多金属轻合金材料整体液态柔性成形方法与装置

本发明涉及金属材料压铸成形，具体涉及一种多金属轻合金材料整体液态柔性成形方法与装置。

背景技术：

1、在现代制造业中，压铸工艺凭借其高效、高精度以及能够制造复杂形状零件的优势，广泛应用于汽车、航空航天、电子等众多领域。随着科技的不断进步和市场需求的日益多样化，对压铸技术的要求也越来越高，尤其是在多金属一体化成型以及凝固控制方面，传统技术逐渐显露出其局限性。

2、随着工业轻量化需求的升级，单一金属材料已难以满足复杂构件对“耐蚀-强度-减重”的综合性能要求。铝镁合金双金属构件通过耐蚀性好、成形性优异的铝合金与比强度高、密度低的镁合金的复合，可实现性能互补，但现有制备技术存在以下瓶颈：

3、（1）一体化成形难题：传统双金属成形依赖焊接或机械连接，存在界面结合强度低、装配误差大等问题；常规压铸难以实现铝镁熔体的均匀融合，易因铝合金约660℃、镁合金约650℃的熔点差异，导致界面形成脆性相如mg17al12。

4、（2）凝固过程控制缺陷：压铸件不同壁厚区域散热速率差异大，厚壁处易产生缩孔、缩松，薄壁处易因快速冷却产生热应力裂纹；同时，铝镁合金热膨胀系数差异显著，铝合金约23×10-6/℃，镁合金约26×10-6/℃，传统单一冷却速率会导致整体应力集中，降低构件可靠性。

5、（3）柔性凝固技术缺失：现有凝固方法多为被动冷却，无法根据材料凝固阶段动态调节压力与温度，难以消除凝固收缩产生的缺陷，导致构件力学性能波动大，强度偏差超过10%。

6、因此，传统压铸技术和现有一体化压铸技术在面对复杂结构件和多金属材料一体化成形时存在诸多不足，尤其是在精确控制压铸件不同区域的加热和冷却速度、实现整体柔性凝固方面存在技术瓶颈，迫切需要一种创新的方法来解决这些问题，本发明正是基于此背景而展开研究与开发。

技术实现思路

1、本发明针对现有铝镁合金双金属成形中界面结合差、凝固缺陷多、性能不均的问题，提供了一种一体化压铸成形与柔性凝固技术。该技术集双金属分步压铸、分区温控与动态压力补偿于一体，可实现构件高性能、低缺陷的精密成形，可满足航空航天、汽车等领域对高端复杂结构件的需求。

2、用于实现上述目的的装置包括机架、复杂结构自动识别系统、多合金供料系统、分区域智能冷却控温系统、多合金压铸系统和柔性凝固装置。多合金压铸系统设置在机架中部，多合金供料系统设置在多合金压铸系统的进料侧，分区域智能冷却控温系统嵌设于压铸模具内，复杂结构自动识别系统分别与供料、压铸、温控及柔性凝固执行部件信号连接。

3、进一步的，复杂结构自动识别系统可根据零件结构特征智能匹配合金材料，并自动设置锁模力、注射压力、注射速度、模具温度及金属液温度等工艺参数。

4、进一步的，多合金供料系统中，选取6061铝合金与az91d镁合金作为原料。6061铝合金的化学成分组成为al-1.0mg-0.6si-0.25cu，az91d镁合金的化学成分组成为mg-9al-0.7zn-0.3mn。铝合金经5%naoh溶液、温度50℃除氧化皮3min，镁合金经3%hno3溶液、常温条件钝化处理5min，均用去离子水冲洗后于80℃烘干。随后分别将铝合金、镁合金在ar气纯度≥99.99%保护下熔炼，铝合金熔炼温度700-720℃，镁合金熔炼温度650-670℃，保温20min后去除熔渣备用。

