一种喷射成形同步超声热精轧制备技术

摘要

本发明公开了一种喷射成形同步超声热精轧制备技术，属于复合材料技术领域，具体步骤为：漏包中的金属熔体经过内、外漏嘴分别流入喷嘴处；金属熔体在高压惰性气体雾化成大量的锥状喷射细微液滴；喷射细液滴在雾化室中高速喷射气体飞行，液滴急剧冷却形成固、液共存状态，雾化锥液滴扫描沉积在旋转运动及回缩运动的基底上，形成一层沉积层；利用超声工具头的超声振动与热精轧作用于沉积层上，且沉积层的热传入下一层沉积层金属中，形成最终的锭坯；本发明解决了传统工艺中组织性能较差，以及工序路线长和材料氧化问题，缩短加工流程，并且在惰性环境下完成整个过程，避免了材料的氧化，可以制备大尺寸的毛坯件，降低了工艺成本。

权利要求

1.一种喷射成形同步超声热精轧制备方法，其特征在于，所述的制备方法具体步骤为：步骤一、将雾化室预先充满氮气；

步骤二、将熔融的2195铝锂合金熔体浇注于预先加热的漏包中，设置耐热喷嘴的喷射角度设为20°，浇注温度为825℃，雾化压力设为0.7MPa；基底的往复速度设为：50r/min，基底下拉速度为：2mm/s，沉积距离为600mm；在设置的喷射成形基本参数下，漏包中的2195铝锂合金熔体经过内、外漏嘴分别流入喷嘴处；喷嘴处的熔体在雾化压力作用下雾化成大量的锥状喷射细微液滴，并随高速喷射气体飞行，冷却的锥状喷射细微液滴落在往复运动的基底上，形成沉积层；

步骤三、利用超声工具头的超声振动与热精轧作用于沉积层上，且沉积层的热传入下一层沉积层金属中，调节超声工具头的超声频率为20KHz，振幅为10um，及热精轧压力为

0.2MPa与热精轧速率为4mm/s；整个超声热精轧工具安装在机器人臂中，通过设计机器人运动轨迹，完成同步超声热精轧与喷射成形的跟随实现；在喷射成形与超声热精轧共同作用下成形φ500x600mm的锭坯。

说明书

一种喷射成形同步超声热精轧制备技术

技术领域

[0001] 本发明专利涉及复合材料技术领域，尤其是一种喷射成形同步超声热精轧制备技术。

背景技术

[0002] 针对航空、航天、兵器、船舶等领域新一代国防尖端武器装备关键结构件进一步结构减重的发展需求，以铝锂合金为对象通过喷射成形同步超声热精轧制备技术，突破铝锂
合金多喷嘴喷射成形均匀沉积生长，实现航天火箭类双曲率截面的椭球和瓜瓣及航空飞机
蒙皮等典型构件模拟件的制备成形，通过典型构建模拟件地面实际工况模拟试验验证，达
到航空航天核心铝锂合金构件实际服役要求，具备低密度高耐损伤铝锂合金大批量生产、
大型铝锂合金薄壁钣金构件批产能力，解决航空、航天、兵器等领域武器装备关键结构的精
确成型和监测评估问题，提升航空、航天、兵器装备轻量化结构的整体水平。

[0003] 基于喷射成形工艺的铝锂合金具有沉积坯固溶度高，氧化程度轻，杂质程度低，为等轴晶组织，组织细小、均匀、无宏观偏析，材料的致密度高等特性，且其可以通过控制接收
盘的形状及运动方式，直接获得管状、柱状、盘状等不同形状的毛坯件，可以实现大尺寸及
高性能材料的制备，使其成为低密度高耐损伤铝锂合金制备的新途径。此外，在铝锂合金中
添加微量元素时，添加的微量元素和溶质原子以及空位的相互作用可以改变铝合金时效硬
化过程和硬化程度，提高合金时效响应速度和时效强度。然而，喷射成形工艺制备积坯锭中
出现各向异性、气孔和微观偏析等问题，而且颗粒间没有形成良好的冶金结合，影响了材料
的塑形、韧性及疲劳性能，直接使用时性能较差。

发明内容

[0004] 本发明针对现有技术中喷射成形工艺制备积坯锭中出现各向异性、气孔和微观偏析以及颗粒间没有形成良好的冶金结合，影响了材料的塑形、韧性及疲劳性能及直接使用
时性能较差等问题，提供喷射成形同步超声热精轧制备技术，解决上述缺陷。

[0005] 本发明是这样实现的：

[0006] 一种喷射成形同步超声热精轧制备技术，其特征在于，所述的技术具体步骤为：

[0007] 步骤一、将雾化室预先充满氮气且预先加热漏包；

[0008] 步骤二、将熔融的金属液体浇注于预先加热的漏包中，漏包中的金属熔体经过内、外漏嘴分别流入喷嘴处；

[0009] 步骤三、金属熔体在高压惰性气体雾化成大量的锥状喷射细微液滴；高压惰性气体一般为氮气；

[0010] 步骤四、喷射细液滴在雾化室中高速喷射气体飞行，液滴急剧冷却形成固、液共存状态，雾化锥液滴扫描沉积在旋转运动及回缩运动的基底上，形成一层沉积层；

[0011] 步骤五、利用超声工具头的超声振动与热精轧作用于沉积层上，且沉积层的热传入下一层沉积层金属中，在喷射成形与超声精轧共同作用下形成最终的锭坯。

[0012] 进一步，所述的步骤二中：耐热喷嘴的喷射角度设为15 30°，其中的优化角度为~
20°，浇注温度为825℃，雾化压力设为0.7MPa；沉积器的往复速度设为：50r/min，基板下拉
速度为：2mm/s，沉积距离为600mm。

