用于金屬構筑成形過程的封裝方法技術

本發明專利技術公開一種用于金屬構筑成形過程的封裝方法，其特征在于，包括：制備多個基元；將多個基元堆垛成預定形狀；將堆垛成預定形狀的多個基元封裝成預制坯。

【技術實現步驟摘要】
用于金屬構筑成形過程的封裝方法
本專利技術涉及一種金屬材料制造方法，具體來說是用于金屬構筑成形過程的封裝方法。
技術介紹
金屬材料是人類歷史發展中最不可或缺的材料，基于其得天獨厚的廉價性、強韌性、耐久性等特點，金屬在當代材料工業中始終占據主導地位。經過數千年的積累，人類已掌握一整套相當成熟的金屬材料生產技術，例如傳統的鋼鐵生產歷經冶煉、澆鑄、壓力加工和熱處理工序，產品質量穩定，價格低廉。近年來出現的金屬基復合材料結合了金屬材料與非金屬材料的優點，具有比重小、比強度高等特點，進一步拓寬了金屬材料的應用范圍。一些關鍵領域對復合界面的結合強度要求較高，傳統的爆炸復合方式由于在常溫下壓力復合，界面上存在顯微缺陷，已難以滿足要求，需要開發更加可靠、更加安全的新的金屬復合方法。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種制備大型金屬材料或復合金屬材料的構筑成形方法，以鑄坯、鍛坯、軋坯等為基元，通過表面加工和清潔后，將多個基元封裝在一起，并使界面內部保持高真空狀態，然后施加以鐓粗變形、鍛間保溫、多向鍛造為特點的鍛焊工藝，最終制備優質大型金屬器件。其中鍛焊是指在高溫鍛造過程中，通過不同基元間的原子擴散使界面充分焊合而實現冶金連接的過程。本專利技術的技術方案為：一種金屬構筑成形方法，包括如下步驟：首先制備基元：將多塊小規格金屬坯(可為鑄坯、鍛坯或軋坯)下料為指定尺寸，通過機械加工方式將表面加工平整，露出新鮮金屬，并采用有機溶劑清洗潔凈，處理后的坯料稱之為基元；然后將基元構筑、封焊成預制坯：將多塊基元按照使用需求進行排列組合，堆垛成大規格長方體或圓柱體，采用廉價金屬板將構筑后的坯料整體封裝成箱，并對箱內抽真空處理；或采用真空焊接方式分別將各基元間的界面封裝；封裝后的坯料稱之為預制坯；然后將預制坯鍛焊成毛坯：將封裝后的預制坯加熱到指定溫度出爐，在液壓機上進行鍛造，實施鐓粗變形、鍛間保溫的措施，使界面充分焊合，實現冶金連接，成為一體化的毛坯；最后成形為器件：將毛坯采用鍛造、軋制等壓力加工方式進一步成形，采用機加工方式精確成形為最終規格尺寸。該方法的具體步驟如下：第一步，按照預先計算好的尺寸規格裁切金屬坯；第二步，加工、清洗金屬坯表面；第三步，按照使用需求將多塊金屬坯排列組合、堆垛；第四步，將排列后的金屬坯封裝，使各接觸界面處于真空狀態；第五步，對封裝后的金屬坯實施鍛前加熱；第六步，對金屬坯實施(多向)鐓粗變形鍛焊；第七步，對金屬坯實施保溫擴散連接；第八步，將金屬坯加工成形至最終規格尺寸。所述的金屬構筑成形方法，第一步中，裁切金屬坯時，將坯料裁切成板型。準備合適數量裁切后的板坯，使其疊加之后總高度與寬度/厚度的比例不超過3∶1，便于實施鐓粗變形。所述的金屬構筑成形方法，第二步中，采用角磨、鋼刷打磨金屬坯表面，去除氧化皮，必要時采用銑床加工表面。然后采用丙酮、酒精等有機溶劑清洗表面，保障表面高度清潔，露出新鮮金屬。