CN114603072A - 一种基于感应加热的二硼化钛-7075铝基复合材料小叶片的锻造方法 - Google Patents

一种基于感应加热的二硼化钛-7075铝基复合材料小叶片的锻造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于感应加热的二硼化钛‑7075铝基复合材料小叶片的锻造方法，包括：将坯料加热到第一设定温度后放入预热至第一预热温度的挤压模具中，完成小叶片预制坯的预锻成形；将小叶片预制坯加热至第二设定温度后然放入加热至第二预热温度的终锻模具中；在终锻模具中采用第二设定速度下压锻造，在锻造过程中终锻模具通过磁感应加热装置始终保持第三设定温度，完成小叶片的成形。与现有技术相比，本发明通过磁感应加热装置对对终锻模具进行加热，简化了终锻模具的加热工序，磁感应加热装置在成形过程中始终确保终锻模具的温度，从而确保整个锻造过程始终处于最佳锻造温度范围之内，提高材料的流动性和成形性，进而提高最终成形质量。

Description

一种基于感应加热的二硼化钛-7075铝基复合材料小叶片的 锻造方法
技术领域
本发明涉及一种铝基复合材料锻造领域，尤其是涉及一种基于感应加热的二硼化钛-7075铝基复合材料小叶片的锻造方法。
背景技术
颗粒增强铝基复合材料是由纯铝或铝合金作基体，一种或多种高模量陶瓷颗粒做增强相(如二硼化钛TiB2、SiC、Al2O3、TiC等)复合制备而成的材料。颗粒增强铝基复合材料由于具有低密度、高比强度、高比刚度、优良的耐磨性和耐腐蚀性等优点而在航空航天、电子通讯、武器装备等先进制造领域得到了广泛的应用。
铝基复合材料制备过程中，其增强颗粒在基体固液界面的推动下通常会在晶界处形成明显的偏聚，分布不均匀的增强颗粒在变形过程中往往因为与附近基体不协调进而导致出现空洞、裂纹等缺陷，这会明显降低材料的塑性，导致颗粒增强铝基复合材料的可加工性和成形性较差。
传统的热锻造是将坯料加热到预定温度后再转移到模具内进行变形，但由于模具的激冷效应，会导致坯料的实际温度低于设定的最佳锻造温度，导致出现变形不均匀、变形抗力高等问题，甚至会影响微观组织，以致于产品的性能下降。
基于以上问题，需要设计一种新型成形工艺尽可能保证铝基复合材料锻造时的温度，提高材料的流动性和成形性。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于感应加热的二硼化钛-7075铝基复合材料小叶片的锻造方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于感应加热的二硼化钛-7075铝基复合材料小叶片的锻造方法，包括以下步骤：将坯料加热到第一设定温度后放入预热至第一预热温度的挤压模具中；在挤压模具中采用第一设定速度下压锻造，完成小叶片预制坯的预锻成形；将小叶片预制坯加热至第二设定温度后然放入加热至第二预热温度的终锻模具中；在终锻模具中采用第二设定速度下压锻造，在锻造过程中终锻模具通过磁感应加热装置始终保持第三设定温度，完成小叶片的成形；所述磁感应加热装置包括磁场电源和加热线圈，所述加热线圈环绕在终锻模具上，所述加热线圈通过感应磁场电源发出的磁场产生感应电流和热量。
进一步地，所述终锻模具包括模座、模板、下模和上模，所述模座顶面的边缘分布有引导柱，所述模板连接引导柱的顶端，所述下模设置在模座上，所述上模连接模板的底面且正对下模，所述加热线圈环绕设置在下模和上模的外侧。
进一步地，下模和上模上设有热电偶，用于测量模膛的温度。
进一步地，所述下模和上模的外圈还设有水冷机构。
进一步地，所述第一设定温度为350℃～400℃，所述第一预热温度为250℃～300℃。
进一步地，所述第二设定温度为150℃～200℃，所述第二预热温度为350℃～400℃。
进一步地，所述第三设定温度为430～480℃。
进一步地，所述第一设定速度为1mm/s。
