一种复杂结构金属构件的精密挤锻成形装置与方法

本发明属于金属塑性加工，具体涉及一种复杂结构金属构件的精密挤锻成形装置与方法，尤其适用于高温合金、钛合金等难变形金属材料复杂结构构件的整体精密成形。

背景技术：

1、随着航空航天、能源动力、交通运输和高端装备等领域对金属构件整体化、复杂化、高性能化和高精度化的要求日益提高，复杂结构金属构件的成形制造面临严峻挑战。这类构件通常具有诸如大扭转、变截面、薄壁等复杂几何特征，且所用材料多为高温合金、钛合金等难变形金属材料，其变形抗力大、塑性加工窗口窄，采用传统工艺难以实现一次性整体精密成形。

2、目前，复杂结构金属构件的制造主要采用以下技术路线。

3、一是“挤压开坯+模锻成形”的多工序分步成形工艺。该工艺先通过挤压获得中间坯，再进行模锻成形，但挤压与模锻之间需要坯料转移和二次加热，不仅流程长、能耗高，而且挤压阶段产生的大塑性变形热被散失、细化晶粒在后续再加热中粗化，各工序的有益物理效应相互抵消。

4、二是“固溶+形变+时效”的分步形变时效工艺。该工艺在固溶处理后引入塑性变形，引入大量位错作为析出相的非均匀形核位点，促进析出相大量弥散析出，从而显著提升材料强度。然而，对于复杂结构金属构件，固溶处理后其复杂几何形状已无法再承受有效塑性变形，致使形变时效工艺无法实施，只能进行传统固溶-时效处理，性能提升受限。

5、现有技术中已出现一类将挤压与闭式模锻集成于同一设备的连续挤锻方案，其通常通过过渡环连接挤压设备与闭式模具，使挤压后的金属坯料利用余热进入闭式模腔充填成形，脱模后再对构件进行离线热处理。无论其过渡环是直通结构还是扭转过渡结构、是否可开合，这类方案均存在以下共同不足：过渡环主要起供料和/或流动调节作用，未集成对挤压后中间坯进行在线加热保温至固溶温度的加热装置；闭式模具仅用于成形，未配置在线快速冷却通道；工艺时序为“挤锻成形-脱模-离线热处理”，塑性变形在固溶处理之前完成，固溶与快冷之间不存在塑性变形。即使该类方案在成形后对构件进行固溶和时效处理，固溶加热也会使先前塑性变形引入的位错结构发生回复而大量消失，无法形成形变时效所需的位错弥散形核位点；而在固溶处理后，复杂构件已具有复杂几何形状，无法再承受有效塑性变形。

6、本领域通常将挤压余热仅视为降低充填抗力的热量，或将其视为需要控制散失的因素，尚未认识到可主动利用该余热完成固溶处理，并在固溶态下紧接着进行锻造形变和在线快冷，从而将位错结构冻结在过饱和固溶体中。

7、此外，现有工艺的供料通道多为简单的圆形或方形直通结构，缺乏对金属流动路径的主动优化设计，导致材料在进入模腔前流速分布不均，易产生折叠等缺陷。

8、针对上述问题，本发明提供一种将挤压、在线加热保温、精密锻造和在线快速冷却深度融合的复杂结构金属构件精密挤锻成形装置与方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种复杂结构金属构件的精密挤锻成形装置与方法，通过将挤压、在线加热保温、精密锻造和在线快速冷却一体化集成为单一连续工艺，在传统固溶处理的加热保温阶段与快速冷却阶段之间引入塑性变形，实现复杂结构金属构件的一次性整体近终形成形与组织性能协同优化。需要说明的是，本发明中，固溶处理、塑性变形和在线快速冷却的顺序不可调换。固溶处理在塑性变形之前进行，使强化相充分溶解到基体固溶体中，并使金属具备良好的塑性变形能力；塑性变形在固溶态下实施，引入大量位错作为后续析出相的非均匀形核位点，同时细化晶粒；在线快速冷却在塑性变形后立即实施，将高温固溶形变组织迅速冷却至室温，使过饱和固溶体组织和位错结构被冻结保留。由此，后续离线时效处理时，过饱和固溶体能够在位错等缺陷处弥散析出强化相，实现形变时效强化效果。

2、具体地，为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

3、根据本发明技术方案的第一方面，提供一种复杂结构金属构件的精密挤锻成形装置，包括挤压部件、加热保温过渡环、锻造模具、快速冷却机构和切除装置：

4、所述挤压部件由挤压杆和挤压筒组成，所述挤压杆可滑动地设置于所述挤压筒内，用于对置于所述挤压筒内的金属坯料施加压力，推动所述金属坯料通过设置于所述挤压筒出口端的挤压模具发生大塑性变形，获得处于高温状态的金属中间坯；

5、所述加热保温过渡环为可开合结构，一端与所述挤压模具出口连通，另一端与所述锻造模具的供料通道入口连通；所述加热保温过渡环内腔结构为：一端截面与所述挤压模具出口匹配，另一端与所述锻造模具型腔入口匹配，内部棱角处为弧面过渡；所述加热保温过渡环外围或内部配置有加热装置，用于对挤压后处于高温状态的金属中间坯进行在线补偿加热，使挤压后的金属中间坯达到固溶温度，获得固溶态金属；

