本發(fā)明涉及金屬材料，具體涉及一種抑制金屬偏析的擴(kuò)散構(gòu)建成型方法。
背景技術(shù)：
1、金屬制坯工藝是材料加工的重要環(huán)節(jié)，直接影響后續(xù)加工性能和制件質(zhì)量。目前，主流的金屬制坯方法主要是熔煉鑄造和粉末冶金，它們?cè)诓煌瑧?yīng)用場(chǎng)景中各有優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和高性能材料制造領(lǐng)域。熔煉鑄造因制備工藝簡(jiǎn)單、成本較低，廣泛應(yīng)用于金屬制造領(lǐng)域，但對(duì)于難熔金屬效果極為有限。粉末冶金更為適用于難熔金屬，且具有成分易調(diào)控、孔隙率可控、可實(shí)現(xiàn)近凈成形等特點(diǎn)，一直以來(lái)備受關(guān)注。然而對(duì)于鎢鋁合金、鈮鋁合金、鎢銅合金、鎢鎳合金和鈦鉭合金等組元差較大的金屬合金，在這兩種工藝中都難以避免成分偏析問(wèn)題。以鈦鉭合金的熔煉和粉末冶金為例：在熔煉中，一方面，熔體內(nèi)的浮力效應(yīng)會(huì)使低密度的鈦元素(4.51g/cm3)上浮，高密度的鉭元素(16.60g/cm3)下沉，從而導(dǎo)致凝固過(guò)程中溶質(zhì)分布不均，另一方面，在高溫熔煉過(guò)程中具有更低沸點(diǎn)的鈦組元(3530℃)，非常接近鉭的熔點(diǎn)(3020℃)，非常容易汽化而脫出熔池，進(jìn)一步加劇鉭組元的偏聚；而在粉末冶金工藝中，一方面由于組元大密度差在混粉時(shí)易出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，另一方面燒結(jié)過(guò)程中不同元素顆粒的擴(kuò)散速率存在差異，往往高密度元素?cái)U(kuò)散較慢(鈦的本征擴(kuò)散系數(shù)大約是鉭的5倍)，易在特定區(qū)域富集，進(jìn)一步加劇成分偏析。成分偏析會(huì)造成材料的第二相析出加劇、性能不均勻、加工性能差等問(wèn)題，嚴(yán)重影響其可加工性和服役性能。因此，抑制偏析在難熔金屬制備過(guò)程出現(xiàn)至關(guān)重要。
2、為解決熔鑄工藝中出現(xiàn)的成分偏析問(wèn)題，學(xué)者們?cè)阼T造過(guò)程中采用多次熔煉、機(jī)械攪拌、形核劑添加、快速冷卻以及懸浮鑄造等技術(shù)，以優(yōu)化凝固過(guò)程。這些方法盡管在常規(guī)合金的制備中能取得顯著的效果，但由于含鎢、鉬、鉭、鈮等組元的難熔金屬通常需要更高的能量消耗和更高的生產(chǎn)成本，這些工藝在實(shí)際生產(chǎn)中面臨較大的挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，隨著鑄錠尺寸增加，成分偏析加劇，需額外熱處理、致密化或表面強(qiáng)化工序，進(jìn)一步增加工藝復(fù)雜性和成本；這些方法難以避免鑄件較高的孔隙率和微觀缺陷，導(dǎo)致材料致密度降低，力學(xué)性能與穩(wěn)定性受損。
3、此外，學(xué)者們運(yùn)用了如預(yù)燒結(jié)件外覆粉的多次燒結(jié)組合工藝和技術(shù)。然而，組合燒結(jié)工藝需要先制備預(yù)燒結(jié)件而后逐層覆粉需經(jīng)多次燒結(jié)，工作量大，且隨著燒結(jié)次數(shù)增加，局部區(qū)域易出現(xiàn)晶粒異常長(zhǎng)大，導(dǎo)致材料組織性能失衡。此外，選擇性激光熔融、激光金屬沉積等先進(jìn)的增材制造技術(shù)在避免成分偏析、提升材料均勻性和整體性能方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，但其高昂的制造成本以及尺寸受限的生產(chǎn)能力，已成為其在工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)一步推廣應(yīng)用的主要障礙。