CN1218793C - 制备大规格精密异形管材的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制备大规格精密异形管材的方法属于金属及复合材料领域。方法分为两个阶段，即喷射成形工艺阶段和半固态成形工艺阶段，具体如下：第一阶段采用喷射成形制备半固态浆料，金属熔体通过非限制式二级雾化器和高压气体雾化形成稳定而密集的液滴喷射流，沉积物表面温度和喷射流在沉积前的物理状态存在最佳范围，在线控制工艺参数，始终满足最佳沉积状态，喷射流沉积在基底芯管表面，制备大直径、大厚度管坯；第二阶段为半固态成形，沉积管坯在感应线圈内按照设定的曲线快速加热，然后去除氧化皮，压入成形模具。本发明喷射成形半固态浆料生产效率高，半固态成形的管材规格大、形状极其复杂、尺寸精确、组织精细，成形工艺参数允许变动范围宽。

Description

制备大规格精密异形管材的方法
技术领域
本发明涉及一种制备管材的方法，特别是一种采用喷射成形工艺进行后续半固态成形的制备大规格精密异形管材的方法，属于复合材料领域。
背景技术
1999年冶金工业出版社出版的由谢水生和黄声宏编著的《半固态金属加工技术及其应用》介绍了能制备精密异形件的半固态加工技术，该技术能采用比常规塑性成形低得多的成形力制成形状极其复杂的产品。与传统铸造成形工艺相比，半固态金属制件的形状更精确、组织更精细、力学性能更优越。但是，适于半固态成形的金属原料在固态条件下必须具有等轴晶组织的特征，其制备方法有机械搅拌法、电磁搅拌法、应变诱发熔化激活技术、紊流效应法、粉末法和喷射成形法。机械搅拌法的缺点主要是难以在整个搅拌腔体内部均匀搅拌，而且搅拌叶片的腐蚀问题以及它对半固态金属浆料的污染问题都会对半固态铸坯带来不利的影响。电磁搅拌法由于电磁搅拌深度的影响，不宜生产直径大于150mm的铸坯。应变诱发熔化激活技术生产成本高，铸坯直径更小。紊流效应法、粉末法所获得的组织缺陷多，不宜进行产业化。如果从喷射成形锭坯直接制备大规格异形管材，半固态金属流变路径太长，温度下降多，并且易于产生紊流，使氧化物夹杂裹入管材内部。传统喷射成形法生产成本高，无法制备大厚度致密管坯。由于强调冷却速率，控制往复喷射成形工艺生产效率低。在检索中没有发现直接采用管状半固态浆料，尤其是喷射成形半固态浆料制备大规格管材的文献报道。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种制备大规格精密异形管材的方法，通过喷射成形工艺制备金属及其颗粒复合材料的大规格管坯，然后进行半固态成形，使其制备大规格、高性能、精密异形管材，解决了上述背景技术中的喷射成形沉积坯形状简单、生产大规格厚壁管坯效率低和半固态成形的管材规格小的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明方法分为两个阶段，即喷射成形工艺阶段和半固态成形工艺阶段，具体如下：第一阶段采用喷射成形制备半固态浆料，金属熔体通过非限制式二级雾化器和高压气体雾化形成稳定而密集的液滴喷射流，沉积物表面温度和喷射流在沉积前的物理状态存在最佳范围，在线控制工艺参数，始终满足最佳沉积状态，喷射流沉积在基底芯管表面，制备大直径、大厚度管坯；第二阶段为半固态成形，沉积管坯在感应线圈内按照设定的曲线快速加热，然后去除氧化皮，压入成形模具。
以下对本发明工艺作进一步的说明，具体内容如下：
1、喷射成形工艺，具体如下：
金属在液相线以上100～200℃保温(即过热度)，然后通过中间包流入在相同温度保温的漏包，漏包中熔体高度大于400mm，自动控制金属倾倒动作，液面波动小于10mm，熔体经由安装在漏包底部的导管流入雾化器。非限制式二级雾化器的雾化介质为惰性气体或设定的反应性气体，铝金属熔体质量流率在15kg/min～，在重力作用下进入一级雾化区域，一级雾化气体压力在1～3atm，雾化角为0°。一级雾化使金属熔体不会由于负压紊流而堵塞喷嘴，稳定进入二级主雾化区域。二级雾化气体压力在8～15atm，雾化角为10～15°。金属熔体雾化形成稳定而密集的液滴喷射流，连续密集沉积的金属液滴充分熔合，而且快速凝固(101～102K/s)，沉积坯平均晶粒度20～50μm，基本不存在原始颗粒边界。自动控制排风口风门开启角度，使沉积室内气体压力维持在1～1.1atm。排风口具有可以连续调节的出口面积，外接防爆风机，夹带粉尘的气流经过一级或多级旋风分离器净化后排空，气流中已完全凝固的微粉基本不在沉积物表面沉积。喷射流在沉积到基底表面之前的飞行距离为400～600mm，雾化喷射流相对于基底往复水平运动，沉积物由往复沉积的多层组成。基底初始预热温度比金属的固相线低50～150℃，沉积物表面温度和喷射流在沉积前的最佳温度范围一般分别是固相线-20～+10℃和+20～+50℃。基底为水平放置的芯管，旋转速度60～100rpm，在线控制往复运动和沉积距离，满足最佳沉积条件，基本消除往复运动形成的层界面组织缺陷，保持形状精度。本发明允许存在几束熔体喷射流，外加颗粒可形成独立喷射流。本发明涉及的喷射成形工艺适用于制备内径大于300mm、壁厚大于运动形成的层界面组织缺陷，保持形状精度。本发明允许存在几束熔体喷射流，外加颗粒可形成独立喷射流。本发明涉及的喷射成形工艺适用于制备内径大于300mm、壁厚大于40mm、长度大于50mm的厚壁管坯。
2、半固态成形工艺，具体如下：
沉积管坯在感应线圈中加热，先在自由状态直接加热到软化点前，然后放入支撑模具，通过被直接加热的模具的热传递继续升温至半固态成形温度，在固相线以下20～30℃确定一个临界点，低于和高于临界点的升温速率分别为8～12K/s和1～3K/s，保温10～300s(视壁厚和传热条件定)。由于加热时间短暂，管坯的晶粒长大轻微，最终力学性能提高。对于氧化敏感的材质或工件，加热过程中采用还原性气氛保护，然后去除氧化皮，半固态浆料底部带支撑，压入成形模具，模具预热温度视实际情形而定，主要由金属流动过程可能发生的温降决定，一般在金属固相线以下150℃内。半固态浆料可以采用沉积管坯或锭坯，将这两种情形相比，前者金属流动以侧向为主，路径极短，工艺参数允许波动范围更宽，更适于大规格、薄壁异形管材。
本发明具有如下优点：本发明工艺解决了背景技术中存在的问题，获得的有益效果是：喷射成形半固态浆料致密度99％～，厚度40mm～，等轴晶平均晶粒度20～50μm，收得率85％～，生产效率高(对于铝合金，15kg/min～)；半固态成形的管材规格大(内径300mm～)、形状极其复杂、尺寸精确、组织精细，金属流动路径短，成形工艺参数允许变动范围宽，易于稳定控制，制件力学性能与传统锻件相当。
具体实施方式
结合本发明的内容提供实施例，如下表所示：
  材质     A356     7075     6061/10％(wt)SiCp
  金属熔体流率，kg/min     15     30     20
  过热度，K     150     200     100
  金属熔体静压头，mm     400     450     400
  一级雾化压力，atm     2     1     3
  二级雾化角度，°     12     10     15
  复合颗粒送粉压力，atm     /     /     3
  沉积距离，mm     500     600     400
  管坯基底旋转速度，rpm     80     100     60
  基底预热温度，℃     560     610     510
  相对致密度，％     99.5     99.3     99
  管坯内径，mm     300     600     470
  管坯厚度，mm     60     40     80
  材料收得率，％     86     88     85
  凝固速率，K/s     101     101     102
  层界面     致密     致密     致密
  平均晶粒度，μm     30     48     22
  半固态加热温度，℃     600     600     600
  升温时间，min     30     20     25
  保温时间，s     150     10     300
  半固态成形压力，MPa     70     76     72
  拉伸强度，MPa     340     560     380
  延伸率，％     11     22     12

