CN113976659A - 一种基于外场辅助增材制造金属管材的方法 - Google Patents

一种基于外场辅助增材制造金属管材的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于外场辅助增材制造金属管材的方法，其步骤为：采用外场辅助增材制造制备组织细小均匀管坯；对管坯进行表面处理和退火处理；对管坯进行多道次塑性加工和中间热处理；管材表面清洗和成品热处理；进行矫直，获得成品管材。本发明的基于外场辅助增材制造金属管材的方法摆脱传统管材的多工序、超长流程、大吨位装备多、材料利用率低、投资巨大且能耗大的制备加工体系，具有工序少、流程短、能耗少、成形加工省力且环保的优势，符合当前绿色生产的要求，有助于推动高质量管材的变革性制备，极具应用前景。

Description

一种基于外场辅助增材制造金属管材的方法
技术领域
本发明属于金属管材制备加工技术领域，涉及一种基于外场辅助增材制造金属管材的方法，特别涉及一种基于外场辅助增材制造高质量金属管材的方法。
背景技术
金属管材广泛应用于航空、航天、核工业、船舶、交通、电子、石油化工、电力等各个行业的管路系统，是现代工业不可或缺的“血管”。金属管材市场巨大，需求量稳步增长，前景广阔。金属管材在国民经济发展，推动国防和基础设施建设方面发挥着十分重要作用，
金属管材的加工研究自1797年英国人布拉曼发明金属挤压开始，1820年英国人布恩提出挤压模、挤压杆与穿孔针的概念；1863年英国人肖伯纳在铅管挤压机设计上取得了突破，1867年法国人哈蒙采用固定穿孔针挤压管材，1894年德国人迪克设计并制造了第一台可用于挤压黄铜的卧式挤压机；1930年出现钢的热挤压，1941年法国于吉纳钢公司发明玻璃润滑剂之后，钢的挤压得到较大发展。1885年曼内斯曼兄弟发明斜轧穿孔工艺，1890年发明周期轧管工艺。100多年里管材制备加工的主体工艺路线：熔铸(非真空熔炼、真空熔炼等)→锻造开坯→管坯制备(斜轧穿孔/挤压/锻造等)→多道次减径变薄塑性(多道次轧制、旋压、拉拔等)+中间热处理→清洗和成品热处理→矫直(精整)→成品。
目前钛合金、镍基合金、不锈钢等合金的高精度高性能薄壁管材的主体生产技术为熔铸→锻造开坯→挤压开坯→多道次周期式两辊轧制+中间退火→多道次周期式三辊轧制+中间退火→成品精轧→清洗和成品热处理。如生产规格为Φ50mm×0.7mm的镍基合金、钛合金、不锈钢的高精度高性能薄壁管材需采用吨级的真空或非真空熔炼设备进行多次熔炼或多联熔炼，对铸锭(直径为Ф200-Ф500mm)进行车削机加工扒皮(部分材料被浪费)，机加工的锭坯加热后在千吨级甚至万吨级的锻造机上开坯锻造，车削机加工锻棒，对锻棒冲孔或钻孔(部分材料被浪费)，然后在双动热挤压机(吨位为3000吨以上甚至万吨)进行挤压，挤压管坯内外表面机加工(部分材料被浪费)。挤压管坯厚度为15～20mm，挤压管坯壁厚较厚，需要进行约20～30道次的减径减壁以及5～10次的中间退火处理，生产规格为Φ50mm×0.7mm的高精度薄壁管材从熔炼到成品，需要长达60多道次工序，生产流程长，多次的机械加工部分材料被浪费，管材的成材率为50％左右。
目前大直径薄壁管材采用锻棒+锻造/反挤压/复合挤压制坯/环轧+变薄旋压(强力旋压/滚珠旋压)制备，如生产规格为Φ450mm×0.5mm的镍基合金大直径薄壁管材，采用锻造/反挤压/复合挤压制备的管坯壁厚为25～50mm，一般机加工成壁厚为10～15mm的旋压管坯，大直径薄壁管材制备加工的材料利用率仅为15％，大部分昂贵的镍基合金和钛合金等材料被浪费。由此可以看出金属管材传统的制备方法是复杂、长流程的高能耗过程。
金属增材制造技术是以激光束、电子束、离子束、电弧等高能束流作为热源，通过熔化粉材或丝材实现金属构件逐层堆积成形。采用粉材的金属选区激光熔化(SLM)成形技术是目前金属增材制造中发展最成熟的技术，但是金属粉末制备污染严重，金属粉末对人体有一定的危害作用，虽然粉材的金属选区激光熔化(SLM)成形技术在单件、小批量的生产中获得广泛的应用，但是以金属粉末为原料的增材制造技术，由于对粉末生产的特殊要求，以及金属粉末的本征特点，特别是对环境的污染和人体的危害，制约了其工业化应用，难以实现大批量规模化工业生产。
由于丝材生产环境友好，对人体无任何危害风险，以丝材为原料的增材制造，在原材料方面具有显著优势，采用电子束、激光、离子束或电弧等作为热源，将金属丝材加热熔化，连续堆积形成沉积层，最终形成近终尺寸，具有成形效率高，制造成本低等优点。然而，传统丝熔化增材制造产品组织粗大、气孔等微缺陷较多，后续成形加工易出现开裂等缺陷，成材率低，成本高。
因此，开发一种缺陷少、成材率高且成本低廉的丝材增材制造管材的方法极具现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有粉材增材制造管材环境污染性大且难以工业化，丝材增材制造管材缺陷多、成材率低且成本过高的缺陷，提供一种缺陷少、成材率高且成本低廉的丝材增材制造管材的方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于外场辅助增材制造金属管材的方法，其步骤如下：
(1)采用外场辅助增材制造制备组织细小均匀管坯；
(2)对管坯进行表面处理和退火处理；
(3)对管坯进行多道次塑性加工和中间热处理；
(4)管材表面清洗和成品热处理；
(5)进行矫直，获得成品管材(高质量管材)。
本发明的基于外场辅助增材制造金属管材的方法，首次将外场辅助增材制造和塑性加工技术相结合，提出金属管材短流程变革性制备技术构想，其在采用外场辅助增材制造制得管坯后对管坯进行塑性加工，不仅克服了现有丝熔化增材制造产品缺陷多、成材率低、成本高的缺陷，而且分步处理，其对专用设备、制造难度等要求较低，可方便地与现有管材制造工艺匹配，降低成本，工艺匹配度高，其摆脱了管材传统多工序、超长流程、大吨位装备多、材料利用率低、投资巨大、能耗大的高耗能制备加工技术体系，具有工序少、流程短、低载荷、能耗低、成形加工省力、绿色环保等特点。同时其适用性极强，几乎适宜于增材制造和塑性加工的所有金属及金属基复合材料管材制备，亦适用于无外场辅助管材制备；极具应用前景。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种基于外场辅助增材制造金属管材的方法，步骤(1)中，所述增材制造的热源为激光、电弧、电子束或离子束等，所述外场为力场、电磁场、超声和电脉冲等中的一种以上。
