CN115570150A - 一种通过粉末增材轧制近终成形金属构件的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料加工相关技术领域，并公开了一种通过粉末增材轧制近终成形金属构件的方法及装置。该方法包括下列步骤：S1在待成形基材表面进行铺粉，铺粉的同时对粉末施加轧制力，在基材表面形成粉坯层；S2加热粉坯层使其快速合金化，并与基材表面冶金结合形成新的基材层；S3重复步骤S1和S2，直至获得所需工件的构型。本发明还公开了上述方法对应的装置，包括轧制机构、外源能场和铺粉送粉机构、基材设置在相对设置的轧辊之间，铺粉送粉机构两侧设置有侧板，外源能场设置在基材上用于对基材进行加热。通过本发明，解决环形、异形环、盘形、筒形、管材、棒材、板材、“T”形“H”形型材的短流程、低成本、快速化近终成形难题。
Description
技术领域
本发明属于金属材料加工相关技术领域，更具体地，涉及一种通过粉末增材轧制近终成形金属构件的方法及装置。
背景技术
金属材料构件的制造往往通过多道工序长流程的生产过程实现。一般而言，首先需要通过熔炼铸造的方式制备金属锭坯，随后通过开坯锻造或粗轧的方式调质组织、细化晶粒，以提升材料成形能力，避免后续成形过程中的开裂，最后根据成形件最终的目标形状尺寸要求，通过锻造、轧制、挤压等成形工艺制备最终构件。该过程不仅生产流程长，材料损耗大，生产成本高，同时由于成形过程受到材料成形极限的限制，需要将变形量分配到多道次中，对工件反复多火次加热成形，这无疑造成了能源的巨大浪费。并且，面对超大尺寸构件的制造，该生产流程中的各个工序还始终存在难以彻底解决的瓶颈性难题，使大型构件深陷“尺寸效应”的藩篱。以铸造和锻造为例，超大型锭坯铸造在长时、缓慢凝固过程中不可避免地会因溶质富集而导致成分偏析；而其锻造也必然存在因装备力能参数局限、变形量不足而导致的组织不均问题。上述难题在制备钛合金等高化学反应活性、高变形抗力的先进金属材料构件时，表现得尤为突出。
针对上述问题，基于“降维制造”原理的增材制造方法被提出，并广泛应用于先进金属材料的近终、近净成形。但是，一般的增材制造和粉末冶金方法，由于未与热机械成形工艺相结合，在无应力作用下很难达到全致密状态。并且在超大尺寸构件制备与生产效率方面也依然存在瓶颈。因此，现阶段亟需开发一种高效、短流程、低成本、低能耗，并且能彻底突破“尺寸效应”瓶颈的近净成形新方法，以满足国家安全和国民经济战略领域高端装备对超大尺寸构件的重大需求，工业生产对于高效低成本的不懈追求以及国家与社会对于节能减排、低碳环保的巨大期许。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种通过粉末增材轧制近终成形金属构件的方法及装置，解决环形、异形环、盘形、筒形、管材、棒材、板材、“T”形“H”形型材等直线构件的短流程、低成本、快速化近终成形难题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种通过粉末增材轧制近终成形金属构件的方法，该方法包括下列步骤：
S1在待成形基材表面进行铺粉，铺粉的同时对所铺的粉末施加轧制力，在所述基材表面形成粉坯层；
S2加热所述粉坯层使其快速合金化，并与所述基材表面冶金结合形成新的基材层；
S3重复步骤S1和S2，直至获得所需工件的构型。
进一步优选地，在步骤S2后，根据待成形工件的形状，调整施加在基材表面的轧制力与基材之间的夹角，以此调整成形方向，满足待成形工件构型的要求。
进一步优选地，在步骤S1中，所述铺粉、轧制和加热是连续一体的过程。
进一步优选地，在步骤S1中，所述轧制过程中，对粉料侧方进行限位，避免粉料向两侧外延。
