CN117245049A - 一种1300-2000℃超高温真空等温成形装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种1300‑2000℃超高温真空等温成形装置，涉及高温材料零部件成形的技术领域。所述1300‑2000℃超高温真空等温成形装置包括活动滑块、上水冷板、立柱、真空腔体、加热元件、定位筒、上模具、定位块、温度传感器、下模具、真空系统、模具底座、隔热板、水冷工作台、下底板、水冷系统、门栓、门上观察镜、门、垫块、上隔热板和定位筒隔热垫。本发明方法相对于其他传统方法，结构设置简单，控温精准，模具承温能力优良，能够通过加热元件和水冷系统等来协同调控温度，所获得的材料组织结构和性能稳定优异，利于工业大规模生产和推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及高温材料零部件成形的技术领域，尤其涉及一种1300-2000℃超高温真空等温成形装置。
背景技术
锻造加工真空化、等温化是近些年来新兴发展的一种热加工理念，采用将模具加热到与坯料一样的变形温度，用较慢的速度进行形变，最后得到性能优良的精密零件。该工艺优点在于成形温度控制准确、模具与坯料表面没有温差，可以有效降低传统热变形中由于工件表面激冷造成的流动阻力和变形抗力，减小金属内部的形变不均匀引起的性能差异，同时大幅度降低设备吨位，节能环保，特别适用于特种异形件、粉末成形以及形变热处理一体化工艺。
通常，形变温度分为低温(100℃以下)，中温(100-500℃以下)，高温(500-1000℃)，超高温(1000℃以上)。中温变形的合金居多，一般为铝合金、镁合金等。高温变形的合金一般为钛合金，超高温变形的合金一般为高强钢、高温合金、金属间化合物及陶瓷等。在这些合金中尤其以镁合金、钛合金以及钛基金属间化合物难以变形加工，主要原因在于合金本身脆性以及抗氧化性较差，所以亟需真空变形环境，故而真空等温成形装置的设计与更新迫在眉睫。
中国专利CN115815505A公开了一种超高温真空等温锻造装置及金属间化合物免包套等温锻造方法，显然该种装置结构主要采用金属模具，所需求模具材料及水冷系统要求苛刻，但是装置结构复杂，需要紧固件的参与。
中国专利CN113894236A公开了一种真空等温模锻快速成形装置，通过采用上下模具、分别采用感应加热的手段快速加热、真空等温锻造等装置结构来提升锻造效率，但是装置结构设置复杂，操作难度大，虽然能够通过感应加热线圈进行加热，但是其模具选用铝合金类、钛合金类、高温合金类，使用寿命较短、模具的承温能力严重不足。
中国专利CN115846560A公开了一种适用于高温钛基材料的真空等温锻造工艺及装置，其中的加热元件设置不合理，对模具和坯料的加热存在温度偏差，高温钛基材料的真空等温锻造性能较差。
中国专利CN113941680A公开了一种高温真空条件下体积多向成形装置及制备方法，其压制成型方式为横向压制，故而压制过程与垂直压制不同，感应加热系统对对模具和坯料的加热也存在温度偏差，整体锻造效果不好。
中国专利CN106239880A公开了真空环境下实现超塑成形和热成形复合工艺的装置，其中密封系统和加热系统的复杂结构设置加大了生产成本和操作难度，且没有模具的设置，并未考虑模具温度和压坯温度对成形件的组织结构和性能的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是当前超高温真空或高温真空等温成形装置存在金属模具使用寿命较短、模具的承温能力严重不足的技术缺陷，且加热装置或系统并未考虑具温度和压坯温度对成形件的组织结构和性能的影响，装置结构整体设置复杂，对压坯的锻造和热处理控制精准度不高，控制难度大，成本高，不利于工业生产。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：
