CN115780805A - 一种合金型材的立式连续增材挤压装备及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于粉末冶金技术领域，并具体公开了一种合金型材的立式连续增材挤压装备及制备方法，其包括机架、组合模具、送粉组件、压头和加热装置，组合模具包括上模具和下模具，上模具固定于机架上，呈环形，中部为通孔；下模具位于上模具下方，中心开设有通孔，下模具通孔的面积由上至下逐渐缩减，且其上端孔型与上模具通孔孔型一致，下端孔型为待制备型材的截面形状；送粉组件用于将预合金粉末推送至通孔中；压头用于对组合模具中的预合金粉末提供压力，将其压制成粉坯；上模具通孔下部的内表面开有环形槽，加热装置设置在该环形槽中；加热装置对粉坯进行加热烧结。本发明在一台装备上连续化完成全部工序，可提升生产效率和产品质量。

Description

一种合金型材的立式连续增材挤压装备及制备方法

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，更具体地，涉及一种合金型材的立式连续增材挤压装备及制备方法。

背景技术

合金型材是金属材料通过塑性加工工艺制成的具有一定断面形状和尺寸的实心直条，不仅具备安装定位功能，同时可以基于形状设计有效提升抗弯强度，从而利用其减轻结构重量。被广泛应用于建筑、机械制造、交通运输、海洋工程、石油化工等诸多领域。目前现有的型材制备往往通过熔铸制锭-开坯改锻-轧制或挤压成型的方式，不仅生产工序繁琐、产线占地面积广、能源利用率低、材料损耗居高不下，同时大多数复杂断面型材(如工字钢、H型钢、Z字钢、槽钢、钢轨等)在轧制成形过程中的金属流动规律极难把握，为形状尺寸精度控制提出了极大地挑战。为满足型材多样化、个性化的应用需求，相应开发出了二辊式轧机、三辊式轧机、四辊万能孔型轧机、多辊孔型轧机、Y型轧机、45°轧机和悬臂式轧机等一系列的轧机形式。但是复杂断面型材的单个品种或规格通常批量较小，使型材制备深陷于装备投入与产品利润的对冲矛盾，极大地限制了型材制备技术的发展。尤其针对于钛合金与钛铝合金这类高化学反应活性、低塑性成形能力的合金体系，其型材制备更是饱受高成本、低效率、高材料损耗与裂纹问题的困扰。

因此，迫切的需要开发一种新装备与新工艺，实现合金型材的高效连续制造，从而大幅降低合金型材的生产成本与制备难度，促使其取得更广泛的应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种合金型材的立式连续增材挤压装备及制备方法，其目的在于，实现合金型材的高效连续制造，适应各种形状型材制造，并提高型材质量。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种合金型材的立式连续增材挤压装备，包括机架、组合模具、送粉组件、压头和加热装置，其中：

所述组合模具包括上模具和下模具，所述上模具固定于所述机架上，上模具呈环形，中部为通孔；所述下模具位于所述上模具下方，中心开设有通孔，下模具通孔的面积由上至下逐渐缩减，且其上端孔型与上模具通孔孔型一致，下端孔型为待制备型材的截面形状；

所述送粉组件用于将预合金粉末推送至上模具的通孔中；

所述压头设置在上模具上方，用于对组合模具中的预合金粉末提供压力，将预合金粉末压制成粉坯；

所述上模具通孔下部的内表面开有环形槽，所述加热装置设置在该环形槽中；加热装置用于对压制形成的粉坯进行加热烧结，使其烧结为预合金锭坯。

作为进一步优选的，所述送粉组件包括依次连接的储粉罐、密封阀、粉料推送装置，所述粉料推送装置出口对准所述上模具的通孔，用于将预合金粉末自所述储粉罐推送到该通孔中。

作为进一步优选的，所述粉料推送装置为一套或多套，沿所述上模具周向环形布局；粉料推送装置的送粉形式为传送带铺送、螺旋推送、重力传送或正负压输送，送粉速度可调节。

作为进一步优选的，所述储粉罐上加装有加热器，加热器用于提前预热粉末，预热温度可调节；加热器的预热方式为射频等离子加热、等离子电弧喷枪加热、高中频感应加热、钼带热场加热、电阻丝加热、硅钼棒加热或硅碳棒加热。

