CN113894269B - 基于悬浮熔配的金属材料双动模压力成形方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于悬浮熔配的金属材料双动模压力成形方法，涉及金属材料成形技术领域，包括以下步骤：步骤1、将金属材料放入真空室，并将真空室抽真空；步骤2、调整真空室的环境，并预热压力成形机构至目标温度；步骤3、对金属材料进行悬浮熔配，实现金属熔体的无容器状态；步骤4、待金属熔体降温至目标温度后，使金属熔体在真空室内自由下落，获取微重力水平；步骤5、待金属熔体下落至合适位置后，驱动压力成形机构对金属熔体进行压力成形；步骤6、开启真空室，取出铸件。本发明还公开了一种基于悬浮熔配的金属材料双动模压力成形装置。本发明能够解决现有铸造成形技术中出现的服役性能较差，小型件、单件/小批量生产效率低的问题。

Description

基于悬浮熔配的金属材料双动模压力成形方法及装置

技术领域

本发明涉及金属材料成形领域，特别是涉及一种基于悬浮熔配的金属材料双动模压力成形方法及装置。

背景技术

铸造成形技术如浇注和压铸是将金属熔体浇入/压入模具经冷却凝固后获得特定形状的金属件的成形方法。因为其技术要求相对简单、价格低廉等特点，其已被应用于大规模工业生产。但是在传统铸造成形过程中，金属件容易出现缩孔、裂纹、气孔、氧化、偏析等缺陷和不足，极大的影响金属件的服役性能。且传统铸造成形技术仅适用于铝合金、镁合金及钢铁等少数几种金属材料，局限性较大。此外，传统铸造成形技术不适用于小型件、单件/小批量生产，在其生产过程中工人劳动强度大，较大的影响了生产效率。

材料的制备和成形对于其加工过程所处的环境非常敏感，金属材料在以微重力、无容器、高真空为主要特征的空间环境下的凝固能够有效抑制缩孔、裂纹、气孔、氧化、偏析等缺陷和不足，显著细化晶粒，提高金属件服役性能，因此近年来研究人员对于空间环境展现出了浓厚兴趣。但由于空间实验机会少且成本极高，空间环境的地面模拟技术得到了各国科研人员的广泛关注和重视。文献“Structural Evolution and MicromechanicalProperties of Ternary Ni-Fe-Ti Alloy Solidified Under Microgravity Condition[J].Metallurgical and Materials Transactions A，2020(51)：3461–3472.”报道了通过落管技术在Ni₄₁Fe₄₀Ti₁₉合金的凝固过程中耦合了无容器状态及微重力效应，使Ni₄₁Fe₄₀Ti₁₉合金的硬度得到了显著提升。文献“Peritectic Solidification Kinetics andMechanical Property Enhancement in a Rapidly Solidified Ti–48at％Al–8at％NbAlloy via Hierarchical Twin Microstructure[J].Advanced Engineering Materials，2021(23)：2100101.1–2100101.13.”报道了通过电磁悬浮技术对Ti₄₄Al₄₈Nb₈合金进行无容器处理，使Ti₄₄Al₄₈Nb₈合金的屈服强度、韧性及硬度均得到了显著提升。可以发现，现有空间环境地面模拟技术有效解决了常规凝固及传统铸造条件下金属材料会产生缺陷的问题，显著提升了金属材料的性能，但无法实现对金属材料的加工成形。

因此，亟待一种能够对金属进行无容器和微重力效应处理并成形的一体化集成方法和装置，充分利用空间环境的地面模拟技术优势，用于高效地制备成分均匀、组织细化、缺陷较少的具有优异服役性能的金属材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于悬浮熔配的金属材料双动模压力成形方法及装置，能够解决现有铸造成形技术中出现的服役性能较差，小型件、单件/小批量生产效率低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种基于悬浮熔配的金属材料双动模压力成形方法，包括以下步骤：

