[发明专利]金属基多层/梯度复合板材的直接成形制造方法及其工艺装置

说明书

本发明公开了一种金属基多层/梯度复合板材的直接成形制造方法和工艺装置。通过化学清洗对基体板材结合表面氧化皮和锈蚀物等杂质进行去除，再对清洁表面进行梯度功率电磁感应加热或激光轰击表面处理，使结合面附近各相充分溶解，强化固溶体并提高韧性及抗蚀性能，消除板材表面应力，进行表面激光处理以提高复合层结合性能，再通过粉末铺设对复合层原料进行添注，采用高能热源照射或感应加热熔化粉末，使复合层与基体形成冶金结合，再进行冷/热轧板材终型控制。所得多层/梯度复合板材表面组织致密、复合层与基体，层与层之间结合良好，显著改善复合板材层间结合性性能。本工艺灵活度高，与现有连铸技术结合可大大缩短金属基复合板材生产周期。

技术领域

本发明涉及一种金属材料或复合材料连续铸造方法和装置，特别是涉及一种金属基复合板材的制备方法和装置，应用于高端板材的制造技术领域。

背景技术

中国是世界第一钢铁大国，高性价比钢铁产品占比率却远远落后发达国家，随着“中国制造”的大力推行，材料制备与装备制造业将是我国的支柱产业之一，高性能钢铁产品的设计与制造成为促进其发展的重要课题。钢等金属基多层/梯度复合板材在大型设备制造中有着不可替代的位置，特别是高端板材在航空航天、轮船汽车、武器国防等方面的作用十分重要。

传统金属基复合板材的加工方法以铸造-冷轧或热轧机械压实为主，板材基体与功能层是机械结合，服役过程中功能层的脱落始终是多层/梯度复合板材的致命问题。例如钢基轴瓦板材的制造，就是采用金属模铸造的方法生产Al-Sn合金母锭，之后采取冷轧的方式与基体钢板结合，作为轴瓦功能层的Al-Sn合金在服役期间的脱落是造成轴承失效的主要问题。为克服这一问题，相关工程师和科学家们做了很多的努力，为了达到多层材料之间的冶金结合，热扩散、同步连铸等方法，其中同步连铸指采用分瓣结晶器将多种合金同时进行连铸的方法。热扩散方法效率低而能耗大，而同步连铸方法由于设备限制对选用材料及复合层数均有限制。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种金属基多层/梯度复合板材的直接成形制造方法及其工艺装置，改善现有金属基复合板材各层间的结合性能，实现全部冶金结合，突破复合层数以及材料梯度排布方式的限制，基于目前高能热源发生器以及电磁感应加热技术的成熟，本发明综合利用金属粉末多种铺设方法以及激光、电子束、电弧、感应加热等金属熔化手段提供了一种金属基多层/梯度复合板材的直接成形制造技术。该技术制造的多层/梯度板材，层与层之间完全为冶金结合，梯度排布可调，组织致密，表面光洁度可控，可以作为生产高品质金属基多层/梯度复合板材广泛应用于汽车、轮船、航空航天等装备制造业领域。

为达到上述发明创造目的，本发明的构思如下：

对现有的加工单元进行改进，基于增材制造原理，金属基多层/梯度复合板材的直接成形制造方法工艺基本流程为：结合面的预处理→复合层或功能层原料的添注→熔化烧结→热/冷轧制成形。即，首先通过化学清洗过程对板材结合表面进行预处理，去除表面氧化皮、锈蚀物等不易于金属间结合的杂质物。此后，根据材料复合要求，选择对洁净表面进行电磁感应加热亦或激光轰击等预处理。该处理有利于基体板材复合面附近的各相溶解，强化固溶体并提高韧性及抗蚀性能，消除板材表面应力，调控粗糙度等表面形态，以便后续复合层的加工成型。在轧辊的带动下，经过预处理的金属基板材行进至复合层原料添注区，采用粉末铺设方式在金属基板带上铺设指定高度的复合层原料粉末。此后，铺设好的粉末受高能热源照射或电磁感应加热熔化，与金属基板材形成良好冶金结合。复合板材进一步行进至轧辊，视功能要求而定，进行冷/热轧制，同时进行终点板厚控制。所得金属基多层/梯度复合板材表面组织致密、复合层与基体板材结合好，可显著改善现有工艺所制备复合板材层间结合力差、表面易蚀、易磨、易氧化等问题。就梯度复合板材而言，复合层原料粉末可以任意成分调配，结合粉末铺设的精密控制以及后续高能热源的可控化熔化，此技术可以实现任意材料任意梯度分布复合板材的生产。

根据以上发明构思，本发明采用下述技术方案：