作为进一步优选的，还包括真空系统，所述真空系统包括依次连接的真空腔、密封圈和真空泵组，所述真空腔安装在所述上模具上，其与上模具和下模具共同构成真空密封；所述压头与所述真空腔之间通过所密封圈实现真空密封，所述真空泵组用于将真空腔抽至真空状态。

作为进一步优选的，所述上模具的通孔与上模具上平面交线倒角，便于合金粉末滑入模具。

作为进一步优选的，所述加热装置的加热方式为射频等离子加热、等离子电弧喷枪加热、高中频感应加热、钼带热场加热、电阻丝加热、硅钼棒加热或硅碳棒加热，且加热功率可调节；所述加热装置上设有测温机构，该测温机构用于监测锭坯温度，从而闭环反馈调节所述加热装置的加热功率。

作为进一步优选的，还包括型材剪切机构，该型材剪切机构设置在所述下模具下端，用于将被下模具挤压形成的型材剪断收取。

按照本发明的另一方面，提供了一种合金型材的制备方法，其采用上述立式连续增材挤压装备进行制备，具体包括如下步骤：

S1：将引锭坯放置于组合模具中；

S2：开启加热装置，将处于加热装置环绕中的引锭坯加热至指定温度；

S3：压头进行压下动作，挤压引锭坯封闭下模具下出口；

S4：通过送粉组件将预合金粉末注入上模具的中心通孔内，直至指定高度；

S5：压头进行压下动作，将预合金粉末及其下方的引锭坯压下一定距离，引锭坯在下模具中发生热塑性变形对预合金粉末产生反作用力，使预合金粉末在上模具内压制为粉坯；

S6：抬起压头，直至高于上模具上平面；

S7：重复步骤S4～S6，直至未烧结粉坯下降至加热装置环绕位置，加热装置将粉坯加热烧结为预合金锭坯；

S8：重复步骤S4～S7，直至由下模具挤压出的型材长度达至目标尺寸，完成合金型材的制备。

作为进一步优选的，步骤S7加热装置对粉坯进行加热烧结的过程，与步骤S4～S6的过程同步进行。

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，主要具备以下的技术优点：

1.本发明通过预合金或混合粉末逐层压制-烧结挤压成形制备钛合金型材，在一台装备上连续化完成填粉-压制-烧结-挤压等全部工序，不仅大幅提升了生产效率与材料利用率，节约了能源消耗，同时能够显著降低装备投入与产线占地面积，是面向合金型材大规模工业化生产的颠覆性新技术。

2.本发明能够有效避免合金粉坯与粉料在多道工序之间转运过程中的氧化问题，确保使用该设备及方法所生产合金型材保持低氧含量水平。

3.本发明设计了上下模具，分体设计便于更换，可适应制备不同形状的型材；同时下模具通孔变径，促使预合金粉末在压力条件下实现烧结，并随之发生挤压变形，不仅能够显著提升烧结效率，同时也能够促使所制备型材的致密化与晶粒细化，大幅提升合金型材产品质量，特别适合于钛合金型材制备。

附图说明

图1为本发明实施例合金型材的立式连续增材挤压装备结构示意图。

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-压头进给液压缸，2-机架，3-储粉罐，4-密封阀，5-粉料推送装置，6-上模具固定架，7-机架底座，8-压头，9-密封圈，10-真空腔，11-上模具，12-加热装置，13-下模具，14-型材剪切机构，15-型材。

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。

本发明实施例提供的一种合金型材的立式连续增材挤压装备，如图1所示，包括机架2、组合模具、上模具固定架6、机架底座7、送粉组件、压头进给液压缸1、压头8、加热装置12和型材剪切机构14，其中：

