压变形成预制坯；将预制坯在真空环境下加热到一定温度进行保温处理，使多个金属基元间的界面焊合而制成毛坯；锻造成形至最终锻件尺寸。本发明采用冷变形+真空保温处理工艺，将多块均质化且体积更小的金属坯作为构筑基元制成大型金属坯，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。

Description

一种多层金属冷变形构筑成形方法
技术领域
本发明涉及多层金属材料制造领域，具体来说是一种多层金属冷变形构筑成形方法，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
铝合金、高熵合金等由于焊接性能差，电子束焊接易开裂，热变形构筑成形技术很难应用；同时，铝合金在焊接过程表面极易生成Al2O3氧化物薄膜，该氧化物高温下稳定性高，很难消除，阻碍热变形构筑成形过程中界面愈合，或造成氧化物夹杂，降低材料的性能；高熵合金高温热变形能力较差，易产生裂纹，热变形构筑成形技术很难应用。为解决上述难焊接金属、易氧化金属、或难变形金属的构筑难题，需开发更加可靠、更加安全的新的金属复合方法。
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构筑成形方法，通过冷变形构筑方式实现金属或金属基材料成形。
本发明的技术方案为：
一种多层金属冷变形构筑成形方法，依次包括：
1)制备两个以上的金属基元；
2)将步骤1)两个以上金属基元堆垛成预定形状；
3)将步骤2)堆垛成预定形状的两个以上金属基元在常温下锻压镦粗变形：沿预制坯高度方向，即垂直于各界面的方向上对预制坯进行镦粗变形，压下预制坯总高度的5％～20％，形成金属预制坯；
4)将步骤3)变形后的金属预制坯实施真空高温保温处理：将镦粗后的坯料在真空环境中进行加热，真空度不小于10-2Pa，坯料温度均匀后保温时间不小于30min，保温处理后金属基元间的界面焊合而制成毛坯；
5)将步骤4)毛坯锻造成形至最终锻件尺寸。
所述的多层金属冷变形构筑成形方法，金属基元为铜合金、铝合金或高熵合金。
所述的多层金属冷变形构筑成形方法，在步骤1)中，将金属基元的表面加工平整，包括：采用铣床加工表面，采用角磨或钢刷打磨金属坯表面，采用激光、超声波或等离子去除表面氧化物或对表面进行改性处理。
所述的多层金属冷变形构筑成形方法，在金属基元的表面加工平整后，使用有机溶剂清洗被加工平整的金属基元表面。
所述的多层金属冷变形构筑成形方法，步骤4)的真空高温保温处理，通过整体封装成箱实现，或采用真空热处理炉实现。
所述的多层金属冷变形构筑成形方法，在常温下锻压镦粗变形后，金属预制坯实施真空保温的步骤为，加热温度范围在0.3～0.9Tm之间，Tm为金属基元的熔点，单位为℃。
所述的多层金属冷变形构筑成形方法，加热温度为0.8Tm。
所述的多层金属冷变形构筑成形方法，金属基元为长方体或正方体，其长×宽×高的尺寸范围为5～50mm×5～50mm×5～50mm。
本发明的设计思想是：
本发明通过室温冷压变形，使金属基元在表面原子引力作用下初步实现物理结合，然后在高温作用下，冷变形金属表面组织发生回复和静态再结晶行为，再结晶晶粒在连接界面处形核并长大，从而促使两侧金属完全融合在一起，实现冶金结合。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明提供一种制备大型金属材料或复合金属材料的构筑成形方法，该方法首先通过冷压变形实现金属基元物理冶金结合，可以将金属表面完全封闭，避免表面与空气接触而发生过度氧化；在高温保温过程，高真空环境避免氧气沿结合界面扩散而发生连接界面氧化现象。
2、本发明方法高温处理步骤在冷变形之后实施，一是可以避免热变形构筑成形过程中金属基元先焊接的步骤，解决铜合金、铝合金不易焊接的难题；二是变形在室温下进行，解决高熵合金热变形易开裂的难题。
3、本发明工艺简单高效，是铜合金、铝合金以及高熵合金变形连接的最有效的方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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为两层纯铜在冷变形后连接界面边部微观组织图；图中，1、连接界面。