熱壓結(jié)合作為基于擴(kuò)散連接的大型坯料制備方法，能有效改善微觀結(jié)構(gòu)均勻性。這種方法常用于金屬材料連接，先前由中國(guó)科學(xué)院金屬研究所申請(qǐng)的201511026272.x“同質(zhì)金屬構(gòu)筑成形方法”、201511027492.4“金屬構(gòu)筑成形方法”、201511029143.6“分層多列堆垛金屬構(gòu)筑成形方法”、中國(guó)原子能研究院申請(qǐng)的201710839240.4“模塊式金屬構(gòu)筑成形方法”等專利就采用墩粗的方法對(duì)多個(gè)坯料進(jìn)行鍛焊實(shí)現(xiàn)了大型坯料的構(gòu)筑成型。但是這些方法需要進(jìn)行多個(gè)方向的墩粗以降低坯料間的空隙，若采用同樣的多次施壓結(jié)合小型坯料以降低整體偏析程度，熱變形時(shí)也會(huì)面臨面臨易出現(xiàn)變形不均的情況，進(jìn)而導(dǎo)致組織和性能參差不齊的問(wèn)題。然而，熱等靜壓(hip)技術(shù)通過(guò)高溫高壓的各向同性氣體作用，不僅可以在原子擴(kuò)散的作用下完全消除材料的內(nèi)部孔隙和微觀缺陷，還能顯著改善材料的組織均勻性和綜合性能，有望成為我們解決難熔化金屬的大尺寸坯料制備過(guò)程中的偏析控制難題的技術(shù)方案。
4、綜上所述，現(xiàn)有工藝制備的坯料難以滿足大密度差難熔金屬合金的大型坯料成型需求；此前科學(xué)家們?yōu)榭朔鰡?wèn)題而在原有技術(shù)上改進(jìn)的新方法，雖有所提升，但也仍不足以實(shí)現(xiàn)大密度差難熔金屬的均勻成型，同時(shí)存在工序復(fù)雜、成本高、周期長(zhǎng)且構(gòu)件性能欠佳等問(wèn)題。因此，亟需開發(fā)出能夠簡(jiǎn)便而有效抑制難熔金屬坯偏析的新型構(gòu)筑成形工藝，以滿足我國(guó)新一代高可靠性裝備對(duì)高性能、高精度和大尺寸一體化構(gòu)件的緊迫需求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是工藝制備的坯料難以滿足大密度差難熔金屬合金的大型坯料成型需求、工序復(fù)雜、成本高、周期長(zhǎng)且構(gòu)件性能欠佳，目的在于提供一種抑制金屬偏析的擴(kuò)散構(gòu)建成型方法，解決了大密度差難熔金屬合金的大型坯料成型需求等問(wèn)題。
2、本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
3、一種抑制金屬偏析的擴(kuò)散構(gòu)建成型方法，包括如下步驟：
4、預(yù)制小型坯料：將金屬原料混合并預(yù)制成小型坯料；
5、表面清潔：將小型坯料經(jīng)過(guò)機(jī)械加工和酸洗，得到清潔坯料；
6、坯料堆垛：將坯料堆疊放置，形成堆垛體；
7、包套：將堆垛體用金屬箔材完全包裹，隨后對(duì)包套內(nèi)部進(jìn)行抽真空處理；
8、擴(kuò)散連接：將包套堆垛體進(jìn)行熱等靜壓連接；
9、切割加工：通過(guò)機(jī)械裁剪去除毛邊和截取形狀。
10、作為一種可能的設(shè)計(jì)，上述小型坯料經(jīng)過(guò)機(jī)械加工和酸洗具體是先表面打磨小型坯料，再銑床加工，最后酸洗。
11、作為一種可能的設(shè)計(jì)，上述預(yù)制成小型坯料通過(guò)粉末冶金燒結(jié)、熱等靜壓、熔煉或3d打印制坯進(jìn)行。
12、作為一種可能的設(shè)計(jì)，上述坯料包括難熔金屬，所述難熔金屬包括含鎢、鉬、鉭、鈮、鉻和/或釩難熔元素的二元合金及多元合金。
13、作為一種可能的設(shè)計(jì)，上述小型坯料的高度為1×102～5×102mm、底面面積為1×106～5×106mm2。
