一种棒材高通量制备装置及其使用方法

1.本发明涉及热压烧结技术领域，特别涉及一种棒材高通量制备装置及其使用方法。


背景技术：

2.热压烧结工艺是利用高温高压将金属粉末或金属复合粉末制成棒材的一种常用的成型工艺。
3.相关技术中，一次热压烧结处理只能制成一根棒材，制备效率低，制备成本高。
4.因此，针对以上不足，急需一种棒材高通量制备装置及其使用方法。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供了一种棒材高通量制备装置及其使用方法，一次热压烧结处理能够得到多个成型棒材，并能够节约材料，并减少后续机加工的切屑量。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种棒材高通量制备装置，包括多孔模具、第一压头、第二压头；
7.所述多孔模具设置有多个贯穿孔，所述贯穿孔用于装填粉末；
8.沿所述贯穿孔的轴向，不同所述贯穿孔相互平行；
9.所述第一压头和所述第二压头均与所述贯穿孔垂直，且分别设置于所述多孔模具的两侧；
10.所述第二压头设置有多个与所述贯穿孔相对应的凸起，相对应的所述凸起与所述贯穿孔的截面相同；
11.所述凸起用于插入所述贯穿孔中，以与所述第一压头配合来压实所述贯穿孔中的粉末。
12.在一种可能的设计中，所述贯穿孔的截面面积为3～48cm2，每个所述贯穿孔的间隔为10～80mm。
13.在一种可能的设计中，在所述多孔模具设置所述贯穿孔的表面上存在一条经过所述表面中心的直线，位于所述直线两侧的所述贯穿孔的数量差小于3个；
14.和/或，
15.在所述多孔模具设置所述贯穿孔的表面上存在一条经过所述表面中心的直线，位于所述直线两侧的所述贯穿孔的截面面积差小于9cm2。
16.在一种可能的设计中，所述贯穿孔中设置有垫块，所述垫块的截面与所述贯穿孔的截面相同，且与所述第一压头朝向所述多孔模具的一侧相贴。
17.在一种可能的设计中，所述贯穿孔的孔壁设置有石墨纸。
18.在一种可能的设计中，所述多孔模具的侧表面设置有模具保护套。
19.第二方面，本发明实施例提供了一种棒材高通量制备装置的使用方法，基于第一方面中任一项所述的棒材制备装置，所述使用方法包括：
20.将所述多孔模具置于所述第一压头上；
21.将粉末装填入所述贯穿孔中；
22.将所述第二压头置于所述多孔模具上并将所述凸起插入贯穿孔中；
23.利用所述棒材制备装置对所述贯穿孔中的粉末进行热压烧结处理，得到棒材。
24.在一种可能的设计中，所述棒材制备装置还包括垫块，所述垫块的截面与所述贯穿孔的截面相同；
25.在所述将所述多孔模具置于所述第一压头上之后和在所述将粉末装填入所述贯穿孔中之前，还包括：
26.将所述垫块置于所述贯穿孔中，使其与所述第一压头相贴。
27.在一种可能的设计中，在所述将所述多孔模具置于所述第一压头上之后和在所述将粉末装填入所述贯穿孔中之前，还包括：
28.将石墨纸设置于所述贯穿孔的内壁。
29.在一种可能的设计中，在所述将所述第二压头置于所述多孔模具上并将所述凸起插入贯穿孔中之后和在所述利用所述棒材制备装置对所述贯穿孔中的粉末进行热压烧结处理之前，还包括：
30.利用所述棒材制备装置对所述贯穿孔中的粉末进行预压处理。
31.本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：
32.在本发明的实施例中，棒材制备装置包括多孔模具、第一压头和第二压头，将粉末装入多孔模具中的贯穿孔后，利用第一压头和第二压头通过热压烧结工艺将贯穿孔内的粉末压制成棒材，通过在多孔模具上设置多个贯穿孔实现了一次热压处理成型多个棒材的高通量制备效果。其中，第二压头设置有与贯穿孔相对应的凸起，且凸起的截面与贯穿孔的截面相同，如此设置，凸起能够插入贯穿孔中，进而将贯穿孔内的粉末充分压实，又因为凸起的截面与贯穿孔的截面相同，凸起与贯穿孔内壁之间无缝隙，在压实粉末的过程中，粉末不会泄露。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1是本发明实施例提供的一种棒材高通量制备装置的结构示意图；
35.图2是本发明实施例提供的一种23孔多孔模具示意图；
36.图3是本发明实施例提供的一种23孔多孔模具装填不同成分粉末的示意图；
37.图4是本发明实施例提供的一种23孔多孔模具和凸起的示意图；
38.图5是本发明实施例提供的一种热压烧结处理后的23孔多孔模具的示意图；