步骤1、将金属材料放入真空室，并将所述真空室抽真空；

步骤2、调整所述真空室的环境，并预热压力成形机构至目标温度；

步骤3、对所述金属材料进行悬浮熔配，实现金属熔体的无容器状态；

步骤4、待所述金属熔体降温至目标温度后，使所述金属熔体在所述真空室内自由下落，获取微重力水平；

步骤5、待金属熔体下落至合适位置后，驱动所述压力成形机构对所述金属熔体进行压力成形；

步骤6、开启真空室，取出铸件。

优选的，所述步骤1中，将所述真空室抽真空至9.0×10^-3～1×10^-5Pa；

所述步骤3中，通过静电悬浮、电磁悬浮、气动悬浮或超声悬浮对所述金属材料进行悬浮熔配。

本发明还提供一种基于悬浮熔配的金属材料双动模压力成形装置，包括所述真空室，所述真空室包括由上至下依次密封连接的无容器状态室、微重力室和压力成形室，所述无容器状态室内设置有悬浮熔配装置，所述无容器状态室能够实现所述金属材料的无容器状态以及加热熔化；所述微重力室能够使所述金属材料熔化后形成的金属熔体进行自由落体运动；所述压力成形室内设置有压力成形机构，所述压力成形机构能够实现所述金属熔体的压力成形；所述真空室还连接有真空泵系统，所述悬浮熔配装置、所述压力成形机构以及所述真空泵系统均与集成控制系统连接。

优选的，所述无容器状态室采用球形真空室或柱形真空室，所述无容器状态室安装有多个观察窗和法兰接口；所述悬浮熔配装置选用静电悬浮装置、电磁悬浮装置、气动悬浮装置或超声悬浮装置。

优选的，所述微重力室与所述无容器状态室通过法兰连接，所述微重力室包括由上至下连接的多个柱形真空室，多个所述柱形真空室之间通过法兰连接；每个所述柱形真空室安装有多个用于金属熔体位置探测的观察窗，每个所述柱形真空室安装有多个法兰接口。

优选的，所述压力成形室为柱形腔，并与所述微重力室通过法兰连接；所述压力成形室安装有多个观察窗、电极法兰和法兰接口。

优选的，所述压力成形机构为双动模压力成形装置，所述双动模压力成形装置包括电源、滑槽底板、金属动模、金属推杆、传动套筒、驱动装置和模具预热装置；

所述驱动装置通过通孔固定于所述滑槽底板上，所述驱动装置与所述传动套筒连接；所述金属动模与所述金属推杆连接，所述金属推杆固定在所述传动套筒内；所述金属动模的下部设置有限位块，所述限位块与所述滑槽底板上的滑槽滑动配合，所述驱动装置、所述传动套筒、所述金属推杆以及所述金属动模轴对称放置有两组；所述模具预热装置安装于所述金属动模上，所述驱动装置与所述电源连接，所述电源以及所述模具预热装置均与所述集成控制系统连接。

优选的，所述驱动装置采用电磁铁装置或真空步进电机，所述驱动装置通过所述集成控制系统控制；

所述电磁铁装置采用真空环境优化的电磁铁装置，所述电磁铁装置包括漆包线圈、缠线管、外壳和磁芯，所述磁芯滑动安装于所述缠线管中部，所述漆包线圈安装于所述缠线管上，所述磁芯位于所述漆包线圈的中部，所述磁芯连接有所述传动套筒；所述缠线管上安装有所述外壳；

所述模具预热装置包括固定背板、陶瓷保温层、绝缘陶瓷管、电阻丝、热电偶和直流电源；所述固定背板安装于所述金属动模的背部，所述固定背板与所述金属动模之间安装有所述陶瓷保温层；所述电阻丝穿于所述绝缘陶瓷管内，并以S形或螺旋形夹于所述金属动模和所述陶瓷保温层之间，所述电阻丝通过电极法兰与所述直流电源相连；所述热电偶安装于所述金属动模内，所述热电偶以及所述直流电源均与所述集成控制系统连接；

所述金属动模为圆柱形动模或方形动模，所述金属动模的成形面为光滑平面；或者，其中一个或两个所述金属动模的成形面开有型腔形成型腔动模，所述型腔动模上能够配置有排气道和溢流槽。