Claims (6)

1、一种制备大规格精密异形管材的方法，其特征在于，方法分为两个阶段，即喷射成形工艺阶段和半固态成形工艺阶段，具体如下：第一阶段采用喷射成形制备半固态浆料，金属熔体通过非限制式二级雾化器和高压气体雾化形成稳定而密集的液滴喷射流，沉积物表面温度和喷射流在沉积前的物理状态存在最佳范围，在线控制工艺参数，始终满足最佳沉积状态，喷射流沉积在基底芯管表面，制备大直径、大厚度管坯；第二阶段为半固态成形，沉积管坯在感应线圈内按照设定的曲线快速加热，然后去除氧化皮，压入成形模具。
2、根据权利要求1所述的制备大规格精密异形管材的方法，其特征在于，半固态成形工艺阶段，沉积管坯转移进感应线圈，按照设定的曲线快速加热，在固相线以下20～30℃确定一个临界点，低于和高于临界点的升温速率分别为8～12K/s和1～3K/s，达到温度后保温时间10～300s。
3、根据权利要求1或2所述的制备大规格精密异形管材的方法，其特征在于，半固态成形工艺阶段，达到温度的管坯去除氧化皮后，半固态浆料的底部带支撑，压入成形模具。
4、根据权利要求1所述的制备大规格精密异形管材的方法，其特征是，喷射成形工艺阶段，所述的金属熔体，在液相线以上100～200℃保温，然后通过中间包流入在相同温度保温的漏包，漏包中熔体高度大于400mm，自动控制金属倾倒动作，液面波动小于10mm，熔体经由设置在漏包底部的导管流入雾化器，铝金属熔体质量流率在15kg/min～。
5、根据权利要求1或4所述的制备大规格精密异形管材的方法，其特征是，喷射成形工艺阶段，所述的非限制式二级雾化器，其工作介质为惰性气体或设定的反应性气体，金属熔体在重力作用下进入一级雾化区域，一级雾化气体压力在1～3atm，雾化角为0～3°，二级雾化气体压力在8～15atm，雾化角为10～15°。
6、根据权利要求1或4所述的制备大规格精密异形管材的方法，其特征是，喷射成形工艺阶段，排风口具有可连续调节的出口面积，自动控制排风口风门开启角度，沉积室内的气体压力维持在1～1.1atm，外接防爆风机，夹带粉尘的气流经过一级或多级旋风分离器净化后排空，未粘结的粉尘通过排风口及时排除。
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