5、进一步的，多合金压铸系统包括压铸模具、铝合金压射机构和镁合金压射机构。铝合金压射机构和镁合金压射机构分别设置在压铸模具两侧，并分别与铝合金型腔和镁合金型腔连通。模具具有对应结构件耐蚀区域的铝合金型腔和对应结构件高强度区域的镁合金型腔，两型腔之间设置过渡流道。压铸时先将镁合金熔体以2.0-2.5m/s的压射速度、60-70mpa的压射压力注入镁合金型腔，保压5s；随后将铝合金熔体以1.5-2.0m/s的压射速度、50-60mpa的压射压力注入铝合金型腔，铝合金熔体经过渡流道与镁合金熔体交汇并形成界面融合区，整体保压10-15s，形成双金属一体化坯件。

6、进一步的，分区域智能冷却控温系统以铝合金型腔、镁合金型腔和铝镁过渡流道为对象，形成三条独立闭环温控支路。每条温控支路均配置红外温度传感器、冷却水道和流量调节阀，过渡流道支路同时配置加热棒与螺旋式冷却水道。pid控制器根据各区域温度、合金固相线温度、凝固阶段和嵌入式压力传感器反馈的压力信号，分别调节加热功率和冷却介质流量，使铝合金区域模具温度控制在200-220℃、镁合金区域模具温度控制在180-200℃，并在过渡流道处形成与动态补偿压力相匹配的连续温度梯度。

7、进一步的，当坯件表层温度降至铝合金固相线温度582℃附近时，启动柔性凝固装置。以镁合金固相线温度460℃作为第一段和第二段控制的切换温度。通过模具内嵌入式压力传感器监测凝固压力，传感器测量范围0-100mpa，由伺服液压系统施加动态补偿压力，初始压力10-15mpa，随温度降低线性递减至2-3mpa。

8、第一段为582-460℃温度区间，该阶段以铝合金凝固为主导，冷却速率控制在8-10℃/min，补偿压力为10-15mpa。

9、第二段为460-300℃温度区间，该阶段以镁合金凝固收缩控制和铝镁界面应力释放为主导，冷却速率控制在5-6℃/min，补偿压力为5-8mpa。

10、第三段为300℃至室温区间，采用自然冷却方式，补偿压力维持在2-3mpa，直至构件冷却至室温并尺寸稳定。

11、过渡流道采用渐变式结构，设置于铝合金型腔和镁合金型腔之间，入口宽度5mm，出口宽度3mm，入口段与出口段之间通过倾斜段或弧形过渡段连接，流道轴线与型腔分界面形成30°-60°夹角，用于促进铝镁熔体界面扩散融合。

12、进一步的，分区温控模块包括采样频率10hz的红外温度传感器、pid控制器、流量调节阀、加热棒电源控制器和伺服液压系统控制接口，可实时反馈并联动调节加热功率、冷却介质流量及凝固补偿压力。

13、进一步的，对凝固后的构件进行分区热处理，其中铝合金外筒及法兰部采用局部固溶时效处理，处理过程中通过隔热夹具或局部加热方式控制镁合金内筒及铝镁过渡区温度不超过200℃；镁合金内筒经200℃时效处理4h。构件经去除飞边处理后，检测其界面结合强度与内部缺陷。

14、上述装置及方法适用于制备新能源汽车电机壳，也可适配制备航空航天领域小型轻量化结构件。

15、本发明的有益效果

16、1、渐变式过渡流道配合分步压铸工艺，使铝镁熔体在界面处形成良好的扩散结合层，界面结合强度满足使用要求，脆性相析出得到有效抑制。

17、2、针对铝合金型腔、镁合金型腔和过渡流道分别设置独立温控支路，各支路与动态压力补偿协同作用，可在界面区域形成平缓的温度过渡，缩孔、缩松及界面脆性相集中等常见缺陷均得到抑制，铸件致密度和内部质量明显提高。

18、3、通过动态压力补偿与分段冷却的协同控制，铝镁合金热物理特性差异带来的应力集中问题得到缓解，构件力学性能的波动范围收窄，尺寸精度和服役可靠性相应提升。

19、4、可用于新能源汽车电机壳、航空航天小型轻量化结构件等复杂构件的制备，在实现多金属材料一体化成形的同时兼顾耐蚀性、强度和轻量化的综合需求