优选的，所述真空泵系统包括机械泵和/或分子泵，所述无容器状态室、所述微重力室、所述压力成形室中的一个或多个与所述真空泵系统连接；

所述真空室还连接有气氛源和水冷机，所述气氛源能够向所述真空室充入惰性气体，所述气氛源采用He、Ar中的至少一种。

优选的，所述集成控制系统还连接有红外温度计和光电探测器，所述红外温度计安装于所述无容器状态室的外侧，并靠近所述无容器状态室上的观察窗设置，所述光电探测器架设于所述微重力室底部的观察窗外；

所述集成控制系统具有两种压力延时控制模式，所述集成控制系统在探测到悬浮停止信号后延时通电，或在所述光电探测器探测到所述金属熔体下落到指定高度后延时通电。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

(1)本发明的动模压力成形过程在高真空/惰性气体保护的条件下进行，可有效避免传统铸造成形过程中的氧化问题；同时在本实施例中的动模压力成形装置针对真空室环境经行了优化，装置放入真空室能最大限度的避免对真空室真空度的影响；

(2)本发明在熔体的动模压力成形过程种耦合了无容器处理，可以消除金属熔体内的异质晶核，使合金熔体进入深过冷状态，显著消除偏析，细化组织；

(3)本发明在熔体的动模压力成形过程中耦合了微重力效应处理，抑制了熔体内的自然对流和浮力作用，可以消除偏析，减少缩孔、气孔等缺陷，实现金属材料的均匀制备；

(4)本发明在熔体的动模压力成形过程可以实现金属材料的急冷快速凝固，可以有效调控组织，显著提升工件服役性能；；

(5)本发明的动模压力成形过程具有压力可控、速度可控、成形温度可控的特点；

(6)本发明的可制备材料范围覆盖广，可以实现熔点在573-3273K范围内的金属材料的制备成形；

(7)本发明可以实现小型件高通量生产及小/中型件的单件/小批量生产，相较于传统铸造成形技术能够显著提升生产效率；

(8)本发明有装置微型化、高度模块化和控制集成化、智能化的特点，针对不同制造需求可迅速更换所需模块，有效提高生产效率。

综上所述，本发明的方法和装置可通实现金属材料的无容器状态，调整金属熔体制备过程中的微重力水平，巧妙地将无容器、微重力、高真空、高通量的特点引入金属材料的动模压力成形过程，从而能够获得服役性能显著优化的金属箔/异形件，以满足更多研究和应用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对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为本发明实施例中基于悬浮熔配的金属材料双动模压力成形装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中双动模压力成形装置的结构示意图；

图3为本发明实施例中真空环境优化的电磁铁装置及模具预热装置；

图4为本发明实施例中圆柱形动模、方形动模及电阻丝分布示意图；

图5为本发明实施例中滑槽底板形状示意图一；

图6为本发明实施例中滑槽底板形状示意图二；

图7为本发明实施例中滑槽底板形状示意图三；

图8为本发明实施例中滑槽底板形状示意图四；

图9为本发明实施例中带有排气孔和溢流槽的可高通量成形的异形型腔动模示意图；

图10为本发明一实施例中真空环境优化的电磁铁装置驱动金属动模的速度和压力随交流电压的变化；

图中：1：无容器状态室；2：微重力室；3：压力成形室；4：真空泵系统；5：集成控制系统；6：气氛源；7：水冷机；31：灵巧型双动模压力成形装置；31-1：电源；31-2：滑槽底板；31-3：金属动模；31-3a：型腔动模；31-3a1：排气道；31-3a2：溢流槽；31-4：金属推杆；31-5：传动套筒；32：驱动装置；32a-1：漆包线圈；32a-2：缠线管；32a-3：外壳；32a-4：磁芯；33：模具预热装置；33-1：固定背板；33-2：陶瓷保温层；33-3：绝缘陶瓷管；33-4：电阻丝、33-5：热电偶；33-6：直流电源；51：红外温度计；52：光电探测器；L：滑槽；P：限位块。