39.图6是本发明实施例提供的一种棒材高通量制备装置通过一次热压烧结处理制得的棒材；
40.图7是本发明实施例提供的一种7孔多孔模具示意图；
41.图8是本发明实施例提供的一种7孔多孔模具和凸起的示意图；
42.图9是本发明实施例提供的一种7孔多孔模具通过三次热压烧结处理制得的棒材示意图；
43.图10是本发明实施例提供的一种棒材高通量制备装置的使用方法；
44.图11是本发明实施例提供的另一种棒材高通量制备装置的使用方法。
45.图中：
46.1-多孔模具；
47.11-贯穿孔；
48.12-垫块；
49.13-石墨纸；
50.14-模具保护套；
51.2-第一压头；
52.3-第二压头；
53.31-凸起。
具体实施方式
54.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
55.在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；除非另有规定或说明，术语“多个”是指两个或两个以上；术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
56.本说明书的描述中，需要理解的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。
57.如图1-9所示，本发明实施例提供了一种棒材高通量制备装置，包括多孔模具1、第一压头2、第二压头3；
58.多孔模具1设置有多个贯穿孔11，贯穿孔11用于装填粉末；
59.沿贯穿孔11的轴向，不同贯穿孔11相互平行；
60.第一压头2和第二压头3均与贯穿孔11垂直，且分别设置于多孔模具1的两侧；
61.第二压头3设置有多个与贯穿孔11相对应的凸起31，相对应的凸起31与贯穿孔11的截面相同；
62.凸起31用于插入贯穿孔11中，以与第一压头2配合来压实贯穿孔11中的粉末。
63.在本发明的实施例中，棒材制备装置包括多孔模具1、第一压头2和第二压头3，将
粉末装入多孔模具1中的贯穿孔11后，利用第一压头2和第二压头3通过热压烧结工艺将贯穿孔11内的粉末压制成棒材，通过在多孔模具1上设置多个贯穿孔11实现了一次热压处理成型多个棒材的高通量制备效果。其中，第二压头3设置有与贯穿孔11相对应的凸起31，且凸起31的截面与贯穿孔11的截面相同，如此设置，凸起31能够插入贯穿孔11中，进而将贯穿孔11内的粉末充分压实，又因为凸起31的截面与贯穿孔11的截面相同，凸起31与贯穿孔11内壁之间无缝隙，在压实粉末的过程中，粉末不会泄露。
64.可以理解的是，多个贯穿孔11的截面面积可以相同，也可以不同，相同截面面积的贯穿孔11能够制成多个截面面积相同的棒材，不同截面面积的贯穿孔11能够制成不同截面的棒材，根据需求可以对贯穿孔11的截面面积进行设计，以得到相同或不同截面面积的棒材。
65.需要说明的是，第二压头3上设置的凸起31与第二压头3可以是可分离式连接，如此设置，能够通过连接不同数量和形状的凸起31来匹配不同数量和形状的贯穿孔11。
66.在本发明的实施例中，多孔模具1的材料可以采用石墨制成，石墨制成的多孔模具1能够在高温下保持良好的稳定性。
67.需要说明的是，粉末可以是金属粉末，也可以是金属基复合粉末。若装入贯穿孔11中的粉末为金属基复合粉末，则需在装入前将金属粉末和增强体粉末混合均匀，具体地，以钛基复合粉末为例，将ti、tc4、ta15或tc18粉末与c、tib2、lab6或si低能球磨混合均匀，能够制备成增强相为tic、tib、(tib la2o3)、ti5si3的钛基复合棒材，增强相的含量可以在0.5vol.％-10vol.％范围内进行调控。针对钛基复合棒材的热压烧结处理，可以选择温度范围为1100～1300℃，保温1～3h，压力20～40mpa的工艺参数。
68.可以理解的是，将不同增强体含量的金属基复合粉末装入贯穿孔11中，能够通过一次热压烧结处理得到多个不同增强体含量的金属基复合棒材，可以对凸起31编号以便区分各个贯穿孔11中的不同增强体含量的棒材。
69.在本发明的一些实施例中，贯穿孔11的截面面积为3～48cm2，每个贯穿孔11的间隔为10～80mm。
70.在本实施例中，贯穿孔11的截面面积为3～48cm2，每个贯穿孔11的间隔为10～80mm，如此设置，能够防止贯穿孔11内的压强过大而导致模具破损或开裂。当然，也可以通过改变模具材料来提升其抗压能力，进而可以设计相比上述数值更小的贯穿孔11截面面积或间距，但改变材料可能会增加成本或是污染棒材。