一种1300-2000℃超高温真空等温成形装置，所述1300-2000℃超高温真空等温成形装置包括活动滑块(1)和下底板(15)，活动滑块(1)和下底板(15)之间通过立柱(3)进行固定，活动滑块(1)和下底板(15)之间设置有真空腔体(4)；其中：
活动滑块(1)在立柱(3)限制下上下滑动设置，由液压或者电机等动力设备提供动力；活动滑块(1)的下端设置有上水冷板(2)，上水冷板(2)的下端设置有上隔热板(21)，上隔热板(21)的下端设置有垫块(20)，垫块(20)的下端设置有上模具(7)；
下底板(15)的上端设置有水冷工作台(14)，水冷工作台(14)的一侧设置有水冷系统(16)，水冷工作台(14)的上端设置有隔热板(13)，隔热板(13)的上端设置有模具底座(12)，模具底座(12)的上端设置有下模具(10)；
真空腔体(4)的一侧设置有真空系统(11)，真空腔体(4)的另一侧设置有门(19)，门(19)上设置有门栓(17)和门上观察镜(18)；
而在上模具(7)和下模具(10)的外侧设置有定位块(8)，定位块(8)的外侧与模具底座(12)之间设置有定位筒(6)，定位筒(6)上设置有分别测量上下模具温度的温度传感器(9)，定位筒(6)与垫块(20)和真空腔体(4)之间设置有定位筒隔热垫(22)，在定位筒(6)的外侧设置有保温层及加热元件(5)。
优选地，下底板(15)、水冷工作台(14)、隔热板(13)、下模具(10)和模具底座(12)之间采用轴肩定位并装配，垫块(20)、隔热板(21)、上水冷板(2)、上模具(7)之间采用榫卯结构或者承力键槽结构连接。
优选地，定位筒(6)外侧设置有用于保温且可以将加热元件(5)尽量紧靠定位筒外壁的隔热层和绝缘层。
优选地，加热元件(5)是整体/分体式感应加热元件或者电阻加热元件，加热元件(5)的高度超过模具合模的高度与坯料高度之和的100-500mm，同时定位筒(6)的筒壁开设有用于设置温度传感器(9)的温度传感器槽，便于准确的测定工作温度，便于合理调节和控制工作温度，两侧分别测量上下模具的温度。定位筒(6)的高度超过模具100-500mm且不与炉体相接，空缺部位由隔热层填充。
优选地，真空腔体(4)的内壁设置有一类加热元件，该类加热元件为电阻加热元件并且设置在内壁的两侧，同时设置有用于测定炉内温度的温度传感器。
优选地，模具底座(12)、垫块(20)、定位筒(6)的材料为石墨，定位筒(6)为一体式结构或者带有凹凸止口结构的分体式结构。
优选地，下模具(10)、上模具(7)的工作温度至1300-2000℃，下模具(10)、上模具(7)的材料为石墨。
优选地，下模具(10)、上模具(7)的模具整体形状为外径不大于定位筒(6)的圆形，两侧开有定位滑槽，采用方形键进行定位，同时模具设计时需设计导向装置。
优选地，活动滑块(1)为工作速度不高于10mm·s-1的工业活动滑块，垫块(20)与真空腔体(4)之间设置有高温动密封机构。
优选地，上水冷板(2)和水冷工作台(14)面均为温度不高于50℃的装置结构，真空腔体(4)为内部的真空度在10-2-10-5Pa之间的装置结构。
优选地，上水冷板(2)和水冷工作台(14)面的温度为30℃，真空腔体内真空度10- 3Pa。
优选地，真空系统(11)对真空腔体(4)进行真空作业，水冷系统(16)对上水冷板(2)和水冷工作台(14)进行水冷作业。
一种基于1300-2000℃超高温真空等温成形装置的使用方法，其特征在于，所述使用方法如下步骤：
S1、将垫块(20)与上模具(7)进行机械装配；
S2、将活动滑块(1)下行并与S1的垫块(20)进行机械装配；
S3、将待成形坯料安置在下模具(10)内；
S4、先将定位块(8)插好，之后将S2的机械装配的上模具(7)及垫块(20)下放；
S5、对真空腔体(4)预抽低真空到10-15Pa，之后开启高真空到10-2-10-5Pa；