图2为冷变形后的纯铜在600℃下保温30min后连接界面边部微观组织图；
图中，2、连接界面。
图3为冷变形后的纯铜在600℃下保温30min后连接界面中心区微观组织图；
图中，3、连接区。
图4为两层2195铝合金在冷变形后连接界面中心区微观组织图；图中，4、连接界面。
图5为冷变形后的2195铝合金在480℃下保温30min后连接界面中心区微观组织图；图中，5、连接区。
图6为两层高熵合金AlNbTi3VZr1.5在冷变形后连接界面中心区微观组织图；图中，6、连接界面。
图7为冷变形后的高熵合金AlNbTi3VZr1.5在1000℃下保温30min后连接界面中心区微观组织图；图中，7、连接区。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明以铸坯、锻坯、轧坯等为基元，通过表面加工和清洁后，将多个基元堆垛在一起，然后施加冷镦粗变形，随后通过真空高温热处理工艺，使接触界面组织发生再结晶行为，通过再结晶晶粒的长大，使界面两侧组织发生融合而愈合界面，最终实现均质大型金属部件变形连接制备。
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了等同方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
本实施例材质为纯铜。首先将纯铜锻件切割成10×10×8mm的方形基元，经表面处理、冷压成形、高温保温等工序构筑成整体，具体步骤如下：
第一步，按照一定的规格裁切原材料。切取规格为10×10×8mm，共计2块；
第二步，加工、清洗待连接表面。采用机械研磨基元表面，采用丙酮清洗，保障表面高度清洁，露出新鲜金属；
第三步，将基元处理后的表面相互接触，叠加在一起，构成组合件。
第四步，对组合件实施常温冷压变形。将组合件放置于锻压机操作平台上，使组合件高度方向沿竖直方向变形，压下总高度的20％。
如图1所示，从两层纯铜在冷变形后连接界面边部微观组织图可以看出，两层纯铜之间具有清晰的连接界面1。
第五步，对变形后组合件实施高温保温处理。将镦粗后的组合件放入真空加热炉加热，真空度为3×10-3Pa，加热温度为600℃，均温后的保温时间30min，得到毛坯，其长×宽×高的尺寸为11.5mm×11.5mm×12.8mm；
第六步，将毛坯锻造成最终锻件尺寸。
将实施例1的锻件沿中部锯开，加工切割表面至镜面，取对应界面位置的组织在显微镜下做高倍实验，高倍组织见图2和图3。从冷变形后的纯铜在600℃下保温30min后连接界面边部微观组织可以看出，在连接界面2处组织发生再结晶行为，通过再结晶晶粒的长大，使界面两侧组织发生融合而愈合界面。从冷变形后的纯铜在600℃下保温30min后连接界面2中心位置微观组织可以看出，在连接区3处组织发生再结晶行为，通过再结晶晶粒的长大，使界面两侧组织发生融合而愈合界面。由图可见，采用本发明的方法可以有效连接多层金属。
实施例2
本实施例材质为2195铝合金。首先将2195铝合金锻件切割成10×10×8mm的方形基元，经表面处理、冷压成形、高温保温等工序构筑成整体，具体步骤如下：
第一步，按照一定的规格裁切原材料。切取规格为10×10×8mm，共计2块；
第二步，加工、清洗待连接表面。采用机械研磨基元表面，采用丙酮清洗，保障表面高度清洁，露出新鲜金属；
第三步，将基元处理后的表面相互接触，叠加在一起，构成组合件。
第四步，对组合件实施常温冷压变形。将组合件放置于锻压机操作平台上，使组合件高度方向沿竖直方向变形，压下总高度的15％。
如图4所示，从两层2195铝合金在冷变形后连接界面中心区微观组织图可以看出，两层2195铝合金之间具有清晰的连接界面4。
第五步，对变形后组合件实施高温保温处理。将镦粗后的组合件放入真空加热炉加热，真空度为3×10-3Pa，加热温度为480℃，均温后的保温时间30min，得到毛坯，其长×宽×高的尺寸为11mm×11mm×13.6mm；
第六步，将毛坯锻造成最终锻件尺寸。
将实施例2的锻件沿中部锯开，加工切割表面至镜面，取对应界面位置的组织在显微镜下做高倍实验，高倍组织见图5。从冷变形后的2195铝合金在480℃下保温30min后连接界面边部微观组织可以看出，在连接区5处组织发生再结晶行为，通过再结晶晶粒的长大，使界面两侧组织发生融合而愈合界面。