71.在本发明的一些实施例中，在多孔模具1设置贯穿孔11的表面上存在一条经过表面中心的直线，位于直线两侧的贯穿孔11的数量差小于3个；
72.和/或，
73.在多孔模具1设置贯穿孔11的表面上存在一条经过表面中心的直线，位于直线两侧的贯穿孔11的截面面积差小于9cm2。
74.在本实施例中，为了保证多孔模具1内部压力分布均匀，在多孔模具1上设置贯穿孔11时，以对称原则进行设置，具体地，经过多孔模具1设置贯穿孔11的表面中心的直线两侧的贯穿孔11的数量差小于3个，和/或，直线两侧的贯穿孔11的截面面积差小于9cm2。
75.在本发明的一些实施例中，贯穿孔11中设置有垫块12，垫块12的截面与贯穿孔11的截面相同，且与第一压头2朝向多孔模具1的一侧相贴。
76.在本实施例中，通过在贯穿孔11内设置垫块12并使其与第一压头2朝向多孔模具1的一侧相贴，如此设置，能够调整第一压头2和第二压头3压在多孔模具1两侧后贯穿孔11之中的容量，进而制备不同长度的棒材。其中，垫块12的截面与贯穿孔11的截面相同，因此，垫块12与贯穿孔11内壁之间无缝隙，在压实粉末的过程中，粉末不会泄露。
77.需要说明的是，根据棒材的长度需求以及贯穿孔11的截面面积，来选择置入贯穿孔11中的垫块12的长度和截面面积。
78.为了保证制得的各棒材同时致密，需根据设计的棒材高度和截面面积称取相应质量的粉末，计算粉末质量的公式如下：
79.m＝ρ
×s×h80.其中，m为粉末的质量，ρ为粉末的密度，s为贯穿孔11的截面面积，h为安装好上下压头后，贯穿孔11的长度。
81.在本实施例中，垫块12材料可以采用石墨制成，石墨制成的多孔模具1能够在高温下保持良好的稳定性
82.在本发明的一些实施例中，贯穿孔11的孔壁设置有石墨纸13。
83.在本实施例中，在贯穿孔11的孔壁设置石墨纸13能够便于棒材成型后将棒材脱膜取出，并且，石墨纸13能够保护棒材不受贯穿孔11壁残留的物质污染。
84.具体地，根据计算的粉末松装高度来裁剪石墨纸13并卷成筒状置入模具中，其中，粉末松装高度为未压实前粉末在贯穿孔11中的高度。
85.在本发明的一些实施例中，多孔模具1的侧表面设置有模具保护套14。
86.在本实施例中，模具保护套14能够保护孔多壁薄的多孔模具1不被压碎。模具保护套14可以采用强度高、耐高温的碳/碳复合材料制成。
87.如图10所示，本发明实施例还提供了一种棒材高通量制备装置的使用方法，基于上述任一项的棒材制备装置，该使用方法包括：
88.步骤100、将多孔模具置于第一压头上；
89.步骤102、将粉末装填入贯穿孔中；
90.步骤104、将第二压头置于多孔模具上并将凸起插入贯穿孔中；
91.步骤106、利用棒材制备装置对贯穿孔中的粉末进行热压烧结处理，得到棒材。
92.在本实施例中，先将多孔模具置于第一压头上，然后将粉末装填入贯穿孔中，为保证粉末表面平直，可以通过漏斗将粉末装进模具内；装入粉末后将第二压头置于多孔模具上并将凸起插入贯穿孔中，利用热压烧结工艺将贯穿孔内的粉末压实，制成棒材。
93.需要说明的是，该实施例提供的棒材制备装置的使用方法与上述实施例提供的棒材制备装置是基于同一发明构思，因此二者具有相同的有益效果，在此不进行赘述。
94.在本发明的一些实施方式中，棒材制备装置还包括垫块，垫块的截面与贯穿孔的截面相同；
95.在将多孔模具置于第一压头上之后和在将粉末装填入贯穿孔中之前，还包括：
96.将垫块置于贯穿孔中，使其与第一压头相贴。
97.在本实施例中，通过添加相同高度或不同高度的垫块可以制成相同高度或不同高度的棒材。
98.在本发明的一些实施方式中，在将多孔模具置于第一压头上之后和在将粉末装填
入贯穿孔中之前，还包括：
99.将石墨纸设置于贯穿孔的内壁。
100.在本发明的实施例中，在贯穿孔的孔壁设置石墨纸能够便于棒材成型后将棒材脱膜取出，并且，石墨纸能够保护棒材不受贯穿孔壁残留的物质污染。
101.具体地，根据计算的粉末松装高度来裁剪石墨纸并卷成筒状置入模具中，其中，粉末松装高度为未压实前粉末在贯穿孔中的高度。
102.在本发明的一些实施方式中，在将第二压头置于多孔模具上并将凸起插入贯穿孔中之后和在利用棒材制备装置对贯穿孔中的粉末进行热压烧结处理之前，还包括：
103.利用棒材制备装置对贯穿孔中的粉末进行预压处理。
104.在本实施例中，预压处理一方面可以将石墨纸撑开，保证其紧贴于贯穿孔的内壁；另一方面，由于松装密度差异，各压头高度不统一，需通过放置第二压头并施加预压调平，防止压力不垂直造成模具开裂。