进一步优选地，在步骤S1中，所述铺粉中的粉末为金属或者合金粉末，形态为冷态粉末或者预热后的粉末。
进一步优选地，在步骤S2中，所述加热采用热、电、磁、激光、电子束、等离子中的一种或多种耦合。
进一步优选地，在步骤S1中，所述轧制过程中，轧制的方向垂直于所述粉料或者与所述粉料呈锐角，以实现环形、异形环、盘形、筒形、管材、棒材、板材、“T”形“H”形型材等直线构件的短流程、低成本、快速化近终成形。
按照本发明的另一个方面，提供了一种利用上述所述的方法进行成形的装置，轧制机构、外源能场和铺粉送粉机构、其中：
所述轧制机构为一组相对设置的轧辊，所述铺粉送粉机构设置在所述轧制机构的一侧，基材设置在相对设置的所述轧辊之间，所述铺粉送粉机构在所述基材上方用于向所述基材上铺粉，该铺粉送粉机构的两侧设置有侧板，在轧制粉料的过程中用于封堵两侧的粉料避免轧制过程中粉料向两侧外延，所述外源能场设置在所述基材上用于对所述基材进行加热。
进一步优选地，所述轧辊的轴向平行与所述基材。
进一步优选地，所述轧辊的轴向与所述基材呈锐角。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
1.本发明所提供的方法中一边铺粉、一边压制制坯、一边加热合金化、一边轧制成形成构件，三～四个工序连续一体，与现有增材制造中的单个切片层整体铺完粉，然后再进行后续的工序相比，本发明提供的方法过程连续，理论上只要保证粉料的持续供应，待成型构件的尺寸可以无限大；
2.本发明在成形过程中通过调整轧制力与基材的夹角，以此在成形过程中不断调整成形方向，进而使得成形获得的零件满足特定的形状要求，实现成形零件的柔性成形；
3.本发明提供的方法彻底改变超大尺寸构件成形方式，实现真正意义上的一火近终、近净成形，具备短流程、低成本、快速化的巨大优势，能够大幅降低材料损耗，提升能源利用率，并且大幅降低构件生产装备的占地面积与成本投入，是一种面向未来的全新制造方法；
4.本发明所提供的方法利用增材“降维制造”原理进行金属构件的热机械成形，同步解决了超大重量合金锭凝固偏析、超大尺寸锻件组织不均、粉末冶金与3D打印无法全致密以及装备体量与力能参数极限造成的“尺寸效应”瓶颈等诸多难题，能够有效实现高性能超大尺寸构件的一体化制备；
5.本发明所提供的方法应用范围广，不仅可应用于环形件、异形环件、盘形件、筒形件、管材、棒材等回转形构件的制备，同时也可应用于板材、“T”形“H”形型材等直线构件制备，基本涵盖了国民经济生产领域中绝大部分的通用构件。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例1所构建的增材轧制近终成形金属构件的方法的装置的结构示意图；
图2是按照本发明的优选实施例2所构建的增材轧制近终成形金属构件的方法的装置的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-合金化后的工件，2-外源能场，3-粉坯增材层，4-轧辊，5-侧封板， 6-粉池，7-铺粉送粉机构，8-工件合金基体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
一种通过粉末增材轧制近终成形金属构件的方法，包括如下步骤：
S1：金属(或合金)粉末在铺送粉装置作用下连续均匀地注入由轧辊、工件增材面与侧封板所围成的粉池内，并在轧辊的轧制作用下均匀粘接于基材表面，并在轧制力作用下轧制形成粉坯增材层；
S2：由外源能场向轧坯层提供能量，使轧坯层快速合金化，与基材表面结合为一体；
步骤3：在一层增材层全部与基材冶金结合后，工件反向运动，以上一层增材层外法面为新的增材面，重复S1及S2，直至工件达至目标形状。