如上所述的一种基于外场辅助增材制造金属管材的方法，所述增材制造的原材料为丝材，其材质为不锈钢、铝合金、镁合金、钛合金、镍基合金、铌合金、钽合金或钼合金等适宜增材制造的金属、合金以及金属基复合材料。此外，本发明的方法也可以粉材作为原材料，当然相对而言，粉材不可避免地也将带来环境问题。
如上所述的一种基于外场辅助增材制造金属管材的方法，步骤(2)中，所述表面处理具体为对管坯的内、外表面进行打磨、机加工或抛光。
如上所述的一种基于外场辅助增材制造金属管材的方法，步骤(3)中，所述塑性加工的方法为管材轧制、管材变薄旋压、管材滚珠旋压和管材拉拔中的一种以上；外径小于6mm的管材主要通过拉拔成形，外径小于100mm的管材主要采用轧制成形，外径为大于100mm的管材主要采用强力变薄旋压成形，其中规格为Φ100～Φ300mm×0.1～0.5mm的管材主要采用滚珠旋压成形，以上仅为建议方案，当然本领域技术人员可根据实际需求选择合适的塑性加工手段；
所述塑性加工的道次加工率为5％～50％；所述中间热处理的总变形量为50％～85％，所述中间热处理为退火或固溶处理。
如上所述的一种基于外场辅助增材制造金属管材的方法，步骤(4)中，所述清洗为常规清洗，以清除油腻；所述成品热处理为退火或固溶时效处理，其具体可根据客户要求进行选择。
如上所述的一种基于外场辅助增材制造金属管材的方法，步骤(5)中，所述矫直的方法为多辊矫直、张力矫直和微扩径整形中的一种以上。
有益效果：
(1)本发明的基于外场辅助增材制造金属管材的方法，以低能耗、低载荷绿色成形加工为主导思路，首次将外场辅助增材制造和塑性加工技术相结合，提出金属管材短流程变革性制备技术构想；
(2)本发明的基于外场辅助增材制造金属管材的方法，在采用外场辅助增材制造制得管坯后对管坯进行塑性加工，不仅克服了现有丝熔化增材制造产品缺陷多、成材率低、成本高的缺陷，而且分步处理，其对专用设备、制造难度等要求较低，可方便地与现有管材制造工艺匹配，降低成本，工艺匹配度高；
(3)本发明的基于外场辅助增材制造金属管材的方法，摆脱了管材传统多工序、超长流程、大吨位装备多、材料利用率低、投资巨大、能耗大的高耗能制备加工技术体系，具有工序少、流程短、低载荷、能耗低、成形加工省力、绿色环保等特点；
(4)本发明的基于外场辅助增材制造金属管材的方法，适用性极强，几乎适宜于增材制造和塑性加工的所有金属及金属基复合材料管材制备，极具应用前景。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式做进一步阐述，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。
实施例1
一种基于外场辅助增材制造金属管材的方法，其步骤如下：
以Inconel690丝材为原材料，采用外场辅助为力场和热源为电弧的微铸微滚压制备管坯，管坯经内外表面进行抛光，清理表面缺陷和清洗后，管坯规格为Φ54mm×4mm，对管坯进行退火，退火温度为1150℃，保温1小时。在两辊周期式轧机上经过2道次冷轧成Φ45mm╳2mm的管材，两辊冷轧总变形量为57％，然后进行中间退火处理，退火温度为1120℃，保温1小时。在三辊周期式轧机上经过5道次冷轧成Φ40mm×0.7mm的管材，管材清洗后进行成品退火，温度为1100℃，保温0.5小时。在多辊矫直机上进行矫直，获得成品管材(规格为Φ40mm╳0.7mm的Inconel690管材)。制得的成品管材的抗拉强度大于640MPa，屈服强度大于280MPa，延伸率大于35％。管材的成材率为80％以上。
实施例2
一种基于外场辅助增材制造金属管材的方法，其步骤如下：
以2024合金丝材为原材料，采用外场辅助为力场和热源为电弧的微铸微滚压制备管坯，管坯经内外表面进行打磨和抛光，消除内外表面缺后管坯的规格为Φ408mm×5mm，将管坯进行退火，退火温度为420℃，保温1.5小时。在三轮强力精密旋压机上经过3道次强力变薄旋压成Φ400.2mm×1.6mm的管材。管材清洗后进行成品固溶时效处理，固溶温度为480℃，保温2小时，时效温度为170℃，时效时间为24小时。在立式液压机上对管材进行微扩径精整，然后对管材进行抛光消除旋压纹，获得成品管材(规格为Φ400mm×1.5mm的2024合金管材)。管材的成材率为70％以上。
实施例3
一种基于外场辅助增材制造金属管材的方法，其步骤如下：
以TA2丝材为原材料，采用外场辅助为超声振动和热源为激光的丝材激光沉积制备管坯，管坯经内外表面进行抛光，清理表面缺陷和清洗后，管坯规格为Φ72mm×4mm，对管坯进行退火，退火温度为750℃，保温1小时。在三辊周期式轧机上经过6道次冷轧成Φ40mm×0.7mm的管材，管材清洗后进行成品退火，温度为700℃，保温1小时。在多辊矫直机上进行矫直，获得成品管材(规格为Φ40mm×0.7mm的TA2管材)。管材的成材率为75％以上。
实施例4
一种基于外场辅助增材制造金属管材的方法，其步骤如下：
以Nb-1Zr丝材为原材料，采用外场辅助为电磁场和热源为电子束的电子束沉积制备管坯，管坯经内外表面进行抛光，清理表面缺陷和清洗后，管坯规格为Φ45mm×3.2mm，对管坯进行退火，退火温度为1200℃，保温1小时。在三辊周期式轧机上经过5道次冷轧成Φ35mm×1mm的管材，管材清洗后进行成品退火，温度为1150℃，保温1小时。在多辊矫直机上进行矫直，获得成品管材(规格为Φ35mm×1mm的Nb-1Zr管材)。管材的成材率为80％以上。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应该理解，这些仅是举例说明，在不违背本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。