所述的金屬構筑成形方法，第三步中，按照使用需求，將多塊金屬坯排列組合、堆垛成大規格長方體，使邊緣對齊。排列方式可為堆垛成多層，每層包括一個基元，也可為堆垛成多層，每層包括多個基元。所述的金屬構筑成形方法，第四步中，采用廉價金屬板將構筑后的坯料整體封裝成箱，箱體預留抽真空接口，對箱內抽真空處理后再封堵接口；或將堆垛后的坯料整體放入真空室內，再采用真空焊接方式分別將各基元間的界面封裝，封裝界面的焊接深度為10～50mm。所述的金屬構筑成形方法，第五步中，將焊接完成的坯料送入加熱爐加熱，加熱溫度為0.8至0.9Tm，Tm為材料的熔點，單位為℃。優選溫度為0.85Tm。所述的金屬構筑成形方法，第六步中，將加熱后的坯料水平放置于鍛壓機操作平臺上，使首次變形方向垂直于坯料內界面最多的方向；采用鐓粗板對坯料進行鐓粗；首先壓下坯料總高度的10-20％；重復此變形動作于長方體坯料的三個法線方向，直至各接觸界面均產生變形。所述的金屬構筑成形方法，第七步中，將鐓粗后的坯料送回加熱爐加熱，實施高溫擴散，加熱溫度為0.85Tm，Tm為材料的熔點，單位為℃；坯料溫度均勻后保溫時間為3至8小時，優選時間為5小時。所述的金屬構筑成形方法，第八步中，將鍛焊成一體的坯料通過鍛造、軋制等壓力加工方式進一步成形，采用機加工方式精確成形為最終規格尺寸。本專利技術的物理冶金學和力學分析如下：在金屬坯疊加、封焊邊緣之后，雖然在宏觀上界面兩側的板接觸在一起，實際上由于板坯表面存在一定的粗糙度，微觀上兩塊板之間是多點接觸，在接觸點之間存在大量空隙，這種空隙可以等效為孔洞。以其中一個孔洞為例，分析其在坯料鐓粗鍛造過程的演化歷程：如圖1所示，(a)變形開始階段，孔洞被壓扁，晶粒發生畸變；(b)孔洞宏觀上閉合，形成裂紋狀缺陷，基體發生再結晶；(c)裂紋缺陷失穩分解為圓柱體或球狀微孔洞；(d)晶界遷移、晶粒長大，微孔洞在原子擴散作用下逐漸消失，兩塊板坯之間實現冶金結合。孔洞型缺陷的愈合過程包括孔洞的閉合與閉合表面的焊合：閉合是指孔洞表面在應力應變的作用下實現物理接觸，焊合是指閉合表面在一定溫度、接觸壓力以及保溫時間的條件下通過擴散、再結晶等方式實現冶金結合。閉合是實現焊合的前提，采用鍛造方式加工真空疊焊或真空封箱后的預制坯，預制坯中心的應變量遠大于軋制方法，能夠保證缺陷的閉合。焊合是實現缺陷完全愈合的關鍵，專利技術人前期通過系統的實驗研究，發現顯微尺度上一些缺陷雖然已經閉合，但尚未焊合，在外力作用下極易重新張開。同時，剛剛焊合的界面成分、組織與基體存在較大差異，形成“結合帶”，這種“瘢痕”組織需變形后長時間高溫熱處理才能完全消除。基于上述考慮，本專利技術提出了“鍛間保溫”和“多向鍛造”的方法實現界面的愈合和成分、組織的均勻化。“鍛間保溫”可以保障通過高溫擴散，使變形時微觀上仍存在的顯微孔洞完全愈合；“多向鍛造”可以保障焊合界面在多個方向上均發生大變形，使界面上殘留的氧化膜盡可能地分散到基體當中，降低其對力學性能的危害。上述方法結合使用，可以最大程度上實現界面與基體的一致性。本專利技術突破了金屬器件的母材只能比其更大的傳統思維，使用品質更優、成本更低的小型金屬坯構筑成形，具有如下的優點和有益效果：1、實現大尺寸金屬器件的均質化制造。