优选地，S1中轧辊，其辊形可以为但不限于为锥形、弧形、曲面形、凹凸形，同时可以为但不限于为液压胀形辊、电磁热胀形辊等辊形可变的柔性轧辊，其空间位置在工作过程中可变化；
优选地，工件的目标形状可以为但不限于为环形、管形、板形、棒形、 T形、H形，S1中轧辊的辊形根据工件的目标形状而设定；
优选地，S3中的工件运动，针对于回转形工件，如环形工件、棒形工件与管形工件可以在轧制作用下回转完成，针对于直线形工件，如板形工件、T形工件与H形工件，可以在轧辊反转牵引下完成，也可以在其他机构牵引下完成；
优选地，S1中工件在轧制作用牵引下的进给路径，可以为但不限于为直线、圆形线和螺旋线；
优选地，S1中的轧辊轴线可垂直于工件在轧制作用牵引下的进给方向，也可以与工件在轧制作用牵引下的进给方向呈一定角度，S1中的轧辊轴线可平行于工件外法向面，也可以与工件外法向面呈一定角度；
优选地，S2中提供外源能场的方式可以为但不限于为热、电、磁、激光、电子束、等离子中的一种或多种耦合；
优选地，S1中铺粉送粉机构向粉池内注入的金属(或合金)粉末，可以为冷态粉末或预热后的热态粉末；
优选地，S2与S3之间可以增加步骤S2-2：对合金化后的工件一次或分多次施加力的作用，用以促使工件成形与致密化，同时还可以起到组织调控的效果，其施加力的方式可以为但不限于为轧制、锻造、挤压等；
优选地，S1中注入粉池的金属(或合金)粉末可以为一种或多种粉末；材料体系包括高温合金、不锈钢、钛合金等所有金属材料。
S3中一层增材轧制过程完成后，下一层增材轧制过程可铺送上一层增材轧制过程同种金属(或合金)粉末，也可以铺送异种或异成分配比金属 (或合金)粉末，应用于多梯度复合材料的制备；
优选地，方法的工艺过程，可在大气环境中进行，也可在气氛保护或真空环境下进行，通过气氛保护或真空环境避免空气中的氧、氮等元素，对工件材料质量造成影响。
下面将结合具体的实施例进一步说明本发明。
实施例1
本发明对应的一种通过粉末增材轧制近终成形金属构件的方法，下面结合附图1，以TC4钛合金环件为例，具体说明本发明的实施方法。
该实施例中，纯钛与铝钼钒合金的混合粉末被加热至350℃，在铺粉送粉机构的输送下连续均匀地注入粉池内，调整粉末输送速度，维持粉池高度保持在50mm，两轧辊辊径分别为350mm与500mm，轧辊间辊缝宽度为 2mm；粉末进入粉池后，在两轧辊旋转带来的轧制力作用下致密化粘结为粉坯层，轧制速度
由于辊径差异粉坯层呈弧形；在轧制作用下，粉坯层呈圆形线进给，在电磁感应线圈外源能场的加热作用下，升温至 1350℃，在通过线圈所在弧长的过程中迅速烧结合金化；在抱辊机构引导下，进入另一对辊径同样为350mm与500mm的轧辊间隙中，二道次轧制减薄扩径；在轧制作用引导下继续进给进入粉池，调整轧辊间隙，保持合金化后工件与500mm轧辊间隙为2mm，在轧制作用下，工件合金层外表面重新粘接2mm厚度的粉坯层；而后经电磁感应线圈外源能场烧结作用，快速合金化并与基体形成冶金结合；这一过程周而复始逐层增材，直至工件达至目标尺寸。
实施例2
本发明对应的一种通过粉末增材轧制近终成形金属构件的方法，下面结合附图2，以TC4钛合金大口径管材为例，具体说明本发明的实施方法。
该实施例中，轧辊选用锥形轧辊，轧辊轴线与进给方向倾角为10°，与工件外法向面倾角为30°，工件在轧制作用下，呈螺旋线形式进给，轧辊数量为3对。