S6、打开水冷系统(16)，之后启动真空腔体(4)内壁的一类加热元件升温到500℃，然后开启加热元件(5)升温到设定的工作温度；
S7、将活动滑块(1)下行进行坯料成形作业得到工件；
S8、加热元件(5)按照要求停止或者控制水冷系统(16)降温；
S9、待S8的温度降至可操作范围内之后，充气卸去真空，将活动滑块(1)上行，上模具(7)随之上行，取出工件；
S10、将S9的上模具(7)放回原位，并抽取真空腔体(4)为低真空，关闭总电源，至此，作业结束。
上述技术方案，与现有技术相比至少具有如下有益效果：
上述方案，本发明提出了一种1300-2000℃超高温真空等温成形装置，其中的装置结构设置简单易操作，对温度的调控便捷易行，能够进行实时监测和调控，工作效率高，
本发明采用简单的轴肩定位装配和榫卯结构，减少模具安装中紧固件的引入，避免因紧固件失效出现的设备问题。
本发明采用双层加热的手段提升加热效率，增加热辐射，使得等温成形的材料组织结构均匀，性能稳定。
本发明采用石墨模具提升了模具的承温能力，降低了模具成本，可提升真空等温成形设备的使用寿命。
本发明采用加热元件和水冷系统等来协同控制温度的上升和下降，不仅装置结构设置简单，而且能够精准控制压坯的组织结构。
总之，本发明装置相对于其他传统装置，结构设置简单，控温精准，模具承温能力优良，能够通过加热元件和水冷系统等来协同调控温度，所获得的材料组织结构和性能稳定优异，利于工业大规模生产和推广使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中一种1300-2000℃超高温真空等温成形装置的结构示意图，其中：1-活动滑块，2-上水冷板，3-立柱，4-真空腔体，5-加热元件，6-定位筒，7-上模具，8-定位块，9-温度传感器，10-下模具，11-真空系统，12-模具底座，13-隔热板，14-水冷工作台，15-下底板，16-水冷系统，17-门栓，18-门上观察镜，19-门，20-垫块，21-上隔热板，22-定位筒隔热垫；
图2为本发明中一种1300-2000℃超高温真空等温成形装置的使用方法工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种1300-2000℃超高温真空等温成形装置，如图1所示，所述1300-2000℃超高温真空等温成形装置包括活动滑块(1)和下底板(15)，活动滑块(1)和下底板(15)之间通过立柱(3)进行固定，活动滑块(1)和下底板(15)之间设置有真空腔体(4)；其中：
活动滑块(1)在立柱(3)限制下上下滑动设置，由液压或者电机等动力设备提供动力；活动滑块(1)的下端设置有上水冷板(2)，上水冷板(2)的下端设置有上隔热板(21)，上隔热板(21)的下端设置有垫块(20)，垫块(20)的下端设置有上模具(7)；
下底板(15)的上端设置有水冷工作台(14)，水冷工作台(14)的一侧设置有水冷系统(16)，水冷工作台(14)的上端设置有隔热板(13)，隔热板(13)的上端设置有模具底座(12)，模具底座(12)的上端设置有下模具(10)；
真空腔体(4)的一侧设置有真空系统(11)，真空腔体(4)的另一侧设置有门(19)，门(19)上设置有门栓(17)和门上观察镜(18)；
而在上模具(7)和下模具(10)的外侧设置有定位块(8)，定位块(8)的外侧与模具底座(12)之间设置有定位筒(6)，定位筒(6)上设置有分别测量上下模具温度的温度传感器(9)，定位筒(6)与垫块(20)和真空腔体(4)之间设置有定位筒隔热垫(22)，在定位筒(6)的外侧设置有保温层及加热元件(5)。
进一步地，下底板(15)、水冷工作台(14)、隔热板(13)、下模具(10)和模具底座(12)之间采用轴肩定位并装配，垫块(20)、隔热板(21)、上水冷板(2)、上模具(7)之间采用榫卯结构或者承力键槽结构连接。