所述组合模具包括上模具11和下模具13，所述上模具11通过所述上模具固定架6固定于所述机架2上；所述上模具11呈环形，中部为通孔，通孔截面与所述压头8截面保持一致，用于将预合金(或混合)粉末保持于模具中，避免在压力作用下预合金(或混合)粉末沿周向外溢，通孔与上平面交线倒角，便于注入的预合金(或混合)粉末滑入模具。

所述上模具11下部通孔的内表面开有环形槽，将所述加热装置12布局于环形槽中，所述加热装置12的内表面不突出于所述上模具11中心通孔的内表面；所述加热装置12用于对经压制作用形成粉坯的预合金(或混合)粉末进行加热，使其烧结为预合金(或混合)锭坯。

所述下模具13位于所述上模具11下方，中心同样开有通孔，通孔面积由上至下逐渐缩减，用于产生挤压比，对上方预合金(或混合)粉末在所述压头8作用下的下移提供反向作用力，使预合金(或混合)粉末在双向作用下压制成坯，最上方的孔型与所述上模具11保持一致，并对准所述上模具11中心通孔，最下方的孔型为所制备型材截面形状。所述下模具13可固定于所述上模具11或所述机架底座7上，也可同时固定于两者。

所述送粉组件用于将预合金粉末推送至上模具11的通孔中；所述送粉组件包括储粉罐3、密封阀4、粉料推送装置5，所述粉料推送装置5出口对准所述上模具11中心通孔，用于将预合金(或混合)粉末自所述储粉罐3，推送至所述上模具11中心通孔中。

所述压头进给液压缸1安装于所述机架2顶部，与所述压头8相连接，为压头运动提供动力；所述压头8用于对所述上模具11与下模具13形成的组合模具中的预合金(或混合)粉末提供压力，将预合金(或混合)粉末压制成粉坯。

所述型材剪切机构14设置在所述下模具13下端，用于将由粉坯挤压形成的型材剪断收取。

优选地，还包括真空系统，其包括依次连接的真空腔10、密封圈9、真空管道和真空泵组，用于对未经烧结合金化的预合金(或混合)粉末起到保护作用，避免预合金(或混合)粉末氧化；所述压头8与所述真空腔10之间通过所述密封圈9实现真空密封，所述真空泵组用于将所述真空腔室抽至真空状态。

进一步优选地，所述真空腔10可安装于所述上模具11上，与所述上模具11与所述下模具13共同构成能够实现真空密封的封闭腔室，用以减小所述真空腔10尺寸，所述下模具13出口处的密封由被挤压出的所述型材15实现。

优选地，所述加热装置12加热方式为射频等离子加热、等离子电弧喷枪加热、高中频感应加热、钼带热场加热、电阻丝加热、硅钼棒加热或硅碳棒加热，且加热功率可调节。

优选地，所述加热装置12上设有测温机构，用于监测锭坯温度，从而闭环反馈调节加热装置12的加热功率。

优选地，所述粉料推送装置5沿所述上模具11环形水平截面呈圆周布局，可以为一套或多套，送粉形式可以为传送带铺送、螺旋推送、重力传送或正负压输送，送粉速度可调节。

优选地，所述储粉罐3上可加装有加热器，用于提前预热粉末，预热温度可调节；预热方式为射频等离子加热、等离子电弧喷枪加热、高中频感应加热、钼带热场加热、电阻丝加热、硅钼棒加热或硅碳棒加热。

本发明装备所制备的型材种类可以为圆棒材、方矩形棒材、圆管、方矩形管、异型管、H型材、T型材、L型材、U型材、异型材。预合金(或混合)粉末可以为钛合金、铜合金、铁基合金、铝合金、钛铝合金以及金属基复合材料，特别适合于合金型材的高效连续制造。

