CN103495732A - 喷射沉积多孔板材致密化用压头、装置及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了喷射沉积多孔板材致密化用压头、装置及应用。所公开的压头上设有安装端面和工作端，工作端设有第一保压区、主压区、预压区和第二保压区，且沿压头步进方向依次为第一保压区、主压区、预压区和第二保压区；其中：主压区为水平面，预压区为斜面且自主压区向安装端面倾斜，两个保压区的作用为防止致密化时材料流动。本发明的压头存在四个光滑过渡的区域，在致密过程中使得材料变形连续，不会导致产生裂纹。同时公开了安装有上述压头的致密化装置。利用所公开的装置加工板材时，主压区的压面水平作用在板坯上，且压头的道次压下量大于压头预压区相对于主压区的倾斜高度。致密化过程中能保留坯料中显微组织的均匀性。

Description

喷射沉积多孔板材致密化用压头、装置及应用

技术领域

本发明属于金属材料致密化加工技术领域，具体涉及一种喷射沉积多孔板材致密化用压头、装置及应用。

背景技术

与铸造、粉末冶金等材料成形和制备方法相比，喷射沉积不仅有铸造的一步成形的优点，也有快速凝固冷却速率高的优点，是一种间于铸造与粉末冶金之间的金属成形工艺。喷射沉积工艺虽具有冷却速率高、成本适宜、适用范围广的优点，但喷射沉积态坯料的相对密度一般为85%～90%，坯料中存在大量微孔，颗粒之间、层界面之间均未达到完全的冶金结合，会导致材料力学性能下降，特别是高温力学性能因孔洞存在而大幅下降；还会导致成形能力的急剧下降，喷射沉积坯料几乎没有塑形。因此必须通过后续致密工艺来提高其力学性能和成形性能。

CN1873043公开了大型喷射沉积件的致密化加工方法及装置，该方案主要应用与锭坯、块坯、环坯和板坯。所公开的方法是采用一小平面与一斜平面光滑过渡组成或斜面组成的楔形压头，采用普通压机施以一定压力，对模具中欲致密化的大型喷射沉积方形坯件进行局部小变形，小平面部分为主变形区，斜面为预变形区，逐步向斜面方向推进，进行逐次压制，模具采用了组合模的方式，在压进的道次之间，逐步撤出楔压步进前端的模块，释放一部分空间，坯料在楔压压头斜面的横向分力的作用下向前推进，实现横向切变形，综合向下压制致密化和横向切变流动双重变形，最后实现喷射沉积坯件的整体致密化和剪切作用下的冶金结合。所公开的装置包括压机压头和压机工作台，在压机工作台上安装有方形组合模具，方形组合模具内设有活动组合模块，在压机压头顶部上设有步进式推进装置，在步进式推进装置上设有滑板，在滑板上设有楔形压头，在压机工作台上设有与压机压头对应的限位装置。所述的楔形压头端面一小部分为平面其余部分为斜面，平面部分与斜面部分采用小角度过度。所述的方形组合模具上设有电热加热装置。

对喷射沉积多孔板坯而言，CN1873043公开的方法或装置通过坯料挤压时的剪切流动，孔洞被拉长、分散乃至焊合，提高材料的塑性变形能力和力学性能；具体通过楔形压头逐步累积小变形而实现整体的致密。其存在的问题是：

（1）受设备吨位和材料强度的限制，大挤压比的板材以及高温强度高的铝合金及其复合材料难以成形，且成形加工成本高昂;

（2）已有的框形限制成形和陶粒轧制在成形板材时由于受到设备尺寸影响，难以成形尺寸大的板坯；

（3）由于受沉积坯成形性能差的影响，且普通楔形压制为两向压应力成形，因此喷射沉积铝合金及其复合材料板坯容易在压制过程中出现开裂，压头在压制板坯表面的压痕较明显，致密成形效果差。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的之一是提供一种喷射沉积金属板坯的致密化用压头。