进一步地，定位筒(6)外侧设置有用于保温且可以将加热元件(5)尽量紧靠定位筒外壁的隔热层和绝缘层。
进一步地，加热元件(5)是整体/分体式感应加热元件或者电阻加热元件，加热元件(5)的高度超过模具合模的高度与坯料高度之和的100-500mm，同时定位筒(6)的筒壁开设有用于设置温度传感器(9)的温度传感器槽，便于准确的测定工作温度，便于合理调节和控制工作温度，两侧分别测量上下模具的温度。定位筒(6)的高度超过模具100-500mm且不与炉体相接，空缺部位由隔热层填充。
进一步地，真空腔体(4)的内壁设置有一类加热元件，该类加热元件为电阻加热元件并且设置在内壁的两侧，同时设置有用于测定炉内温度的温度传感器。
进一步地，模具底座(12)、垫块(20)、定位筒(6)的材料为石墨，定位筒(6)为一体式结构或者带有凹凸止口结构的分体式结构。
进一步地，下模具(10)、上模具(7)的工作温度至1300-2000℃，下模具(10)、上模具(7)的材料为石墨。
进一步地，下模具(10)、上模具(7)的模具整体形状为外径不大于定位筒(6)的圆形，两侧开有定位滑槽，采用方形键进行定位，同时模具设计时需设计导向装置。
进一步地，活动滑块(1)为工作速度不高于10mm·s-1的工业活动滑块，垫块(20)与真空腔体(4)之间设置有高温动密封机构。
进一步地，上水冷板(2)和水冷工作台面(14)均为温度不高于50℃的装置结构，真空腔体(4)为内部的真空度在10-2-10-5Pa之间的装置结构。
进一步地，上水冷板(2)和水冷工作台面(14)的温度为30℃，真空腔体内真空度10-3Pa。
进一步地，真空系统(11)对真空腔体(4)进行真空作业，水冷系统(16)对上水冷板(2)和下水冷板(14)进行水冷作业。
一种基于1300-2000℃超高温真空等温成形装置的使用方法，如图2所示，所述使用方法如下步骤：
S1、将垫块(20)与上模具(7)进行机械装配；
S2、将活动滑块(1)下行并与S1的垫块(20)进行机械装配；
S3、将待成形坯料安置在下模具(10)内；
S4、先将定位块(8)插好，之后将S2的机械装配的上模具(7)及垫块(20)下放；
S5、对真空腔体(4)预抽低真空到10-15Pa，之后开启高真空到10-2-10-5Pa；
S6、打开水冷系统(16)，之后启动真空腔体(4)内壁的一类加热元件升温到500℃，然后开启加热元件(5)升温到设定的工作温度；
S7、将活动滑块(1)下行进行坯料成形作业得到工件；
S8、加热元件(5)按照要求停止或者控制水冷系统(16)降温；
S9、待S8的温度降至可操作范围内之后，充气卸去真空，将活动滑块(1)上行，上模具(7)随之上行，取出工件；
S10、将S9的上模具(7)放回原位，并抽取真空腔体(4)为低真空，关闭总电源，至此，作业结束。
上述技术方案，与现有技术相比至少具有如下有益效果：
上述方案，本发明提出了一种1300-2000℃超高温真空等温成形装置，其中的装置结构设置简单易操作，对温度的调控便捷易行，能够进行实时监测和调控，工作效率高，
本发明采用简单的轴肩定位装配和榫卯结构，减少模具安装中紧固件的引入，避免因紧固件失效出现的设备问题。
本发明采用双层加热的手段提升加热效率，增加热辐射，使得等温成形的材料组织结构均匀，性能稳定。
本发明采用石墨模具提升了模具的承温能力，降低了模具成本，可提升真空等温成形设备的使用寿命。
本发明采用加热元件和水冷系统等来协同控制温度的上升和下降，不仅装置结构设置简单，而且能够精准控制压坯的组织结构。
总之，本发明装置相对于其他传统装置，结构设置简单，控温精准，模具承温能力优良，能够通过加热元件和水冷系统等来协同调控温度，所获得的材料组织结构和性能稳定优异，利于工业大规模生产和推广使用。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种1300-2000℃超高温真空等温成形装置，其特征在于，所述1300-2000℃超高温真空等温成形装置包括活动滑块(1)和下底板(15)，活动滑块(1)和下底板(15)之间通过立柱(3)进行固定，活动滑块(1)和下底板(15)之间设置有真空腔体(4)；其中：
