CN115815628A - 高均质金属锭坯的立式半连续增材压制装备及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于粉末冶金技术领域，并具体公开了一种高均质金属锭坯的立式半连续增材压制装备及制备方法，其包括机架、模具、送粉组件、上压头、下压头和加热装置；模具安装在机架中部，模具呈环形，中部为通孔；送粉组件用于将金属粉末推送至模具的通孔中；上压头、下压头分别活动安装在机架上下两侧，上压头及下压头用于对模具中的金属粉末提供压力，将金属粉末压制成粉坯；加热装置设置在模具下方，加热装置呈环形布局，其回转中心与模具一致；加热装置用于对压制形成的粉坯进行加热。本发明可实现填粉‑压制‑烧结等工序在一台装备上的半连续作业，在大幅提升生产效率和占地面积的同时，避免不同工序转运时的材料氧化，提升锭坯质量。
Description
技术领域
本发明属于粉末冶金技术领域，更具体地，涉及一种高均质金属锭坯的立式半连续增材压制装备及制备方法。
背景技术
超大重量合金锭在长时、缓慢凝固过程中因溶质富集而导致的成分偏析，是熔炼铸造领域亟待解决但又极难突破的世界性难题。同时，针对钛合金等高化学反应的金属材料，其熔炼制备则更为困难，一般通过真空自耗电弧熔炼法(VAR)制锭。该方法不仅在电极制备过程中极易引入高密度夹杂，同时为了保证所制备合金锭坯成分的均匀性，往往需要进行多次反复自耗熔炼。不仅生产周期长，能耗高，同时也伴随着大量的材料损耗，致使生产成本居高不下。
粉末冶金方法虽然基于“离散-堆积”原理，通过金属(或合金)粉末烧结过程进行短程元素扩散实现锭坯制备，有效避免了熔铸制锭的偏析问题，也在一定程度上降低了钛合金这类高化学反应活性金属材料的制备成本。但是，现有传统粉末冶金生产流程，需要经历填粉、压制、烧结等诸多工序，难以实现工艺的连续化，不仅极大地制约了生产效率及产品尺寸规格，同时金属(或合金)成粉后由于比表面积的急剧增加，活性显著增强，工序间转运过程中不可避免地存在破空氧化的问题，显著的影响了产品质量。
因此，迫切的需要开发一种新装备与新工艺，在一台装备上集成化地实现粉末冶金的现有工序，在避免坯料转运，降低材料氧化风险的同时，提升生产效率，将粉末冶金技术更广泛地应用于工业生产，充分发挥其高均质、高纯净的优势。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高均质金属锭坯的立式半连续增材压制装备及制备方法，其目的在于，实现填粉-压制-烧结等多道工序在一台装备上的半连续作业，在大幅提升生产效率、降低设备占地面积的同时，有效避免不同工序转运过程中的材料氧化问题，同步提升锭坯质量。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种高均质金属锭坯的立式半连续增材压制装备，包括机架、模具、送粉组件、上压头、下压头和加热装置，其中：
所述模具安装在所述机架中部，模具呈环形，中部为通孔，通过该通孔将金属粉末保持在模具中；所述送粉组件用于将金属粉末推送至模具的通孔中；
所述上压头、下压头分别活动安装在所述机架上下两侧，所述上压头及下压头用于对所述模具中的金属粉末提供压力，将金属粉末压制成粉坯；
所述加热装置设置在所述模具下方，该加热装置呈环形布局，且其回转中心与所述模具一致；所述加热装置用于对压制形成的粉坯进行加热，使其烧结为金属锭坯。
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模具的通孔，用于将金属粉末自所述储粉罐推送通孔中。
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，该真空系统包括依次连接的真空腔、密封圈和真空泵组；所述模具、加热装置、上压头、下压头以及粉料推送装置的部分位置均放置在所述真空腔中；所述上压头、下压头与所述真空腔之间通过所述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，所述模具的通孔与模具上平面交线倒角，便于金属粉末滑入模具。
作为进一步优选的，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，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。