[0013] 进一步，所述的步骤五中：调节超声工具头的超声频率为20KHz，振幅为10um，及热精轧压力为0.2MPa与热精轧速率为4mm/s。

[0014] 进一步，整个超声精轧工具安装在机器人臂中，通过设计机器人运动轨迹，完成同步精轧与喷射成形的跟随实现。

[0015] 本发明与现有技术的有益效果在于：

[0016] 本发明的喷射成形同步超声热精轧制备技术是通过喷射成形技术解决传统工艺制备铝锂合金材料组织性能较差，以及工序路线长和材料氧化问题，缩短加工流程，并且在
惰性环境下完成整个过程，避免了材料的氧化，可以制备大尺寸的毛坯件，降低了工艺成
本；

[0017] 本发明通过同步超声热精轧技术，在铝锂合金制备初期及时消除成形过程中热气流带来的气孔及基板转动时带来的死角问题，为大型坯料自动化制备提供方法。设计自调
性沉积设备和热精轧设备，实现喷射成形绕注温度、雾化压力、沉积距离和精密轧制的自动
检测、自动压力反馈等自适应控制，最终成功制得低密度高耐损伤铝锂合金坯料。攻克沉积
层、预轧坯材料成分偏析、强韧敏感、组织性能缺陷问题。采用同步超声热精轧技术在喷射
成形的过程中对坯料未完全冷却时进行热变形，有效利用热能避免二次加热，有效消除坯
料缺陷，获得高性能低缺陷的铝锂合金坯料。

附图说明

[0018] 图1是本发明喷射成形同步超声热精轧的设备示意图；

[0019] 其中1‑漏包、2‑喷嘴扫描电频电机、3‑超声电源、4‑超声工作头、5‑汽油压缩机、6‑冲击头、7‑基底。

具体实施方式

[0020] 为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0021] 如图1所示，为本发明喷射成形同步超声热精轧的设备示意图，包括喷射成形装置、超声装置、热精轧装置；其中喷射成形装置中包括漏包1、喷嘴扫描电频电机2、基底7；超
声装置包括了超声电源3、超声工作头4；热精轧装置中包括汽油压缩机5、冲击头6。其工作
原理可以描述为：漏包1中的金属熔体经过内、外漏嘴分别流入喷嘴处，被高压惰性气体（一
般为氮气）雾化成大量的锥状喷射细微液滴，并随高速喷射气体飞行，在此过程中，液滴急
剧冷却形成固、液共存状态，雾化锥液滴扫描沉积在基底上，基底作旋转运动及回缩运动，
速度可通过变频电机调整，经过不断地沉积生长，最终形成锭坯。沉积过程中，为了消除氧
化，沉积室保持微正压环境，使大气中的氧被隔离在沉积室之外。通过超声工具头4的超声
振动作用与热精轧6改善构件组织性能，且沉积层的热传入下一层沉积层金属中，使得变形
态金属发生再结晶，进一步细化晶粒。整个超声精轧工具安装在机器人臂中，通过设计机器
人运动轨迹，完成同步精轧与喷射成形的跟随实现，通过更换滚轮的形状，比较制备材料的
组织性能，可研究滚轮工具头形状对制备材料的组织性能影响。

[0022] 本发明利用图1所示的设备的喷射成形同步超声热精轧制备技术具体步骤为：

[0023] 步骤一： 雾化室预先充满氮气；

[0024] 步骤二：设置耐热喷嘴的喷射角度设为20°，浇注温度为825℃，雾化压力设为0.7MPa；沉积器的往复速度设为：50r/min，基板下拉速度为：2mm/s，沉积距离为600mm；

[0025] 步骤三：在设置的喷射成形基本参数下，漏包中的2195铝锂合金熔体经过内、外漏嘴分别流入喷嘴处；

[0026] 步骤四：喷嘴处的熔体在雾化压力作用下雾化成大量的锥状喷射细微液滴，并随高速喷射气体飞行，冷却的锥形液滴滴落在往复运动的沉积器上，形成沉积层；

[0027] 步骤五：调节超声工具头的超声频率为20KHz，振幅为10um，及热精轧压力为0.2MPa与热精轧速率为4mm/s；

[0028] 步骤六：整个超声精轧工具安装在机器人臂中，通过设计机器人运动轨迹，完成同步精轧与喷射成形的跟随实现。

[0029] 步骤七：在喷射成形与超声精轧共同作用下成形φ500x600mm的锭坯。

[0030] 以上所述仅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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的
保护范围。