6、所述锻造模具为可开合的封闭模腔结构，紧贴安装在所述加热保温过渡环的另一侧；模腔型面与最终金属构件的外形一致，由相互配合的分模组成；所述锻造模具底部设有排气孔，用于在金属充填过程中排出模腔内气体；所述锻造模具用于对来自所述加热保温过渡环的固溶态金属进行精密锻造成形，使固溶态金属在模腔约束下流动充填并发生塑性变形，引入位错结构，获得已成形金属构件；

7、所述快速冷却机构以冷却通道的方式安装在所述锻造模具内部或外部，并与快速冷却介质供给系统相连，用于在成形结束后对处于固溶状态的已成形金属构件实施在线快速冷却，获得过饱和固溶体组织；

8、所述切除装置安装在所述加热保温过渡环旁边，用于在成形结束后分离所述金属中间坯与所述金属构件。

9、进一步地，所述加热保温过渡环、所述锻造模具和所述快速冷却机构被配置为依次对所述金属中间坯执行固溶处理、塑性变形和在线快速冷却，从而在固溶处理的加热保温与快速冷却之间嵌入锻造塑性变形。

10、进一步地，所述加热保温过渡环为单通道结构或多通道分流结构。

11、进一步地，所述加热保温过渡环内腔为扭转过渡结构，沿轴向实现截面形状渐变与中心线扭转，使金属在进入闭式模腔前获得与最终所述金属构件相近的流速分布和初步形状。

12、进一步地，所述锻造模具的分模方式为横向分模、纵向分模或横纵向混合分模中的一种。

13、进一步地，所述加热装置为感应加热器、电阻加热器、激光加热器或火焰加热器中的至少一种。

14、进一步地，所述冷却通道与快速冷却介质供给系统相连，所述快速冷却介质为气体或液体中的至少一种。

15、根据本发明技术方案的第二方面，提供一种复杂结构金属构件的精密挤锻成形方法，包括如下步骤：

16、步骤1：将所述金属坯料放入所述挤压筒中，开启所述挤压部件，推动所述金属坯料通过所述挤压模具发生大塑性变形，获得所述金属中间坯，同时产生绝热温升；

17、步骤2：使处于高温状态的所述金属中间坯进入所述加热保温过渡环，利用所述金属坯料的挤压余热作用，使所述金属中间坯达到固溶温度，并在成形力的共同作用下完成加热保温处理，获得固溶态金属；

18、步骤3：使所述固溶态金属经所述加热保温过渡环进入所述锻造模具，在模腔约束下流动并逐步充满型腔，完成复杂结构特征的整体成形；在此过程中，所述固溶态金属在所述锻造模具约束下发生塑性变形，引入位错结构；

19、步骤4：成形结束后，所述冷却介质通入所述冷却通道，对所述已成形金属构件实施在线快速冷却，将高温固溶形变组织迅速冷却至室温，获得过饱和固溶体组织；

20、步骤5：打开所述加热保温过渡环，利用所述切除装置分离所述金属中间坯与所述金属构件，打开所述锻造模具取出所述金属构件。

21、进一步地，步骤2中所述加热保温处理为：利用挤压余热将所述金属中间坯加热至固溶温度，当挤压余热不足时，启动所述加热装置进行在线补偿加热，使所述金属中间坯达到固溶温度，同时在成形力的共同作用下使金属中的过剩第二相充分溶解到基体固溶体中。

22、进一步地，所述方法还包括步骤6：对取出的所述金属构件进行离线时效处理，驱动过饱和固溶体在位错等缺陷处弥散析出强化相。

23、进一步地，所述金属为时效强化型合金，包括但不限于高温合金、钛合金、铝合金、铜合金、镁合金、钢铁或金属基复合材料。

24、进一步地，步骤3中所述锻造模具的模腔温度控制在200~600 ℃。

25、进一步地，步骤4中所述在线快速冷却的冷却速度为50~500 ℃/s。

26、进一步地，在所述挤压部件、所述加热保温过渡环或所述锻造模具的至少一个位置处施加超声波振动辅助作用。

27、根据本发明技术方案的第三方面，提供一种采用上述方法制备的复杂结构金属构件，所述金属构件具有连续分布的金属流线、细化的晶粒组织以及均匀弥散的析出相，无折叠、充不满等成形缺陷。

28、本发明的有益效果

29、1. 本发明将挤压、在线加热保温、精密锻造和在线快速冷却一体化集成为单一连续工艺，在传统固溶处理的加热保温阶段与快速冷却阶段之间引入塑性变形，使复杂结构金属构件也能获得形变时效强化效果，突破了传统形变时效工艺对复杂结构金属构件无法实施的几何限制。

30、2. 本发明主动利用高温金属坯料在挤压大塑性变形后的余热为后续在线加热保温提供热量基础，不用或仅需少量在线补偿加热即可完成固溶处理，大幅降低了能耗，缩短了传统工艺所需的固溶时间。

31、3. 本发明的加热保温过渡环兼具通道、在线补偿加热、金属流动路径调控和打开后切除四重功能，其特殊结构（如扭转过渡结构）使金属在进入闭式模腔前获得均匀的流速分布和初步形状，有效避免了折叠等成形缺陷。

32、4. 本发明在锻造模具（如闭式精密成形模具）的三向压应力约束下对固溶态金属实施锻造成形，既完成了复杂形状的赋形，又引入了形变强化所需的位错结构，实现了“一个工序、双重功能”的突破。

33、5. 本发明将超声振动辅助作用施加于挤压成形、加热保温过渡环金属流动或锻造成形全过程，进一步降低变形抗力，改善金属流动性，提升固溶效果和成形质量。