采用多塊體積更小的金屬坯作為構筑基元，由于凝固速度快，因此其成分均勻性遠遠好于傳統整體鑄造的大型金屬坯，在此基礎上構筑而成的大尺寸金屬器件不存在顯著的宏觀偏析。2、實現大尺寸金屬器件的致密化制造。采用多塊體積更小的金屬坯作為構筑基元，由于凝固速度快，幾乎可以實現同時凝固，因此坯料內部集中的縮孔疏松少。焊合界面經變形、保溫和多向鍛造后，致密性高于傳統整體鑄坯制成的鍛件。3、實現大尺寸金屬器件的純凈化制造。采用多塊體積更小的金屬坯作為構筑基元，由于制備成本、難度低，因此可采用各種靈活的精煉方法實現基元的純凈化，在此基礎上構筑而成的大尺寸金屬器件純凈度高于傳統整體鑄坯制成的鍛件。4、實現大尺寸金屬器件的低成本制造。由于制備體積較小的金屬坯可采用連鑄等大生產手段，其制造成本遠低于制備體積較大的金屬坯必須采用的模鑄手段，因此可大幅降低制造成本。此外，使用連鑄坯作為構筑基元，沒有傳統鋼錠的冒口、水口損耗，可提升材料利用率15％以上。5、實現大尺寸金屬器件的清潔化、穩定化制造。傳統本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于金屬構筑成形過程的封裝方法，其特征在于，包括：制備多個基元；將多個基元堆垛成預定形狀；將堆垛成預定形狀的多個基元封裝成預制坯。

【技術特征摘要】
2015.03.26 CN 20151013409461.一種大尺寸金屬器件的構筑成形方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟1：制備多個小體積的金屬基元；步驟2：將多個金屬基元堆垛成預定形狀；步驟3：將堆垛成預定形狀的多個金屬基元整體地封裝成預制坯，封裝之后的多個金屬基元之間的界面為清潔的，并且各接觸界面處于真空狀態；其中將堆垛成預定形狀的多個金屬基元整體地封裝成預制坯的步驟包括：步驟3.1：對多個金屬基元進行封箱：將多個金屬基元堆垛在一起，并將相鄰兩塊金屬基元點焊固定在一起；步驟3.2：使用薄鋼板從前后、左右和上下六個方向上形成一個箱體將金屬基元完全包圍，并將箱內抽成真空狀態，使箱內保持真空，從而得到預制坯；步驟4：對封裝后的金屬預制坯實施鍛前加熱；步驟5：對加熱后的預制坯實施鍛壓鐓粗變形，變形完成后將薄鋼板箱剝離，得到毛坯；步驟6：對所述毛坯實施高溫擴散連接：將鐓粗后的坯料進行加熱，坯料溫度均勻后保溫時間為3至8小時；步驟7：將毛坯鍛造成形至最終鍛件尺寸。2.根據權利要求1所述的構筑成形方法，其特征在于，在步驟2之前，還包括將多個金屬基元的表面加工平整露出新鮮金屬的步驟。3.根據權利要求2所述的構筑成形方法，其特征在于，還包括清洗被加工平整的多個金屬基元的表面的清洗步驟。4.根據權利要求1所述的構筑成形方法，其特征在于，步驟2中包括將多個金屬基元堆垛成長方體形或正方體形的預定形狀。5.根據權利要求4所述的構筑成形方法，其特征在于，在多個薄鋼板的面朝金屬基元的內側涂覆...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李殿中，孫明月，徐斌，李依依，
申請(專利權)人：中國科學院金屬研究所，
類型：發明
國別省市：遼寧;21