为此，本发明提供的喷射沉积金属板坯的致密化用压头上设有安装端面和工作端，所述工作端设有第一保压区、主压区、预压区和第二保压区，且沿压头步进方向依次为第一保压区、主压区、预压区和第二保压区；所述主压区为水平面，所述预压区为斜面且自主压区向安装端面倾斜，所述主压区与预压区之间为光滑过渡；所述第一保压区的作用为防止致密化时主压区的材料向压头步进方向的相反方向流动；所述第二保压区的作用为防止致密化时主压区和预压区的材料向压头步进方向流动。

所述第一保压区为斜面且自主压区向安装端面倾斜，所述第一保压区与压头侧壁间为光滑过渡，所述第一保压区与正压区间为光滑过渡；所述第二保压区为水平面，所述第二保压区与压头侧壁间为光滑过渡，所述第二保压区与预压区间为光滑过渡。

所述主压区的粗糙度小于第一保压区和第二保压区的粗糙度，所述预压区的粗糙度小于第一保压区和第二保压区的粗糙度。

与现有技术相比，本发明的喷射沉积金属板坯的致密化用压头的优点在于：

（1）本发明的压头在两端存在两个表面粗糙度较高的保压区，在压制过程中通过压头的保压区抑制保压区下板材的流动，从而使主压区和预压区下的板坯在致密过程中处于三向压应力状态即准等静压状态，从而可以避免常规压制变形常导致的板坯在压制过程出现开裂的现象。

（2）本发明的压头存在四个连续的区域，各区域之间用圆角光滑过渡，因此在致密过程中其变形连续，不会导致突然的大变形或者应力集中而产生裂纹。

（3）相邻压区的采用圆角过渡，有利于防止板坯表面由于变形不均匀出线裂纹，同时也可以减小压制过程中出现压头的压痕。被致密材料的刚度越低，流动性能越好，相邻压区间的过渡圆角可以适当减小。

（4）主压区和预压区的压面采用较小的表面粗糙度，有利于压制过程中坯料表面的流动，产生更好的致密化效果；两个保压区采用较高的表面粗糙度则是用于抑制压制过程中板坯沿长度方向的流动，使这两个区域的坯料产生较好的准等静压效果，防止坯料在压制过程中开裂。

（5）保压区倾斜角越小，则保压区抑制坯料沿板坯长度流动的作用增强，但会降低主压区的压力，不利于主压区坯料的致密化变形。被致密材料的刚度越低，流动性能越好，则倾斜角可以减小。

本发明的另一目的在于提供一种喷射沉积多孔板材致密化装置，该装置包括压头、底板、钢模、电热装置和限位装置，所述压头为上述压头。

所述钢模中设有铝垫板。

与现有技术相比，本发明的喷射沉积多孔板材致密化装置的优点在于：

本发明提供的喷射沉积金属板坯的致密化装置中，压制压头两侧具有保压区域，保压区采用较高的表面粗糙度来抑制位于保压区下的坯料的流动，在压制过程中能有效地使压头主压区和预压区下的坯料产生三向压应力，提高坯料的塑性变形能力，抑制压制过程中坯料裂纹的产生。并且，压头主压区和预压区压面采用光洁表面，且主压区和预压区之间采用圆角过渡，可以减少压制过程表面对坯料塑性流动的阻力，增强主压区和预压区下坯料的塑性变形，通过坯料的剪切和塑性流动使多孔坯料的孔洞破碎和弥合，实现致密。此外，本发明的装置可以在较低吨位的压力设备下实现大尺寸多孔板坯的整体致密，通过准等静压致密后的板材致密性能好，相对密度达99%以上。

第一保压区和第二保压区共同作用抑制致密化过程中材料沿板坯长度方向流动，同时通过板坯端头的铝垫板施加给板坯长度方向上的压应力，以及压制过程中压头施加在板坯厚度方向上的压应力和钢模施加在板坯宽度方向上的压应力，共同实现致密化过程中主压区和预压区材料处于准等静压状态。并且保压区合适的尺寸大小可使得坯料在保压区的作用下能抑制压制过程中坯料沿板坯长度方向的流动，提高主压区和预压区坯料的等静压效果。