具体实施方式

下面将结合在本实施例中的附图，对在本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于悬浮熔配的金属材料双动模压力成形方法及装置，能够解决现有铸造成形技术中出现的服役性能较差，小型件、单件/小批量生产效率低的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-10所示，本实施例中提供一种基于悬浮熔配的金属材料双动模压力成形方法，该方法应用于基于悬浮熔配的金属材料双动模压力成形装置，该成形装置主要包括无容器状态室1、微重力室2、压力成形室3、双动模压力成形装置31、真空泵系统4、集成控制系统5等；其中，无容器状态室1、微重力室2和压力成形室3从上到下依次连接，可以形成完整密封的真空室。

在本实施例中，无容器状态室1主要用于实现金属材料的加热熔化和无容器状态；其中，无容器状态室1可为直径500-1000mm的球形真空室或柱形真空室，悬浮熔配装置安装于无容器状态室1内，金属材料优先采用直径为2-500mm金属球。具体地，悬浮熔配装置根据需要从现有技术中进行选择，按照不同加工需求，悬浮熔配装置可选用静电悬浮装置、电磁悬浮装置、气动悬浮装置或超声悬浮装置等。无容器状态室1安装有多个观察窗用于测温、悬浮位置控制和观察，无容器状态室1还安装有多个法兰接口。

在本实施例中，微重力室2主要用于金属熔体进行自由落体运动，以使金属熔体获得微重力效应，无容器状态室1与微重力室2间通过法兰连接。其中，微重力室2可以包含多个直径500-1000mm、高度为500mm的柱形真空室，相邻的柱形真空室之间可通过法兰连接，以保证真空室真空度。在本实施例中，按照不同加工需求，可由上至下的连接多个柱形真空室，使微重力室高度可在500-3000mm内调节。其中，每个柱形真空室可以安装有多个观察窗用于熔体位置探测及多个法兰接口。

在本实施例中，压力成形室3主要用于放置压力成形机构及进行压力成形作业；其中，压力成形室3为直径500-1000mm的柱形腔，并与微重力室2通过法兰连接，压力成形室3还可以安装有多个观察窗、电极法兰和法兰接口。

在本实施例中，真空泵系统4主要用于对无容器状态室1、微重力室2及压力成形室3的抽真空作业；其中，真空泵系统4可按实际情况安装在无容器状态室1和/或微重力室2和/或压力成形室上，真空泵系统4通过法兰与上述各腔体连接。

在本实施例中，集成控制系统5主要用于相关装置及系统的控制，如真空泵系统控制、悬浮熔配控制、温度采集控制等；集成控制系统5连接有红外温度计51，红外温度计51主要用于测量金属球温度，可以实现573-3573K范围的温度采集，集成控制系统可以通过红外温度计51实现10-100Hz的温度采集。

在本实施例中，压力成形机构为灵动型的双动模压力成形装置31，其安装于压力成形室3内，如图1和2所示，双动模压力成形装置31主要包含电源(交/直流电源)31-1、滑槽底板31-2、金属动模31-3、金属推杆31-4、传动套筒31-5、驱动装置32和模具预热装置33。

在本实施例中，驱动装置32通过通孔固定于滑槽底板31-2上，驱动装置32与传动套筒31-5连接；金属动模31-3与金属推杆31-4连接后固定在传动套筒31-5内；金属动模31-3下部有限位块P，限位块P与滑槽底板31-2上滑槽L滑动配合，可以置于滑槽底板31-2的滑槽L内用于限位。其中，限位块P和滑槽底板31-2的滑槽L可为半圆形、三角形、方形或燕尾型，驱动装置32、传动套筒31-5和金属推杆31-4各两个并轴对称放置，驱动装置32由电源31-1供电。

在本实施例中，电源31-1与集成控制系统5相连，集成控制系统5可以通过不同延时控制模式控制电源31-1的通电，电源31-1依照需求向驱动装置32通0-380V交/直流电，驱动两个金属动模31-3相向运动使金属熔体成形，并可按需求设置保压时间。其中，驱动装置32可以使用真空环境优化的电磁铁装置或真空步进电机，真空步进电机可驱动金属动模31-3以0.1-1m/s的速度运动，真空步进电机与集成控制系统5连接，可以通过集成控制系统5调整电机推进速度。