作为进一步优选的，分别通过上压头液压缸和下压头液压缸为所述上压头、下压头运动提供动力。
按照本发明的另一方面，提供了一种高均质金属锭坯的制备方法，其采用上述立式半连续增材压制装备进行制备，具体包括如下步骤：
S1：通过送粉组件将金属粉末注入模具的中心通孔内，直至指定高度；
S2：上压头进行压下动作，下压头维持原位置，在两压头作用下，金属粉末在模具内压制为粉坯；
S3：上压头与下压头同步向下移动，直至粉坯上平面与步骤S2中下压头上平面位置平齐；
S4：抬起上压头，直至高于模具上平面，下压头维持原位置；
S5：重复步骤S1～S4，直至待烧结粉坯下平面与加热装置下平面平齐；
S6：开启加热装置，将处于加热装置环形中心的粉坯加热烧结为锭坯；
S7：重复步骤S1～S6，直至锭坯达到目标尺寸。
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.本发明在上下压头的逐次压制作用下带动粉坯逐层压制并下移烧结，实现填粉-压制-烧结等多道工序在一台装备上实现半连续作业，不仅大幅降低了装备投入与产线占地面积，同时能够有效避免粉坯与粉料在多道工序之间转运过程中的氧化问题，确保所生产合金锭坯保持低氧含量水平，同步提升锭坯质量。
2.本发明通过金属粉末逐层烧结成形制备金属锭坯，逐层增材可减小每次压制时的厚度，提高成形件的致密度；同时省去了超大尺寸锭坯铸造长时缓慢的凝固过程，能够有效解决超大尺寸合金锭凝固偏析难题，特别适合长条锭坯的制备。
附图说明
图1为本发明实施例高均质金属锭坯的立式半连续增材压制装备结构示意图。
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-上压头液压缸，2-机架，3-上压头，4-储粉罐，5-密封阀，6-粉料推送装置，7-密封圈，8-模具固定架，9-模具，10-锭坯，11-加热装置，12-下压头，13-真空腔，14-下压头液压缸。
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高均质金属锭坯的立式半连续增材压制装备，如图1所示，包括机架2、模具9、送粉组件、上压头液压缸1、上压头3、下压头液压缸14、下压头12和加热装置11，其中：
所述模具9通过模具固定架8安装于所述机架2中部；所述模具9呈环形，中部为通孔，用于将金属(或合金)粉末保持于模具中，避免在压力作用下金属(或合金)粉末沿周向外溢，通孔与上平面交线倒角，便于注入的金属(或合金)粉末滑入模具。
所述送粉组件用于将金属粉末推送至模具9的通孔中；其包括储粉罐4、密封阀5、粉料推送装置6，所述粉料推送装置6出口对准所述模具9中心通孔，用于将金属(或合金)粉末自所述储粉罐4，推送至所述模具9中心通孔中。
所述上压头液压缸1安装于所述机架2顶部，所述下压头液压缸13安装于所述机架2底部，分别与所述上压头3及所述下压头12相连接，为压头运动提供动力；所述上压头3及所述下压头12用于对所述模具9中的金属(或合金)粉末提供压力，将金属(或合金)粉末压制成坯。
所述加热装置11呈环形布局，位于所述模具9下方，其回转中心与所述模具9一致，用于对经压制作用形成粉坯的金属(或合金)粉末进行加热，使其烧结为金属(或合金)锭坯；模具9及加热装置11的中心通孔直径根据目标锭坯尺寸进行设置。
优选地，所述粉料推送装置6沿所述模具9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4上加装有加热器，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。
优选地，所述加热装置11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11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11的加热功率。
优选地，还包括真空系统，该真空系统包括依次连接的真空腔13、密封圈7、真空管道和真空泵组，将所述模具9、锭坯10、加热装置11以及上压头3、下压头12、模具固定架8、粉料推送装置6的部分位置放置于所述真空腔13中，所述上压头3与下压头12与所述真空腔13之间通过所述密封圈7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。