本发明的另一目的是提供上述喷射沉积金属板坯的致密化装置用于加工金属合金及其复合材料板材的应用，该应用的特征是：

主压区的压面水平作用在被压压制的板坯上；

压头的道次压下量大于压头预压区相对于主压区的倾斜高度。

利用本发明的喷射沉积金属板坯的致密化装置加工金属合金板材的特点在于：

（1）致密化过程中能保留喷射沉积坯料中显微组织的均匀性，能避免挤压或者热压等致密工艺造成的致密不均匀的现象，获得均匀的致密，特别是对于颗粒增强复合材料，能避其他致密方法导致的增强颗粒分布不均匀的现象，从而保证力学性能的均匀性；

（2）本致密法能使变形区的坯料在三向压应力的准静压状态下变形，有利于提高坯料的变形能力，避免普通楔形压制过程中出现的坯料开裂的现象；

（3）本致密法致密过程中坯料端部与模具侧壁之间放置纯铝板，可以保证在致密过程中长度方向具有一定的压应力，同时又可以使板坯过程中沿长度方向的塑性变形，使致密效果更好；

（4）本致密法采用小变形逐层致密实现沉积坯的整体致密，所需能量小，能避免其他喷射沉积坯致密时所需的大吨位致密设备；

（5）本方法在致密过程中温升效果小，保持较低的变形温度，能保留喷射沉积坯显微组织细小的特点，避免温升导致显微组织的粗化。

附图说明

以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明致密化装置的结构示意图，图中各代码表示：1-压头、2-板坯、3-钢模、4-电热装置、5-底板；

图2为图1所示装置压头的剖视图；

图3为实施例2中喷射沉积SiCP/Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si复合材料板坯准等静压压制前后金相显微组织，其中图3(a)为沉积态，图3(b)为压制态；

图4为实施例2中喷射沉积SiCP/Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si复合材料板坯准等静压压制致密后的透射电镜照片。

具体实施方式

本发明喷射沉积金属板坯的致密化用压头的安装端面是指压头上安装于驱动装置上的端面。

本发明喷射沉积金属板坯的致密化用压头的工作端面是指压制过程中与金属板坯接触的端面。

本发明所述的压头步进方向是指压制过程中压头的逐步移动方向。完成单次压制后压头向前推进的步进距离应小于等于主压区在坯料长度方向的尺寸。

本发明所述的道次压下量是指通过调整限位装置后压头本次压下的高度与限位装置调整前压头压下高度的差值，限位装置调整后在压头完成对整个板坯一个厚度的致密之前不再调整。

参考图1，本发明的金属板坯致密化装置包括压头1、底板5、钢模3、电热装置4和限位装置，所述钢模置于底板上，所述压头置于钢模上方，所述电热装置设于钢模的侧壁中，参考图2，压头1的工作面从一侧到另一侧分别分为第一保压区、主压区、预压区、第二保压区四个区域。另外，需要说明的是，图2给出的压头轴向截面形状呈T型，该T型压头上径向尺寸较大的部分为传力区，传力区的作用是将压力机的载荷传递给压头作用在被致密板坯上，且防止压头在板坯给予的非对称反作用力下发生倾斜。

本发明的致密化装置与CN1873043所公开的装置总体区别在于提供了有两个保压区的压头，此外在坯料的一端加入了一块与坯料等厚的铝垫板，抑制板坯在长度方向的流动，给被压制板坯施加长度方向上的压应力，实现坯料在准等压力下的致密，有利于避免压制过程中坯料的开裂和减小板坯表面的压痕。

本发明的铝垫板用于限制板坯沿长度方向的流动，铝垫板在致密过程中始终接触板坯一端，始终在板坯的一端施加压应力，起到限制板坯沿长度方向的流动和变形，且纯铝比被致密材料软，因此也允许板坯在致密过程中有一定长度方向上的变形，提高致密化效果。

采用本发明的喷射沉积金属板坯的致密化装置对板坯进行致密，压头的传力区水平固定在压力机上滑块上，以使压头主压区的压面水平作用在被压压制的板坯上，对于厚度在10～30mm的金属板坯，致密化装置的加热设备在压制前加热至材料塑性变形所需的温度后保温30min，以使被致密的板坯加热均匀。