在本实施例中，如图3所示，真空环境优化的电磁铁装置主要包含漆包线圈32a-1、缠线管32a-2、外壳32a-3和磁芯32a-4；其中，磁芯32a-4滑动安装于缠线管中部，漆包线圈安装于缠线管上，磁芯位于漆包线圈的中部，磁芯连接有传动套筒；缠线管上安装有外壳。在本实施例中，磁芯32a-4可使用FeNi、不锈钢或其他高磁导率、高磁通密度的金属材料，缠线管32a-2可使用聚四氟乙烯或陶瓷材质。本实施例真空环境优化的电磁铁装置一方面相对灵巧可以整体放入真空室，另一方面不会影响真空室真空度。

如图6所示，基于电容式压力传感器和高速摄像机的测定，通30-110V交流电后，真空环境优化的交/直流电磁铁装置可驱动宽80mm，高200mm，厚度10mm的方形金属动模31-3产生40-200N的压力，推动方形金属动模31-3以0.4-1.6m/s的速度运动。

在本实施例中，如图3所示，模具预热装置包括固定背板33-1、陶瓷保温层33-2、绝缘陶瓷管33-3、电阻丝33-4、热电偶33-5和直流电源33-6；其中，电阻丝33-4穿于绝缘陶瓷管33-3内，以S形或螺旋形夹于金属动模31-3和陶瓷保温层33-2间，如图4所示，其主要目的是使金属动模31-3能够产生均匀的温度分布，其他合适的、能够使金属动模31-3产生均匀的温度分布的电阻丝绕法亦可，电阻丝33-4通过电极法兰与直流电源33-6相连。热电偶33-5和直流电源33-6与集成控制系统5连接，可控制模具预热装置将金属动模31-3预热到预设温度，实现金属动模31-3的室温～1273K的预热。在本实施例中，电阻丝33-4可依据加热需求选取0Cr25Al5、Cr20Ni80、Cr15Ni60、GH140或其他材质，热电偶33-5可依据预热目标温度使用镍铬镍硅热电偶、铂铑热电偶或其他类型的热电偶。

在本实施例中，金属动模31-3成形面为光滑平面，可以用于制备金属箔；或者，可以按照加工需求将其中一个/两个金属动模31-3替换为成形面开有一个/多个特定型腔(如柱形、楔形、锥形或其他异形型腔)的型腔动模31-3a，用于少量/高通量制备特定形状的金属工件。

在本实施例中，金属动模31-3可为直径80-200mm、厚度5-20mm的圆柱形动模，或宽80-200mm、高80-200mm、厚度5-20mm的方形动模，或其他形状的尺寸合适的动模

在本实施例中，如图1所示，基于悬浮熔配的金属材料双动模压力成形装置还包括气氛源6及水冷机7；其中，气氛源6与无容器状态室1/微重力室2/压力成形室3通过真空波纹管连接，可以向真空室充入惰性气体及使悬浮熔配的金属熔体降温，气氛源6可以使用He、Ar中至少一种。水冷机7主要用于电磁悬浮装置、气动悬浮装置及真空泵系统4的分子泵的冷却。

需要说明的是，通过静电悬浮装置对金属球进行悬浮熔配时，需要保持真空泵系统4持续运转，且不可通过气氛源6向真空室充入惰性气体。

本实施例中还公开了一种基于悬浮熔配的金属材料双动模压力成形方法，包括以下步骤：

步骤1、将金属材料放入真空室并使用机械泵和分子泵将真空室抽真空至9.0×10^-3～1×10^-5Pa；

步骤2、依照制造需求调整真空室环境并预热双动模至目标温度；

步骤3、对金属材料进行悬浮熔配，实现金属熔体的无容器状态；

其中，对金属材料进行悬浮熔配可通过静电悬浮、电磁悬浮、气动悬浮或超声悬浮实现；

步骤4、待金属熔体降温至目标温度后，使金属熔体在真空室内自由下落，获取微重力水平；

步骤5、待金属熔体下落至合适位置后，驱动双动模合模对金属熔体进行压力成型；

步骤6、待双动模降温至室温后开启真空室，取出铸件；

以下结合具体的实施例，来对本发明的基于悬浮熔配的金属材料双动模压力成形方法进行进一步说明。

实施例一

包括以下步骤：

步骤1、在无容器状态室1安装静电悬浮装置，将微重力室2调节至1500mm，选用真空环境优化的交流电磁铁装置作为驱动装置32和2个如图4所示的铜质圆柱形的金属动模31-3，并于压力成形室3安装就绪。在集成控制系统5中选择压力延时控制模式为在探测到悬浮停止信号后延时通电，延时590ms，在集成控制系统5中设置模具保压时间为3000ms。调节电源31-1(交流电源)电压至110V。将直径2mm的Zr₆₀Ni₂₅Al₁₅球装入真空室；

