[发明专利]一种成形高性能三维变截面高温结构零件的半固态流变成形工艺方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种成形高性能三维变截面高温结构零件的半固态流变成形工艺方法，属于半固态成形技术领域。

背景技术

随着环境与能源问题的日益突出，我国冶金行业的高能耗、重污染和低性价比问题日益突出，不断调整和改进工业企业增长方式和发展方向将逐步把我国从加工大国向加工强国推进。在材料加工行业，为提高产品质量，减轻环境污染，增强其国际竞争力，迫切需要从冶金材料科学发展前沿出发，突破传统的材料制备与工艺理论和概念，利用高新技术对材料加工及其控制技术进行新的工艺探索，实现生产过程的短流程、低能耗和高质量。长期以来，实现三维变截面高温结构零件的短流程、近净成形生产方法、并能从生产上制备复杂零件以及研究其性能已成为广大现代高新技术加工企业的一种迫切需要。20世纪70年代半固态成形技术的出现为解决上述问题带来了希望。

所谓半固态成形技术是对具有一定液相组分的固液混合浆料进行压铸、挤压或模锻成形，是一种介于普通铸造(纯液态)和锻压(纯固态)之间的加工方法(M.Kiuchi，R.Kopp.Mushy /Semi-solid Metal Forming Technology-Present and future.Annals of the CIRP.2002，51(2)：1-18)。与普通的铸造和锻压成形方法相比，半固态金属材料成形加工具有如下优点：①应用范围广泛，凡具有固液两相区的合金及复合材料均可实现半固态加工，如铝合金、铜合金和钢的压铸、挤压和锻压成形；②半固态金属已经部分释放出结晶潜热，因而减轻了对成形模具的热冲击，使其寿命大幅度提高；③半固态浆料变形抗力非常小，因而可以一次成形断面十分复杂的零件，实现近净成形，并且缩短了加工周期，提高了材料利用率，有利于节能节材；④半固态浆料充填平稳，无湍流和喷溅，凝固收缩小，因而成形件表面平整光滑，无气孔，晶粒细小，力学性能好。可见半固态成形技术与传统的材料加工方法相比具有极大的优势(Simon Kleiner，Erhard Ogris，Oliver Beffort and Peter J.Uggowitzer.Semi-Solid Metal Processing of Aluminum Alloy A356 and Magnesium Alloy AZ91：Comparison Based on Metallurgical Considerations[J].Advanced Engi.Mater.2003，5(9)：653-658)。

另一方面，随着航空航天、电子通讯和石油化工等领域快速发展，其相关零部件的复杂程度越来越高，使用环境也越来越苛刻，如在三维方向上均为变截面的耐高温复杂结构零件，通常只能使用机械切削加工的方法来实现，或者使用常规铸造的方法，但是铸造中气孔、偏析、气泡等缺陷难以消除。此外，常规加工方法的低生产效率、高能耗、高生产成本的制造方法已显得不相适应。长期以来研究用短流程、近净成形技术、并能从生产上制备高质量高精密三维变截面高温结构零件已成为广大高新技术制造企业的一种迫切需要，如何找到一种巧妙的高温复杂零件成形方法已成为广大材料科学家和工程师一项极具创造性和挑战性的工作。针对上述问题，本发明提出了一种成形高性能三维变截面高温结构零件的半固态流变成形工艺方法。

发明内容

本发明的目的在于提出一种成形高性能三维变截面高温结构零件的半固态流变成形工艺。

本发明提出的一种成形高性能三维变截面高温结构零件的半固态流变成形工艺方法，其特征在于，所述工艺方法含有以下各步骤：

(1)半固态浆料的制备

用高温电阻炉加热经过干燥处理的块状高温合金铸锭，由于高温合金易于氧化，加热过程中使用氩气作为保护气。合金铸锭完全熔化后，保温静置10-20分钟；

(2)用于半固态流变成形浆料定量输送装置的设计

设计一可对半开的陶瓷坩埚，两瓣分别固定在夹钳的两端，坩埚内部体积大小与目标零件体积大小相等；

(3)半固态流变浆料控制冷却

用电热装置将陶瓷坩埚预热到320℃-380℃，将上述步骤(1)中经静置后的高温合金熔液倒入陶瓷坩埚，并控制冷却4-7秒钟。因为高温合金流变成形时间短，期间不需进行搅拌。上述冷却时间可保证半固态坯料固相分数控制在75％-85％；

(4)三维变截面高温结构零件流变成形

设计用于三维变截面高温结构零件流变成形的模具，包括模具预热和温度控制系统的建立，将由(3)控制冷却得到的流变坯料迅速放入模具中锻造成形得到目标零件。