进一步地，所述第二设定速度为1mm/s。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过将坯料到小叶片的大变形转化为坯料到预制坯、预制坯到小叶片的两次小变形，降低了颗粒增强铝基复合材料流动性差、变形力大的问题；同时，本发明通过磁感应加热装置对对终锻模具进行加热，简化了终锻模具的加热工序，磁感应加热装置可以在成形过程中始终确保终锻模具的温度，从而确保整个锻造过程始终处于最佳锻造温度范围之内，提高材料的流动性和成形性，进而提高二硼化钛/7075铝基材小叶片最终的成形质量。
2、通过磁感应加热装置的设置，可以采用不同的电流参数及加热时间，以满足不同尺寸的锻造温度需要，并且确保温度始终可控。
附图说明
图1为原始坯料、预制坯、终端叶片的变形示意图。
图2为挤压模具的结构示意图。
图3为加热线圈的结构示意图。
图4为终锻模具的结构示意图。
图5为锻造方法的流程示意图。
图6为不同温度下挤压成形预制坯的流动应力曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例提供了一种基于感应加热的二硼化钛-7075铝基复合材料小叶片的锻造方法。所需锻造的小叶片的形状尺寸如图1所示，为一个通过有限元模拟确定小叶片预制坯。从图中可以看出，小叶片榫头部分为带圆角的长方体，叶身部分则为横截面为椭圆的柱体，两者之间通过椭圆圆角相连接，榫头相较于叶身长度较短，但截面积和厚度却较大，头部凸台通过圆角与榫头相连接，二者之间体积和尺寸相差较大，小叶片预锻坯料具有“中间大，两头小”的形状特点，因此比较适合使用挤压工艺成形坯料。本实施例锻造方法需要用到挤压模具、终锻模具和磁感应加热装置。
如图2所示，挤压模具包括模座1、模板2、凹模3、凸模4和引导柱5等。模座1顶面的边缘分布有引导柱5，模板2连接引导柱5的顶端，凹模3设置在模座1上，凸模4连接模板2的底面正对凹模3。在挤压过程中，凸模4下行，坯料在压力的作用下逐渐流入凹模3形腔，在凸模4形腔中首先成形出头部凸台，在凹模3变形区中成形出椭圆截面连接部分，凸模4继续下行，坯料进入凹模3的定径区，叶身部分在定径区内稳定尺寸，最后进入自由流动区域，完成小叶片预制坯的挤压。
如图3和图4所示，终锻模具的结构和挤压模具类似，区别在于，在终锻模具上安装有磁感应加热装置6。终锻模具包括模座1、模板2、引导柱5、上模7和下模8等，模座1顶面的边缘分布有引导柱5，模板2连接引导柱5的顶端，下模8设置在模座1上，上模7连接模板2的底面正对下模7。磁感应加热装置包括磁场电源和加热线圈。加热线圈分段式环绕设置在上模7和下模8的外侧并通过螺栓固定。磁感应加热装置发出高频磁场，使得加热线圈感应通电后产生热效应，将上模7和下模8的温度升高到预定值，接着将加热后的挤压预制坯放入终锻模具中进行等温锻造，上模7以1mm/s的速度下行，整个过程中，上下模膛内设置热电偶对温度进行实时监测，并反馈到感应电源中，磁场电源通过控制磁场改变输出强度，改变加热线圈的发热量，使终锻模具的变形温度始终维持在一个合适的范围内，从而保证最终的产品质量。在上模和下模外还设有冷却机构，例如冷却水管道，当监测系统监测到加热过程中温度过高时，水冷装置就会通过循环冷却水对线圈进行降温，加热线圈也不会因为温度过高而出现热变形或者熔化的现象。
如图5所示，本实施例的具体执行步骤如下：
步骤1、将24mm×24mm×22mm的二硼化钛/7075铝基复合材料加热到第一设定温度，即350℃～450℃，挤压模具预热到第一预热温度，即250℃～300℃。将坯料放入挤压模具中，挤压模具中的凸模以第一设定速度，即1mm/s的速度下行，坯料在压力的作用下逐渐流入凹模形腔和凸模形腔，在凸模形腔中首先成形出头部凸台，在凹模变形区中成形出椭圆截面连接部分，凸模继续下行，坯料进入凹模的定径区，叶身部分在定径区内稳定尺寸，最后进入自由流动区域，完成小叶片预制坯的挤压。
步骤2、对挤压后的小叶片预制坯进行力学性能测试和微观组织观察，对350℃、400℃、450℃下挤压成形的试样分别切割拉伸试样，并通过原位拉伸测试其力学性能，得到如图6所示的拉伸曲线，采用EBSD观察预制坯的微观组织，可根据预锻对力学性能和微观组织的改善效果确定终锻等温成形的变形参数。