本发明装备适用于对纯金属、合金等所有金属类材料进行制备。利用本发明装备进行高均质金属锭坯的制备，包括如下步骤：
S1：将填充有金属(或合金)粉末的储粉罐4安装于密封阀5接口上；
S2：开启粉料推送装置6与密封阀5，通过粉料推送装置6将金属(或合金)粉末注入模具9的中心通孔内，直至指定高度；
S3：上压头3在上压头液压缸1带动下进行压下动作，下压头12在下压头液压缸14带动下维持原位置，在两压头作用下，金属(或合金)粉末在模具9内压制为粉坯；
S4：上压头3与下压头12在相应液压缸带动下同步向下移动，直至粉坯上平面与S3中下压头12上平面位置平齐为止；
S5：在上压头液压缸1带动下抬起上压头3，直至高于模具9上平面，下压头12维持原位置；
S6：重复步骤S2～S5，直至待烧结粉坯下平面与加热装置11下平面平齐；
S7：开启加热装置11，对处于加热装置11环形心部的粉坯进行加热烧结；
S8：重复步骤S2～S7，直至锭坯达到目标尺寸；
S9：由于还有最后压制的一段粉坯没有经历烧结过程，可根据需要，将上压头3与下压头12在相应液压缸带动下同步向下移动，将未经过加热装置11烧结作用的粉坯区域，依次加热烧结为锭坯。
以下为具体实施例：
以TC4钛合金为例，该实施例中，所应用装备包括真空系统；液压缸压力1000T；加热装置11加热方式为中频感应加热，模具9及加热装置11的中心通孔直径500mm；粉料推送装置6共4套，送粉形式为螺旋推送；储粉罐4上加装有电阻丝加热装置。
将已经预抽真空的装有纯钛粉与铝钒合金混合粉末的储粉罐4安装于密封阀5接口上，开启储粉罐4的加热装置，将储粉罐4中的混合粉末加热至300℃。开启真空泵组将真空腔13内抽至1×10-3Pa的真空度。开启粉料推送装置6与密封阀5，通过粉料推送装置6将纯钛粉与铝钒合金混合粉末注入模具9的中心通孔内，直至粉末高度20mm。上压头3在上压头液压缸1带动下压下12mm，下压头12在下压头液压缸14带动下维持原位置，在两压头作用下，纯钛粉与铝钒合金混合粉末在模具9内压制为粉坯。上压头3与下压头12在相应液压缸带动下同步向下移动8mm。在上压头液压缸1带动下抬起上压头3，直至高于模具9上平面，下压头12维持原位置。重复上述送粉-压下-压头同步下移-上压头抬起动作，直至下压头12位置低于加热装置11。开启加热装置11，将加热装置11感应线圈心部的粉坯加热至1200℃烧结。继续重复上述送粉-压下-压头同步下移-上压头抬起动作，推动压制成的粉坯缓慢通过加热装置11感应线圈心部，逐层实现加热烧结，直至锭坯达到目标尺寸。上压头3与下压头12在相应液压缸带动下同步向下移动，将未经过加热装置11烧结作用的粉坯区域，依次加热烧结为锭坯。待全部锭坯烧结完成后，下压头12继续下移，将锭坯移出加热装置11感应线圈，取出锭坯。
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)
1.一种高均质金属锭坯的立式半连续增材压制装备，其特征在于，包括机架(2)、模具(9)、送粉组件、上压头(3)、下压头(12)和加热装置(11)，其中：
所述模具(9)安装在所述机架(2)中部，模具(9)呈环形，中部为通孔，通过该通孔将金属粉末保持在模具(9)中；所述送粉组件用于将金属粉末推送至模具(9)的通孔中；
所述上压头(3)、下压头(12)分别活动安装在所述机架(2)上下两侧，所述上压头(3)及下压头(12)用于对所述模具(9)中的金属粉末提供压力，将金属粉末压制成粉坯；
所述加热装置(11)设置在所述模具(9)下方，该加热装置(11)呈环形布局，且其回转中心与所述模具(9)一致；所述加热装置(11)用于对压制形成的粉坯进行加热，使其烧结为金属锭坯。
2.如权利要求1所述的高均质金属锭坯的立式半连续增材压制装备，其特征在于，所述送粉组件包括依次连接的储粉罐(4)、密封阀(5)、粉料推送装置(6)，所述粉料推送装置(6)出口对准所述模具(9)的通孔，用于将金属粉末自所述储粉罐(4)推送通孔中。