Claims (7)

1.一种基于外场辅助增材制造金属管材的方法，其特征在于，其步骤如下：
(1)采用外场辅助增材制造制备组织细小均匀管坯；
(2)对管坯进行表面处理和退火处理；
(3)对管坯进行多道次塑性加工和中间热处理；
(4)管材表面清洗和成品热处理；
(5)进行矫直，获得成品管材。
2.根据权利要求1所述的一种基于外场辅助增材制造金属管材的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述增材制造的热源为激光、电弧、电子束或离子束，所述外场为力场、电磁场、超声和电脉冲中的一种以上。
3.根据权利要求1所述的一种基于外场辅助增材制造金属管材的方法，其特征在于，所述增材制造的原材料为丝材，其材质为不锈钢、铝合金、镁合金、钛合金、镍基合金、铌合金、钽合金或钼合金。
4.根据权利要求1所述的一种基于外场辅助增材制造金属管材的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述表面处理具体为对管坯的内、外表面进行打磨、机加工或抛光。
5.根据权利要求1所述的一种基于外场辅助增材制造金属管材的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述塑性加工的方法为管材轧制、管材变薄旋压、管材滚珠旋压和管材拉拔中的一种以上；
所述塑性加工的道次加工率为5％～50％；所述中间热处理的总变形量为50％～85％，所述中间热处理为退火或固溶处理。
6.根据权利要求1所述的一种基于外场辅助增材制造金属管材的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述成品热处理为退火或固溶时效处理。
7.根据权利要求1所述的一种基于外场辅助增材制造金属管材的方法，其特征在于，步骤(5)中，所述矫直的方法为多辊矫直、张力矫直和微扩径整形中的一种以上。
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