采用上述装备进行合金型材制备，包括如下步骤：

S1：将引锭坯放置于上模具11与下模具13构成的组合模具中；

S2：开启加热装置12，将处于加热装置12环绕中的引锭坯加热至指定温度；

S3：压头8在压头进给液压缸1带动下进行压下动作，挤压引锭坯完全封闭下模具13下出口；

S4：开启真空泵组将真空腔内抽至真空状态；并将已抽至真空状态并填充有预合金(或混合)粉末的储粉罐3安装于密封阀4接口上；

S5：开启粉料推送装置5与密封阀4，通过粉料推送装置5将预合金(或混合)粉末注入上模具11的中心通孔内，直至指定高度；

S6：压头8在压头进给液压缸1带动下进行压下动作，压下预合金(或混合)粉末与位于粉末下方的引锭坯一定距离，引锭坯在下模具13中发生热塑性变形对预合金(或混合)粉末产生发作用力，使预合金(或混合)粉末在上模具11内压制为粉坯；

S7：在压头进给液压缸1带动下抬起压头8，直至高于上模具11上平面；

S8：重复步骤S5～S7，直至粉坯下降至加热装置12环绕位置，由加热装置12对粉坯进行加热烧结成为合金锭坯；

S9：重复S5～S8步骤，直至步骤S1加入的引锭坯全部被挤压为型材，由型材剪切机构14将挤压出的型材剪断收取；

S10：继续重复步骤S5～S8，每当由合金锭坯挤压出的型材长度达至目标尺寸，则由型材剪切机构14将挤压出的型材剪断收取。

优选地，所述S8步骤中加热装置12对粉坯进行加热使其烧结成为合金的过程与步骤S5～S7中压头8每次压下带动粉坯下移的过程同步进行。

以下为具体实施例：

本实施例采用TC4钛合金，液压缸压力1000T；加热装置12加热方式为中频感应加热，上模具11的中心通孔直径500mm的圆孔，下模具13下方孔型为T型；粉料推送装置5共4套，送粉形式为螺旋推送；储粉罐3上加装有电阻丝加热装置。

将引锭坯放置于上模具11与下模具13构成的组合模具中。开启加热装置12，将处于加热装置12电磁感应线圈环绕中的引锭坯加热至1200℃。压头8在压头进给液压缸1带动下进行压下动作，挤压引锭坯完全封闭下模具13下出口。开启真空泵组将真空腔内抽至1×10^-3Pa的真空度。将已抽至真空状态并填充有纯钛粉与铝钒合金混合粉的储粉罐3安装于密封阀4接口上。开启储粉罐3的加热装置，将储粉罐3中的混合粉末加热至300℃。开启粉料推送装置5与密封阀4，通过粉料推送装置5将纯钛粉与铝钒合金混合粉注入上模具11的中心通孔内，直至粉末高度20mm。压头8在压头进给液压缸1带动下进行压下动作，压下混合粉末与位于粉末下方的引锭坯12mm，引锭坯在下模具13中发生热塑性变形对混合粉末产生发作用力，使混合粉末在上模具11内压制为粉坯。在压头进给液压缸1带动下抬起压头8，直至高于上模具11上平面。重复上述送粉-压头压下-抬起动作，直至粉坯下降至加热装置12电磁感应线圈环绕位置，由加热装置12将粉坯逐渐加热至1200℃。其间继续重复上述送粉-压头压下-抬起动作，进入加热装置12电磁感应线圈环绕中的粉坯在压下作用下逐步下移，通过加热装置12位置区段，完成烧结后进入下模具13中挤压变形。开始时刻放入的引锭坯全部被挤压为T型材，由型材剪切机构14剪断收取。随着送粉-压头压下-抬起动作的不断重复，加入上模具11中心通孔内的混合粉末经过压制-烧结-挤压逐步转变为钛合金T型材，自下模具13下出口挤出，每当挤压出的T型材长度达至目标尺寸，则由型材剪切机构14将挤压出的T型材剪断收取。

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)

1.一种合金型材的立式连续增材挤压装备，其特征在于，包括机架(2)、组合模具、送粉组件、压头(8)和加热装置(12)，其中：

所述组合模具包括上模具(11)和下模具(13)，所述上模具(11)固定于所述机架(2)上，上模具(11)呈环形，中部为通孔；所述下模具(13)位于所述上模具(11)下方，中心开设有通孔，下模具(13)通孔的面积由上至下逐渐缩减，且其上端孔型与上模具(11)通孔孔型一致，下端孔型为待制备型材的截面形状；