采用本发明的装置进行致密化加工时，其方法或相关参数与CN1873043所公开加工方法的区别在于采用本发明所设计的准等静压装置致密时，道次压下量需略大于压头预压区相对于主压区的倾斜高度，以保证压头第二保压区在压制时能接触到板坯表面起到抑制板坯长向流动的作用。

实施例1：

遵循本发明的技术方案，参考图1和图2，该实施的喷射沉积金属板坯的致密化装置的具体结构尺寸如下：

钢模为无底板的方框形，内壁尺寸长×宽×高为500mm×110mm×180mm，钢模厚度为60mm，采用45钢制作，钢模侧壁上竖直方向均匀布置16根单根功率为1kW的不锈钢电热棒，电热棒外径为20mm。

底板尺寸长×宽×厚为700mm×300mm×180mm，钢模厚度为60mm，采用45钢制作，钢模侧壁上竖直方向均匀布置16根单根功率为1kW的不锈钢电热棒，电热棒外径为20mm。

本实施例的压头采用45钢制作，压头的长×宽×厚为110mm×90mm×300mm，压头高度满足压头主压面到传力区下侧高度大于框形钢模高度60mm左右。压头传力区尺寸为200mm×110mm×80mm，两个保压区为尺寸110mm×30mm，预压区尺寸为110mm×20mm，主压区尺寸为110mm×10mm，也就是说，第一保压区在坯料长度方向的尺寸为30mm，第二保压区在坯料长度方向的尺寸为30mm，主压区在坯料长度方向的尺寸为10mm，预压区在坯料长度方向的尺寸为20mm。其他尺寸为：

第一保压区相对于水平面的的倾斜角度为1°～2°；预压区相对于水平面的倾斜角度为5°～6°；

第一保压区与压头侧壁间过渡圆弧的半径为10mm；

第一保压区与主压区间过渡圆弧的半径为20mm；

主压区与预压区间过渡圆弧的半径为20mm；

预压区与第二保压区间过渡圆弧的半径为20mm；

第二保压区与压头侧壁间过渡圆弧的半径为10mm；

预压区和主压区的粗糙度均为0.8μm，第一保压区和第二保压区的粗糙度均为12.5μm。

实施例2：

利用实施例1中的装置和坩锅移动式喷射共沉积装置制备SiC_P/Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si复合材料板坯。

该实施例中选择为机械破碎的β-SiC作为增强颗粒，平均粒径约为10μm，

喷射沉积板坯先锯成长×宽×厚为460mm×120mm×30mm，再刨削加工成长×宽×厚为450mm×110mm×(20～25)mm的板坯。在6300kN压力机平台上放置致密装置的底板，使底板位于压力机台面的中心区域，再将钢模对称放置于底板上。板坯平置于压制钢模内，在板坯的一端放入长×宽×厚为50mm×110mm×15mm的纯铝板坯。将压制所用的压头安装于压力机的上滑块的T形槽，T形槽的方向于钢模的长度方向一致，使压制压头沿T形槽滑动时能沿钢模内壁的长度方向平移。致密装置的电热装置连接好，设置温度，用石棉布覆盖致密化装置，温度升至设定温度后保温30min。

具体压制前，测量板坯上边面到钢模上沿的距离，压制压头首次压下时是压头进入钢模的距离大于板坯上表面到钢模上沿距离1.0～2.0mm，使首次压下的压下量为1.0～2.0mm。

压制前将压制模具通电加热，对于铝合金板坯，加热温度为450℃～480℃，加热过程中用石棉覆盖钢模上表面保证温度均匀，温度升高到预设温度后保温30min，加热时，压头进入压制钢模，应高于板坯表面，以避免板坯在低温状态产生压制变形导致板坯开裂。

板坯表面经过刨削加工，被压制的金属板坯原始厚度为30mm，板坯一端的纯铝垫板厚度等于被压制板坯的原始厚度。

首次压下压头从板坯的远离纯铝垫板的一端开始压制，首次压下的道次压下量为5％～10％。压头的压下量由限位器控制。单次压下后，坯料产生变形，压头抬起后向预压区方向平移8～10mm后再次压下，平移过程中，压头的压下量保持不变，如此压头平移后压制，多次循环后直至压头主压区接触纯铝垫板，整个板坯完成一道次的压制，压下量为5％～10％。