14、作為一種可能的設(shè)計(jì)，上述坯料堆疊放置方式包括平板狀坯料層疊平放、條狀坯料平行陣列疊放、條狀坯料垂直陣列疊放、條狀坯料垂直錯(cuò)落疊放、其他異形坯料錯(cuò)落或其它異型坯料陣列疊放。
15、作為一種可能的設(shè)計(jì)，上述金屬箔材包括鋼材、鈦合金或高溫合金。
16、作為一種可行的設(shè)計(jì)方案，上述抽真空處理可如此操作：在包套頂部預(yù)留一個(gè)小孔，待完成抽真空作業(yè)后，立即對(duì)小孔進(jìn)行焊封處理。
17、作為一種可能的設(shè)計(jì)，上述包套后的堆垛進(jìn)行熱等靜壓時(shí)，在惰性氣氛中進(jìn)行，熱壓壓力范圍為0～1000mpa，處理溫度為800～2000℃，施壓0.5～30小時(shí)；
18、惰性氣氛包括氮?dú)夂?或氬氣。
19、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
20、本發(fā)明通過(guò)利用小尺寸均質(zhì)預(yù)制坯擴(kuò)散連接，解決了難熔金屬大型坯料制備過(guò)程的成分偏析問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了金屬合金的均質(zhì)化，具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)利用氣壓對(duì)預(yù)制坯進(jìn)行加壓，實(shí)現(xiàn)致密化與冶金連接，使得本方法制備的大型金屬坯料結(jié)合牢固，內(nèi)部組織均勻一致，為后續(xù)加工與成形提供了優(yōu)質(zhì)的材料基礎(chǔ)。且本發(fā)明方法簡(jiǎn)便高效，節(jié)省生產(chǎn)成本，為難熔金屬的大型構(gòu)件的經(jīng)濟(jì)可行性和生產(chǎn)效率提供了技術(shù)支持。
1.一種抑制金屬偏析的擴(kuò)散構(gòu)建成型方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抑制金屬偏析的擴(kuò)散構(gòu)建成型方法，其特征在于，所述預(yù)制成小型坯料通過(guò)粉末冶金燒結(jié)、熱等靜壓、熔煉或3d打印制坯進(jìn)行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抑制金屬偏析的擴(kuò)散構(gòu)建成型方法，其特征在于，所述坯料包括難熔金屬，所述難熔金屬包括含鎢、鉬、鉭、鈮、鉻和/或釩難熔元素的二元合金及多元合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抑制金屬偏析的擴(kuò)散構(gòu)建成型方法，其特征在于，所述小型坯料的高度為1×102～5×102mm、底面面積為1×106～5×106mm2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抑制金屬偏析的擴(kuò)散構(gòu)建成型方法，其特征在于，所述坯料堆疊放置方式包括平板狀坯料層疊平放、條狀坯料平行陣列疊放、條狀坯料垂直陣列疊放、條狀坯料垂直錯(cuò)落疊放、其他異形坯料錯(cuò)落或其它異型坯料陣列疊放。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抑制金屬偏析的擴(kuò)散構(gòu)建成型方法，其特征在于，所述金屬箔材包括鋼材、鈦合金或高溫合金。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抑制金屬偏析的擴(kuò)散構(gòu)建成型方法，其特征在于，所述包套堆垛體進(jìn)行熱等靜壓時(shí)，在惰性氣氛中進(jìn)行，熱壓壓力范圍為0～1000mpa，處理溫度為800～2000℃，施壓0.5～30小時(shí)；