步骤3、对小叶片预制坯进行切边、毛刺清除及吹砂处理，并在表面喷涂氮化硼润滑剂，加热至第二设定温度，即150℃～200℃。将通过磁场电源使加热线圈通电，对终锻模具进行预热，预热至第二预热温度，即350℃～400℃。
步骤4、将加热完成后的小叶片预制坯放入终锻模具中，终锻模具的上模以1mm/s的速度下行，整个过程中，上、下模的模膛内通过热电偶对温度进行实时监测，并反馈到磁感应加热装置中，磁感应加热装置通过控制产生的磁场大小改变加热线圈的温度，使预制坯的变形温度始终维持在最佳的第三设定温度，一般为430～480℃，优选450℃左右。
步骤5、终锻模具内变形结束后，测量小叶片的尺寸，作为充型完整性和尺寸精度的盘踞，并取不同部位的试样分析力学性能和微观组织，计算强度、延伸率、再结晶率、各向同性等性能指标，至此铝基复合材料的等温锻造工艺完成。
综上所述，本发明具有以下优点：通过将坯料到小叶片的大变形转化为坯料到预制坯、预制坯到小叶片的两次小变形，降低了颗粒增强铝基复合材料流动性差、变形力大的困难；通过加热系统和温度控制系统能让模具始终保持合适的锻造温度，保证小叶片获得优良的组织，从而提高二硼化钛/7075铝基复合材料锻件的性能；通过加热线圈对模具进行感应加热，具有非接触、加热功率大、温度易控等特点，可以实现对成形模具的整体加热和控温；通过预锻可以在终锻前改善预制坯料的组织，并根据力学性能测试和微观组织观察确定相应的锻造参数，提高小叶片最终的性能。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于感应加热的二硼化钛-7075铝基复合材料小叶片的锻造方法，其特征在于，包括以下步骤：将坯料加热到第一设定温度后放入预热至第一预热温度的挤压模具中；在挤压模具中采用第一设定速度下压锻造，完成小叶片预制坯的预锻成形；将小叶片预制坯加热至第二设定温度后然放入加热至第二预热温度的终锻模具中；在终锻模具中采用第二设定速度下压锻造，在锻造过程中终锻模具通过磁感应加热装置始终保持第三设定温度，完成小叶片的成形；所述磁感应加热装置包括磁场电源和加热线圈，所述加热线圈环绕在终锻模具上，所述加热线圈通过感应磁场电源发出的磁场产生感应电流和热量。
2.根据权利要求1所述的一种基于感应加热的二硼化钛-7075铝基复合材料小叶片的锻造方法，其特征在于，所述终锻模具包括模座、模板、下模和上模，所述模座顶面的边缘分布有引导柱，所述模板连接引导柱的顶端，所述下模设置在模座上，所述上模连接模板的底面且正对下模，所述加热线圈环绕设置在下模和上模的外侧。
3.根据权利要求2所述的一种基于感应加热的二硼化钛-7075铝基复合材料小叶片的锻造方法，其特征在于，下模和上模上设有热电偶，用于测量模膛的温度。
4.根据权利要求2所述的一种基于感应加热的二硼化钛-7075铝基复合材料小叶片的锻造方法，其特征在于，所述下模和上模的外圈还设有水冷机构。
5.根据权利要求1所述的一种基于感应加热的二硼化钛-7075铝基复合材料小叶片的锻造方法，其特征在于，所述第一设定温度为350℃～400℃，所述第一预热温度为250℃～300℃。
6.根据权利要求1所述的一种基于感应加热的二硼化钛-7075铝基复合材料小叶片的锻造方法，其特征在于，所述第二设定温度为150℃～200℃，所述第二预热温度为350℃～400℃。
7.根据权利要求1所述的一种基于感应加热的二硼化钛-7075铝基复合材料小叶片的锻造方法，其特征在于，所述第三设定温度为430～480℃左右。
8.根据权利要求1所述的一种基于感应加热的二硼化钛-7075铝基复合材料小叶片的锻造方法，其特征在于，所述第一设定速度为1mm/s。
9.根据权利要求1所述的一种基于感应加热的二硼化钛-7075铝基复合材料小叶片的锻造方法，其特征在于，所述第二设定速度为1mm/s。
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