该实施例中，纯钛与铝钼钒合金的混合粉末在铺粉送粉机构的输送下连续均匀地注入粉池内，调整粉末输送速度，维持粉池高度保持在50mm，两轧辊辊径尺寸相同，小端为300mm大端为500mm，轧辊轴线主视面角度为30°，俯视面角度为10°；粉末进入粉池后，在两轧辊旋转带来的轧制力作用下致密化粘结为直角梯形粉坯层，由于两轧辊轴线俯视面角度的存在，粉坯层呈弧形；在轧制作用下，粉坯层呈螺旋线进给，在电磁感应线圈外源能场的加热作用下，升温至1350℃，在通过线圈所在弧长的过程中迅速烧结合金化；随后一次进入另外两对轧辊参数与上述完全一致的轧辊间隙内，在轧制力作用下夹持整形，形成圆形初始管坯；在轧制作用引导下，工件继续呈螺旋线方式进给，圆形初始管坯进给进入粉池；此时，工件截面为直角梯形，直角梯形长边沿进给方向形成的曲面成为增材表面，粉池由此面围成；调整轧辊间隙，保持合金化后工件的增材表面与轧辊间隙为 2mm，在轧制作用下，工件合金层外表面重新粘接2mm厚度的粉坯层；而后经电磁感应线圈外源能场烧结作用，快速合金化并与基体形成冶金结合；这一过程周而复始逐层增材，直至工件达至目标尺寸。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种通过粉末增材轧制近终成形各型金属构件的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
S1在待成形基材表面进行铺粉，铺粉的同时对所铺的粉末施加轧制力，在所述基材表面形成粉坯层；
S2加热所述粉坯层使其快速合金化，并与所述基材表面冶金结合形成新的基材层；
S3重复步骤S1和S2，直至获得所需工件的构型。
2.如权利要求1所述的一种通过粉末增材轧制近终成形金属构件的方法，其特征在于，在步骤S2后，根据待成形工件的形状，调整施加在基材表面的轧制力与基材之间的夹角，以此调整成形方向，满足待成形工件构型的要求。
3.如权利要求1所述的一种通过粉末增材轧制近终成形金属构件的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述铺粉、压制制坯、加热冶金化、轧制成形是连续一体的过程。
4.如权利要求1或2所述的一种通过粉末增材轧制近终成形金属构件的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述轧制过程中，对粉料侧方进行限位，避免粉料向两侧外延。
5.如权利要求1或2所述的一种通过粉末增材轧制近终成形金属构件的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述铺粉中的粉末为金属或者合金粉末，形态为冷态粉末或者预热后的粉末。
6.如权利要求1或2所述的一种通过粉末增材轧制近终成形金属构件的方法，其特征在于，在步骤S2中，所述加热采用热、电、磁、激光、电子束、等离子中的一种或多种耦合。
7.如权利要求1或2所述的一种通过粉末增材轧制近终成形金属构件的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述轧制过程中，轧制的方向垂直于粉料或者与粉料呈锐角。
8.一种利用权利要求1-7任一项所述的方法进行成形的装置，其特征在于，轧制机构、外源能场和铺粉送粉机构、其中：
所述轧制机构为一组相对设置的轧辊，所述铺粉送粉机构设置在所述轧制机构的一侧，基材设置在相对设置的所述轧辊之间，所述铺粉送粉机构在所述基材上方用于向所述基材上铺粉，该铺粉送粉机构的两侧设置有侧板，用于在轧制粉料的过程中封堵两侧的粉料避免轧制过程中粉料向两侧外延，所述外源能场设置在所述基材上用于对所述基材进行加热。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述轧辊的轴向平行与所述基材。
10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述轧辊的轴向与所述基材呈锐角，以实现环形、异形环、盘形、筒形、管材、棒材、板材、“T”形“H”形型材的短流程、低成本、快速化近终成形。
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