当整个班次完成一道次5%～10%的压下后，保温20min，再将压头平移至板坯远离纯铝垫板的一端，同时通过调节限位器的高度，将压制压头的压下高度下调1.0～2.0mm，开始第二道压制的第一次压下，压制后，与第一道压制相同，压头往预压区方向平移8～10mm后再次压下，在直至压头主压区接触纯铝垫板完成整个板坯的一道压制前，压头的压下量保持不变。如此实现对板坯的多道压制致密，每道压制致密的压下量为1.0～2.0mm，当总压下量为12～15mm，完成对整块板坯的压制，实现对板坯的整体致密。

最终通过压头对于沉积坯压制产生的局部塑性变形，使塑性变形区域的孔洞破碎、弥合，从而实现塑性变形区域的致密化。由于预压区的通过局部变形的累积实现整个沉积坯的整体致密。

本实施例中的的钢模侧壁在放入坯料前应采用石墨机油进行润滑，方便压制后坯料的脱出。

装置运行时，保持压头的主压面水平作用在坯料表面，避免压制后压头在坯料表面留下压痕。

压头平移时的单次平移距离应小于等于主压面的宽度，即单次平移量要小于等于10mm，取8～10mm。

本实施例中的SiC_P/Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si复合材料板材中，如图3（a）所示，喷射沉积坯料由于在沉积过程中卷入了大量气体，因此沉积坯中沉积颗粒的边界以及SiC颗粒与基体的结合处存在大量孔洞，其相对密度约为80％。经准等静压致密化后板坯得到有效致密，如图3(b)所示，当总压下量达50％时，板坯经过大变形量的塑性变形，沉积颗粒之间孔洞弥合实现了冶金结合，SiC颗粒与基体之间也结合良好。此外，SiC颗粒在基体中均匀分布。从图4可以看出，基体铝合金的的平均晶粒尺寸为500～800nm，基体中的Al₁₂(Fe,V)₃Si弥散粒子为60～100nm。

用本发明方法制备的SiC颗粒增强Al基复合材料管材具有SiC颗粒分布均匀，在变形过程温升小，基体显微组织弥散细小，SiC颗粒与基体合金结合良好，复合材料之密性好等优点，表面无显微裂纹、压痕小。

Claims (6)

1.一种喷射沉积金属板坯的致密化用压头，该压头上设有安装端面和工作端，其特征在于，所述工作端设有第一保压区、主压区、预压区和第二保压区，且沿压头步进方向依次为第一保压区、主压区、预压区和第二保压区；

所述主压区为水平面，所述预压区为斜面且自主压区向安装端面倾斜，所述主压区与预压区之间为光滑过渡；

所述第一保压区的作用为防止致密化时主压区的材料向压头步进方向的相反方向流动；

所述第二保压区的作用为防止致密化时主压区和预压区的材料向压头步进方向流动。

2.如权利要求1所述的喷射沉积金属板坯的致密化用压头，其特征在于，所述第一保压区为斜面且自主压区向安装端面倾斜，所述第一保压区与压头侧壁间为光滑过渡，所述第一保压区与主压区间为光滑过渡；所述第二保压区为水平面，所述第二保压区与压头侧壁间为光滑过渡，所述第二保压区与预压区间为光滑过渡。

3.如权利要求1所述的喷射沉积金属板坯的致密化用压头，其特征在于，所述主压区的粗糙度小于第一保压区和第二保压区的粗糙度，所述预压区的粗糙度小于第一保压区和第二保压区的粗糙度。

4.一种喷射沉积多孔板材致密化装置，该装置包括压头、底板、钢模、电热装置和限位装置，其特征在于，所述压头为权利要求1、2或3所述的喷射沉积金属板坯的致密化用压头。

5.如权利要求4所述的喷射沉积多孔板材致密化装置，其特征在于，所述钢模中设有铝垫板。

6.权利要求4或5所述的喷射沉积金属板坯的致密化装置用于加工金属合金及其复合材料板材的应用，其特征在于，该应用包括：

主压区的压面水平作用在被压制的板坯上；

压头的道次压下量大于压头预压区相对于主压区的倾斜高度。

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