所述送粉组件用于将预合金粉末推送至上模具(11)的通孔中；

所述压头(8)设置在上模具(11)上方，用于对组合模具中的预合金粉末提供压力，将预合金粉末压制成粉坯；

所述上模具(11)通孔下部的内表面开有环形槽，所述加热装置(12)设置在该环形槽中；加热装置(12)用于对压制形成的粉坯进行加热烧结，使其烧结为预合金锭坯。

2.如权利要求1所述的合金型材的立式连续增材挤压装备，其特征在于，所述送粉组件包括依次连接的储粉罐(3)、密封阀(4)、粉料推送装置(5)，所述粉料推送装置(5)出口对准所述上模具(11)的通孔，用于将预合金粉末自所述储粉罐(3)推送到该通孔中。

3.如权利要求2所述的合金型材的立式连续增材挤压装备，其特征在于，所述粉料推送装置(5)为一套或多套，沿所述上模具(11)周向环形布局；粉料推送装置(5)的送粉形式为传送带铺送、螺旋推送、重力传送或正负压输送，送粉速度可调节。

4.如权利要求2所述的合金型材的立式连续增材挤压装备，其特征在于，所述储粉罐(3)上加装有加热器，加热器用于提前预热粉末，预热温度可调节；加热器的预热方式为射频等离子加热、等离子电弧喷枪加热、高中频感应加热、钼带热场加热、电阻丝加热、硅钼棒加热或硅碳棒加热。

5.如权利要求1所述的合金型材的立式连续增材挤压装备，其特征在于，还包括真空系统，所述真空系统包括依次连接的真空腔(10)、密封圈(9)和真空泵组，所述真空腔(10)安装在所述上模具(11)上，其与上模具(11)和下模具(13)共同构成真空密封；所述压头(8)与所述真空腔(10)之间通过所密封圈(9)实现真空密封，所述真空泵组用于将真空腔抽至真空状态。

6.如权利要求1所述的合金型材的立式连续增材挤压装备，其特征在于，所述上模具(11)的通孔与上模具(11)上平面交线倒角，便于合金粉末滑入模具。

7.如权利要求1所述的合金型材的立式连续增材挤压装备，其特征在于，所述加热装置(12)的加热方式为射频等离子加热、等离子电弧喷枪加热、高中频感应加热、钼带热场加热、电阻丝加热、硅钼棒加热或硅碳棒加热，且加热功率可调节；所述加热装置(12)上设有测温机构，该测温机构用于监测锭坯温度，从而闭环反馈调节所述加热装置(12)的加热功率。

8.如权利要求1-7任一项所述的合金型材的立式连续增材挤压装备，其特征在于，还包括型材剪切机构(14)，该型材剪切机构(14)设置在所述下模具(13)下端，用于将被下模具(13)挤压形成的型材剪断收取。

9.一种合金型材的制备方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的立式连续增材挤压装备进行制备，具体包括如下步骤：

S1：将引锭坯放置于组合模具中；

S2：开启加热装置(12)，将处于加热装置(12)环绕中的引锭坯加热至指定温度；

S3：压头(8)进行压下动作，挤压引锭坯封闭下模具(13)下出口；

S4：通过送粉组件将预合金粉末注入上模具(11)的中心通孔内，直至指定高度；

S5：压头(8)进行压下动作，将预合金粉末及其下方的引锭坯压下一定距离，引锭坯在下模具(13)中发生热塑性变形对预合金粉末产生反作用力，使预合金粉末在上模具(11)内压制为粉坯；

S6：抬起压头(8)，直至高于上模具(11)上平面；

S7：重复步骤S4～S6，直至未烧结粉坯下降至加热装置(12)环绕位置，加热装置(12)将粉坯加热烧结为预合金锭坯；

S8：重复步骤S4～S7，直至由下模具(13)挤压出的型材长度达至目标尺寸，完成合金型材的制备。

10.如权利要求9所述的合金型材的制备方法，其特征在于，步骤S7加热装置(12)对粉坯进行加热烧结的过程，与步骤S4～S6的过程同步进行。

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