实施例3
本实施例材质为高熵合金AlNbTi3VZr1.5。首先将AlNbTi3VZr1.5合金锻件切割成10×10×8mm的方形基元，经表面处理、冷压成形、高温保温等工序构筑成整体，具体步骤如下：
第一步，按照一定的规格裁切原材料。切取规格为10×10×8mm，共计2块；
第二步，加工、清洗待连接表面。采用机械研磨基元表面，采用丙酮清洗，保障表面高度清洁，露出新鲜金属；
第三步，将基元处理后的表面相互接触，叠加在一起，构成组合件。
第四步，对组合件实施常温冷压变形。将组合件放置于锻压机操作平台上，使组合件高度方向沿竖直方向变形，压下总高度的5％。
如图6所示，从两层AlNbTi3VZr1.5合金在冷变形后连接界面中心区微观组织图可以看出，两层AlNbTi3VZr1.5合金之间具有清晰的连接界面6。
第五步，对变形后组合件实施高温保温处理。将镦粗后的组合件放入真空加热炉加热，真空度为3×10-3Pa，加热温度为1000℃，均温后的保温时间30min，得到毛坯，其长×宽×高的尺寸为10.5mm×10.5mm×15.2mm；
第六步，将毛坯锻造成最终锻件尺寸。
将实施例3的锻件沿中部锯开，加工切割表面至镜面，取对应界面位置的组织在显微镜下做高倍实验，高倍组织见图7。从冷变形后的AlNbTi3VZr1.5合金在1000℃下保温30min后连接界面边部微观组织可以看出，在连接区7处组织发生再结晶行为，通过再结晶晶粒的长大，使界面两侧组织发生融合而愈合界面。
结果表明，本发明将堆垛成预定形状的多个基元通过冷压变形成预制坯，将预制坯在真空环境下加热到一定温度进行保温处理，使多个基元间的界面焊合而制成毛坯。采用冷变形+真空保温处理工艺将多块均质化且体积更小的金属坯作为构筑基元制成大型金属坯。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下，对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原来之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (6)

1.一种多层金属冷变形构筑成形方法，其特征在于，依次包括：
1）制备两个以上的金属基元；
2）将步骤1）两个以上金属基元堆垛成预定形状；
3）将步骤2）堆垛成预定形状的两个以上金属基元在常温下锻压镦粗变形：沿预制坯高度方向，即垂直于各界面的方向上对预制坯进行镦粗变形，压下预制坯总高度的5%~20%，形成金属预制坯；
4）将步骤3）变形后的金属预制坯实施真空高温保温处理：将镦粗后的坯料在真空环境中进行加热，真空度不小于10-2 Pa，坯料温度均匀后保温时间不小于30min，保温处理后金属基元间的界面焊合而制成毛坯；
5）将步骤4）毛坯锻造成形至最终锻件尺寸；
金属基元为高熵合金；
在常温下锻压镦粗变形后，金属预制坯实施真空保温的步骤为，加热温度范围在0.3~0.9Tm之间，Tm为金属基元的熔点，单位为℃；
通过室温冷压变形，使金属基元在表面原子引力作用下初步实现物理结合，然后在高温作用下，冷变形金属表面组织发生回复和静态再结晶行为，再结晶晶粒在连接界面处形核并长大，从而促使两侧金属完全融合在一起，实现冶金结合。
2.根据权利要求1所述的多层金属冷变形构筑成形方法，其特征在于，在步骤1）中，将金属基元的表面加工平整，包括：采用铣床加工表面，采用角磨或钢刷打磨金属基元表面，采用激光、超声波或等离子去除表面氧化物或对表面进行改性处理。
3.根据权利要求2所述的多层金属冷变形构筑成形方法，其特征在于，在金属基元的表面加工平整后，使用有机溶剂清洗被加工平整的金属基元表面。
4.根据权利要求1所述的多层金属冷变形构筑成形方法，其特征在于，步骤4）的真空高温保温处理，通过整体封装成箱实现，或采用真空热处理炉实现。
5.根据权利要求1所述的多层金属冷变形构筑成形方法，其特征在于，加热温度为0.8Tm。
6.根据权利要求1所述的多层金属冷变形构筑成形方法，其特征在于，金属基元为长方体或正方体，其长×宽×高的尺寸范围为5~50 mm×5~50 mm×5~50 mm。
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