步骤2、开启真空泵系统4将真空室真空度抽至1×10^-5Pa，并将Zr₆₀Ni₂₅Al₁₅球送至合适的起悬位置；

步骤3、不向真空室反充惰性气体，不对模具进行预热；

步骤4、通过集成控制系统5控制静电悬浮装置，对Zr₆₀Ni₂₅Al₁₅球进行悬浮熔配，实现Zr₆₀N_i25Al₁₅合金的无容器状态；

步骤5、当Zr₆₀Ni₂₅Al₁₅熔体过冷至1100K(过冷度为185K)后通过集成控制系统5关闭静电悬浮装置，使Zr₆₀Ni₂₅Al₁₅熔体经由微重力室2自由下落，获取微重力水平；

步骤6、集成控制系统5在探测到悬浮停止信号590ms后自动控制电源31-1向真空环境优化的交流电磁铁装置供电，驱动金属动模31-3合模并在合模后保压3000ms。

步骤7、待金属动模31-3温度降至室温后，开启真空室，取出Zr₆₀Ni₂₅Al₁₅金属箔。

实施例二

包括以下步骤：

步骤1、在无容器状态室1安装电磁悬浮装置，将微重力室2调节至1000mm，选用真空环境优化的交流电磁铁装置作为驱动装置32以及钼质方形的金属动模31-3，其中一侧为如图4所示方形的金属动模31-3，另一侧为带有异形槽、溢流槽及排气道的如图5所示的型腔动模31-3a，并于压力成形室3安装就绪。在集成控制系统5中选择压力延时控制模式为在探测到悬浮停止信号后延时通电，延时490ms，在集成控制系统5中设置模具保压时间为5000ms。调节电源31-1(交流电源)电压至110V。将直径500mm的AA2024铝合金球装入真空室；

步骤2、开启真空泵系统4将真空室抽至3×10^-5Pa，并将AA2024铝合金球送至合适的起悬位置；

步骤3、关闭真空泵系统4并通过气氛源6向真空室反氩气至标准大气压，通过集成控制系统5将模具预热至1273K；

步骤4、通过集成控制系统5控制电磁悬浮装置，对AA2024铝合金进行悬浮熔配，实现AA2024铝合金熔体的无容器状态；

步骤5、当AA2024铝合金过冷度达到30K后通过集成控制系统5关闭电磁悬浮装置，使AA2024铝合金熔体经由微重力室2自由下落，获取微重力水平；

步骤6、集成控制系统5在探测到电磁悬浮装置的高频电源关闭信号490ms后自动控制电源31-1向真空环境优化的交流电磁铁装置供电，驱动金属动模31-3和型腔动模31-3a合模并在合模后保压5000ms。

步骤7、待金属动模31-3和型腔动模31-3a温度降至室温后，开启真空室，取出AA2024铝合金铸件。

实施例三

包括以下步骤：

步骤1、在无容器状态室1安装气动悬浮装置，选用Ar气作为悬浮动力气，将微重力室2拼接至3000mm，选用真空步进电机作为驱动装置32和如图4所示的不锈钢质方形的金属动模31-3，并于压力成形室3安装就绪。在集成控制系统5中选择延时控制模式为在光电探测器52在探测到金属熔体下落到合适高度后通电。将光电探测器52固定于最底部的微重力室2的观察窗，延时45ms，在集成控制系统5中设置模具保压时间为500ms。调节电源31-1(交流电源)电压至220V，在集成控制系统5中设置电机推进速度为1m/s。将直径300mm的Ti₈₅Ni₁₀Al₅合金球装入真空室；