105.如图11所示，本发明实施例还提供了另一种棒材高通量制备装置的使用方法，该使用方法包括：
106.步骤200、将多孔模具置于第一压头上；
107.步骤202、将垫块置于贯穿孔中，使其与第一压头相贴；
108.步骤204、将石墨纸设置于贯穿孔的内壁；
109.步骤206、将粉末装填入贯穿孔中；
110.步骤208、将第二压头置于多孔模具上并将凸起插入贯穿孔中；
111.步骤210、利用棒材制备装置对贯穿孔中的粉末进行预压处理；
112.步骤212、利用棒材制备装置对贯穿孔中的粉末进行热压烧结处理，得到棒材。
113.为了更加清楚地说明本发明的技术方案及优点，下面通过几个实施例对一种棒材高通量制备装置及其使用方法进行详细说明。
114.实施例1
115.23根直径为30mm的不同成分钛基复合材料棒材的批量制备：
116.分别采用900g的tc4、ta15、纯ti和tc18粉，与不同含量的tib2、c粉以及tib2 c进行低能球磨混粉，设计复合材料体系见表1。
117.表1
[0118][0119]
设计直径均为30mm的23孔的多孔模具，将多孔模具置于第一压头上，在各贯穿孔内分别放入直径30mm，高20mm的石墨垫块，并将尺寸为350
×
95mm的石墨纸卷筒置入贯穿孔中，随后将球磨后的粉末装填进多孔模具中。在多孔模具外侧套上碳/碳模具保护套。在多孔模具上分别放置直径30mm，高度150mm的凸起。在凸起上放置直径400mm的第二压头，置入炉内并施加3t预压处理找平。随后进行1200℃、保温2h的真空热压烧结，得到23根直径30mm，高280mm，不同成分的钛基复合材料棒材。
[0120]
实施例2
[0121]
7根直径为70mm的不同成分钛基复合材料棒材的批量制备：
[0122]
分别采用4.8kg的tc4和ta15粉，与不同含量的tib2和si粉进行低能球磨混粉，设计复合材料体系见表2。
[0123]
表2
[0124]
编号材料体系编号材料体系1(1vol.％tib 0.5wt％si)/tc45(1vol.％tib 0.5wt％si)/ta152(3.5vol.％tib 0.5wt％si)/tc46(1vol.％tib 1.0wt％si)/ta153(1vol.％tib 1wt％si)/tc47(1vol.％tib 2.0wt％si)/ta154(3.5vol.％tib 0.5wt％si)/tc4
ꢀꢀ
[0125]
设计直径均为70mm的7孔的多孔模具，将多孔模具置于第一压头上，在各贯穿孔内分别放入直径70mm，高20mm的石墨垫块，并将尺寸为350
×
220mm的石墨纸卷筒置入贯穿孔中，随后将球磨后的粉末装填进多孔模具中。在石墨模具外侧套上碳/碳模具保护套。在石墨多孔模具上分别放置直径70mm，高度200mm的凸起。在凸起上放置直径400mm的第二压头，置入炉内并施加5t预压处理找平。随后进行1300℃、保温2h的真空热压烧结，得到7根直径70mm，高280mm，不同成分的钛基复合材料棒材。
[0126]
实施例3
[0127]
7根不同直径、不同高度与成分钛基复合材料棒材的批量制备：
[0128]
分别采用不同质量的tc4与不同含量的tib2进行低能球磨混粉，设计复合材料体
系见表3。
[0129]
表3
[0130][0131][0132]
设计直径分别为40mm，50mm和60mm的7孔多孔模具，对应表3材料体系对贯穿孔进行编号，1-3直径60mm，4和5直径50mm，6和7直径40mm。将多孔模具置于第一压头上，在1-3号贯穿孔内放入直径60mm，高20mm的石墨垫块，并置入尺寸为190mm
×
350mm的石墨纸卷筒。4和5号贯穿孔放入直径50mm，高度分别为20mm和40mm的石墨垫块，并置入尺寸分别为160mm
×
350mm和160mm
×
330mm的石墨纸卷筒。6和7号贯穿孔放入直径40mm，高度分别为20mm和40mm的石墨垫块，并置入尺寸分别为127mm
×
350mm和127mm
×
330mm的石墨纸卷筒。随后将球磨后的不同质量的粉末装填进7孔多孔模具中。其余步骤与实施例2相同。烧结后，得到尺寸和成分不同的钛基复合材料棒材。其中1-3号棒材直径60mm，高度280mm；4和5号棒材直径50mm，高度分别为280mm和260mm；6和7号棒材直径40mm，高度分别为280mm和260mm。
[0133]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。