3.如权利要求2所述的高均质金属锭坯的立式半连续增材压制装备，其特征在于，所述粉料推送装置(6)为一套或多套，沿所述模具(9)周向环形布局；粉料推送装置(6)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所述的高均质金属锭坯的立式半连续增材压制装备，其特征在于，所述储粉罐(4)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2所述的高均质金属锭坯的立式半连续增材压制装备，其特征在于，还包括真空系统，该真空系统包括依次连接的真空腔(13)、密封圈(7)和真空泵组；所述模具(9)、加热装置(11)、上压头(3)、下压头(12)以及粉料推送装置(6)的部分位置均放置在所述真空腔(13)中；所述上压头(3)、下压头(12)与所述真空腔(13)之间通过所述密封圈(7)实现真空密封；所述真空泵组用于将真空腔(13)抽至真空状态。
6.如权利要求1所述的高均质金属锭坯的立式半连续增材压制装备，其特征在于，所述模具(9)的通孔与模具(9)上平面交线倒角，便于金属粉末滑入模具。
7.如权利要求1所述的高均质金属锭坯的立式半连续增材压制装备，其特征在于，所述加热装置(11)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(11)的加热功率。
8.如权利要求1所述的高均质金属锭坯的立式半连续增材压制装备，其特征在于，所述加热装置(11)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。
9.如权利要求1-8任一项所述的高均质金属锭坯的立式半连续增材压制装备，其特征在于，分别通过上压头液压缸(1)和下压头液压缸(13)为所述上压头(3)、下压头(12)运动提供动力。
10.一种高均质金属锭坯的制备方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的立式半连续增材压制装备进行制备，具体包括如下步骤：
S1：通过送粉组件将金属粉末注入模具(9)的中心通孔内，直至指定高度；
S2：上压头(3)进行压下动作，下压头(12)维持原位置，在两压头作用下，金属粉末在模具(9)内压制为粉坯；
S3：上压头(3)与下压头(12)同步向下移动，直至粉坯上平面与步骤S2中下压头(12)上平面位置平齐；
S4：抬起上压头(3)，直至高于模具(9)上平面，下压头(12)维持原位置；
S5：重复步骤S1～S4，直至待烧结粉坯下平面与加热装置(11)下平面平齐；
S6：开启加热装置(11)，将处于加热装置(11)环形中心的粉坯加热烧结为锭坯；
S7：重复步骤S1～S6，直至锭坯达到目标尺寸。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1352061A (en) * | 1971-01-02 | 1974-05-15 | Birmingham Small Arms Co Ltd | Production of articles powder metallurgy methods |
| CN106498205A (zh) * | 2016-12-13 | 2017-03-15 | 合肥工业大学 | 一种大尺寸高致密度高均匀性的CuCr合金的制造方法 |
| CN110605396A (zh) * | 2019-09-19 | 2019-12-24 | 燕山大学 | 具有气氛保护的金属粉末烧结后原位挤压和镦粗一体化成形方法及其一体化液压机 |
| CN110640137A (zh) * | 2019-09-19 | 2020-01-03 | 燕山大学 | 气氛保护或真空下金属粉末烧结和原位等通道挤压液压机及挤压方法 |
| CN211939049U (zh) * | 2020-03-31 | 2020-11-17 | 四川科匠轻金属材料科技有限公司 | 一种合金粉末半连续制锭的生产设备 |
-
2022
- 2022-11-30 CN CN202211528814.3A patent/CN115815628A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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