步骤2、开启真空泵系统4将真空室抽至1×10^-5Pa，并将Ti₈₅Ni₁₀Al₅合金球送至合适的起悬位置；

步骤3、不向真空室反充惰性气体，不对模具进行预热；

步骤4、通过集成控制系统5控制气动悬浮装置对Ti₈₅Ni₁₀Al₅合金球进行悬浮熔配，实现Ti₈₅Ni₁₀Al₅合金熔体的无容器状态；

步骤5、当Ti₈₅Ni₁₀Al₅合金熔体并过冷至1775K(过冷度为50K)后通过集成控制系统关闭气动悬浮装置，使Ti₈₅Ni₁₀Al₅合金熔体经由微重力室2自由下落，获取微重力水平；

步骤6、光电探测器52在探测到Ti₈₅Ni₁₀Al₅合金熔体红外辐射光电信号45ms后自动控制电源31-1向真空步进电机供电，驱动金属动模31-3合模并在合模后保压500ms；

步骤7、待金属动模31-3温度降至室温，开启真空室，取出Ti₈₅Ni₁₀Al₅金属箔。

实施例四

包括以下步骤：

步骤1、在无容器状态室1安装超声悬浮装置，将微重力室2拼接至2000mm，选用真空环境优化的交流电磁铁装置作为驱动装置32以及如图4所示的铜质方形的金属动模31-3，并于压力成形室3安装就绪。在集成控制系统5中选择压力延时控制模式为在探测到悬浮停止信号后延时通电，延时663ms，在集成控制系统5中设置模具保压时间为2000ms。调节电源(交流电源)31-1电压至110V。将直径200mm的TC4合金球装入真空室；

步骤2、开启真空泵系统4将真空室抽至1×10^-5Pa，并将TC4合金球送至合适的起悬位置；

步骤3、关闭真空泵系统4并通过气氛源6向真空室反氩气至标准大气压，不对模具进行预热；

步骤4、通过集成控制系统5控制气动悬浮装置对TC4合金球球进行悬浮熔配，实现TC4合金熔体的无容器状态；

步骤5、当TC4合金熔体过冷度达到50K后通过集成控制系统关闭超声悬浮装置，使TC4合金熔体经由微重力室2自由下落，获取微重力水平；

步骤6、光集成控制系统5在探测到超声悬浮装置的高频电源关闭信号663ms后自动控制电源31-1向真空环境优化的交流电磁铁装置供电，驱动金属动模31-3合模并在合模后保压2000ms；

步骤7、待金属动模31-3温度降至室温，开启真空室，取出TC4金属箔。

本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.基于悬浮熔配的金属材料双动模压力成形方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、将金属材料放入真空室，并将所述真空室抽真空；

步骤2、调整所述真空室的环境，并预热压力成形机构至目标温度；

步骤3、对所述金属材料进行悬浮熔配，实现金属熔体的无容器状态；

步骤4、待所述金属熔体降温至目标温度后，使所述金属熔体在所述真空室内自由下落，获取微重力水平；

步骤5、待金属熔体下落至合适位置后，驱动所述压力成形机构对所述金属熔体进行压力成形；

步骤6、开启真空室，取出铸件；

所述基于悬浮熔配的金属材料双动模压力成形方法所采用的基于悬浮熔配的金属材料双动模压力成形装置包括所述真空室，所述真空室包括由上至下依次密封连接的无容器状态室、微重力室和压力成形室，所述无容器状态室内设置有悬浮熔配装置，所述无容器状态室能够实现所述金属材料的无容器状态以及加热熔化；所述微重力室包括由上至下连接的多个柱形真空室，多个所述柱形真空室之间通过法兰连接，所述微重力室能够使所述金属材料熔化后形成的金属熔体进行自由落体运动；所述压力成形室内设置有压力成形机构，所述压力成形机构能够实现所述金属熔体的压力成形；所述真空室还连接有真空泵系统，所述悬浮熔配装置、所述压力成形机构以及所述真空泵系统均与集成控制系统连接；