活动滑块(1)在立柱(3)限制下上下滑动设置，活动滑块(1)的下端设置有上水冷板(2)，上水冷板(2)的下端设置有上隔热板(21)，上隔热板(21)的下端设置有垫块(20)，垫块(20)的下端设置有上模具(7)；
下底板(15)的上端设置有水冷工作台(14)，水冷工作台(14)的一侧设置有水冷系统(16)，水冷工作台(14)的上端设置有隔热板(13)，隔热板(13)的上端设置有模具底座(12)，模具底座(12)的上端设置有下模具(10)；
真空腔体(4)的一侧设置有真空系统(11)，真空腔体(4)的另一侧设置有门(19)，门(19)上设置有门栓(17)和门上观察镜(18)；
而在上模具(7)和下模具(10)的外侧设置有定位块(8)，定位块(8)的外侧与模具底座(12)之间设置有定位筒(6)，定位筒(6)上设置有分别测量上下模具温度的温度传感器(9)，定位筒(6)与垫块(20)和真空腔体(4)之间设置有定位筒隔热垫(22)，在定位筒(6)的外侧设置有保温层及加热元件(5)。
2.根据权利要求1所述的1300-2000℃超高温真空等温成形装置，其特征在于，下底板(15)、水冷工作台(14)、隔热板(13)、下模具(10)和模具底座(12)之间采用轴肩定位并装配，垫块(20)、隔热板(21)、上水冷板(2)、上模具(7)之间采用榫卯结构或者承力键槽结构连接。
3.根据权利要求1所述的1300-2000℃超高温真空等温成形装置，其特征在于，定位筒(6)外侧设置有用于保温且可以将加热元件(5)尽量紧靠定位筒外壁的隔热层和绝缘层。
4.根据权利要求1所述的1300-2000℃超高温真空等温成形装置，其特征在于，加热元件(5)是整体/分体式感应加热元件或者电阻加热元件，加热元件(5)的高度超过模具合模的高度与坯料高度之和的100-500mm，同时定位筒(6)的筒壁开设有用于设置温度传感器(9)的温度传感器槽，定位筒(6)的高度超过模具100-500mm且不与炉体相接，空缺部位由隔热层填充。
5.根据权利要求1所述的1300-2000℃超高温真空等温成形装置，其特征在于，真空腔体(4)的内壁设置有一类加热元件，该类加热元件为电阻加热元件并且设置在内壁的两侧，同时设置有用于测定炉内温度的温度传感器。
6.根据权利要求1所述的1300-2000℃超高温真空等温成形装置，其特征在于，模具底座(12)、垫块(20)、定位筒(6)的材料为石墨，定位筒(6)为一体式结构或者带有凹凸止口结构的分体式结构。
7.根据权利要求1所述的1300-2000℃超高温真空等温成形装置，其特征在于，下模具(10)、上模具(7)的工作温度至1300-2000℃，下模具(10)、上模具(7)的材料为石墨。
8.根据权利要求1所述的1300-2000℃超高温真空等温成形装置，其特征在于，下模具(10)、上模具(7)的模具整体形状为外径不大于定位筒(6)的圆形，两侧开有定位滑槽，采用方形键进行定位，同时模具设计时需设计导向装置。
9.根据权利要求1所述的1300-2000℃超高温真空等温成形装置，其特征在于，活动滑块(1)为工作速度不高于10mm·s-1的工业活动滑块，垫块(20)与真空腔体(4)之间设置有高温动密封机构。
10.根据权利要求1所述的1300-2000℃超高温真空等温成形装置，其特征在于，上水冷板(2)和水冷工作台(14)面均为温度不高于50℃的装置结构，真空腔体(4)为内部的真空度在10-2-10-5Pa之间的装置结构。
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