所述压力成形机构为双动模压力成形装置，所述双动模压力成形装置包括电源、滑槽底板、金属动模、金属推杆、传动套筒、驱动装置和模具预热装置；所述驱动装置通过通孔固定于所述滑槽底板上，所述驱动装置与所述传动套筒连接；所述金属动模与所述金属推杆连接，所述金属推杆固定在所述传动套筒内；所述金属动模的下部设置有限位块，所述限位块与所述滑槽底板上的滑槽滑动配合，所述驱动装置、所述传动套筒、所述金属推杆以及所述金属动模轴对称放置有两组；所述模具预热装置安装于所述金属动模上，所述驱动装置与所述电源连接，所述电源以及所述模具预热装置均与所述集成控制系统连接；

所述驱动装置采用电磁铁装置，所述驱动装置通过所述集成控制系统控制；

所述电磁铁装置采用真空环境优化的电磁铁装置，所述电磁铁装置包括漆包线圈、缠线管、外壳和磁芯，所述磁芯滑动安装于所述缠线管中部，所述漆包线圈安装于所述缠线管上，所述磁芯位于所述漆包线圈的中部，所述磁芯连接有所述传动套筒；所述缠线管上安装有所述外壳；

所述模具预热装置包括固定背板、陶瓷保温层、绝缘陶瓷管、电阻丝、热电偶和直流电源；所述固定背板安装于所述金属动模的背部，所述固定背板与所述金属动模之间安装有所述陶瓷保温层；所述电阻丝穿于所述绝缘陶瓷管内，并以S形或螺旋形夹于所述金属动模和所述陶瓷保温层之间，所述电阻丝通过电极法兰与所述直流电源相连；所述热电偶安装于所述金属动模内，所述热电偶以及所述直流电源均与所述集成控制系统连接；

所述金属动模为圆柱形动模或方形动模，所述金属动模的成形面为光滑平面；或者，其中一个或两个所述金属动模的成形面开有型腔形成型腔动模，所述型腔动模上能够配置有排气道和溢流槽。

2.根据权利要求1所述的基于悬浮熔配的金属材料双动模压力成形方法，其特征在于：

所述步骤1中，将所述真空室抽真空至9.0×10^-3 ~ 1×10^-5Pa；

所述步骤3中，通过静电悬浮、电磁悬浮、气动悬浮或超声悬浮对所述金属材料进行悬浮熔配。

3.根据权利要求1所述的基于悬浮熔配的金属材料双动模压力成形方法，其特征在于：所述无容器状态室采用球形真空室或柱形真空室，所述无容器状态室安装有多个观察窗和法兰接口；所述悬浮熔配装置选用静电悬浮装置、电磁悬浮装置、气动悬浮装置或超声悬浮装置。

4.根据权利要求1所述的基于悬浮熔配的金属材料双动模压力成形方法，其特征在于：所述微重力室与所述无容器状态室通过法兰连接，每个所述柱形真空室安装有多个用于金属熔体位置探测的观察窗，每个所述柱形真空室安装有多个法兰接口。

5.根据权利要求1所述的基于悬浮熔配的金属材料双动模压力成形方法，其特征在于：所述压力成形室为柱形腔，并与所述微重力室通过法兰连接；所述压力成形室安装有多个观察窗、电极法兰和法兰接口。

6.根据权利要求1所述的基于悬浮熔配的金属材料双动模压力成形方法，其特征在于：所述真空泵系统包括机械泵和/或分子泵，所述无容器状态室、所述微重力室、所述压力成形室中的一个或多个与所述真空泵系统连接；

所述真空室还连接有气氛源和水冷机，所述气氛源能够向所述真空室充入惰性气体，所述气氛源采用He、Ar中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的基于悬浮熔配的金属材料双动模压力成形方法，其特征在于：所述集成控制系统还连接有红外温度计和光电探测器，所述红外温度计安装于所述无容器状态室的外侧，并靠近所述无容器状态室上的观察窗设置，所述光电探测器架设于所述微重力室底部的观察窗外；

所述集成控制系统具有两种压力延时控制模式，所述集成控制系统在探测到悬浮停止信号后延时通电，或在所述光电探测器探测到所述金属熔体下落到指定高度后延时通电。

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