[0001] 本发明涉及一种复合材料管半固态成形方法，属于金属半固态成形技术领域。

[0002] 多层复合材料是将两种或两种以上材料分层组合形成稳定结合的复合材料，它能将多种金属材料的优点结合起来，使复合材料具备特殊的物理、化学、力学性能，满足高强度、高比强度、高比刚度、高耐磨性、高抗疲劳性、高耐蚀性等要求，从而广泛应用于机械工程、航空航天、车辆工程、石油化工、电力行业等领域。

[0003] 目前，多层复合材料管材的制备方法按照结合形式可分为：机械结合和冶金结合两大类。近年来，国内外开发了多种双金属复合管成型方法，先后提出了冶金复合、爆炸复合、钎焊复合、液压复合以及拉拔复合等多种复合方法，各成型方法均有其优缺点。冶金结合复合管的成形方法主要有：热轧冶金复合管、离心铝热法冶金复合管、热挤压冶金复合管、钎焊冶金复合管以及爆炸冶金复合管。机械复合管主要有：液压机械复合管、爆炸机械复合管以及滚压机械复合管。热轧冶金复合法原理为将合金材料预先浇铸到外管锻压毛坯内形成复合管热轧毛坯，然后再控温热轧，热轧后成为冶金结合的复合挤压管。液压成型法原理为将内外管套装在一起，对管内加压，随着管内压力升高，内层管由弹性变形状态进入塑性变形状态，并贴紧外管，当管内压力达到一定值时，外管发生弹性变形，两管紧密贴合在一起，当内管压力卸除后，如外层管弹性回复能力大于内层管的弹性回复能力，则内外管紧密贴合。液压复合法接触压力分布均匀，便于控制，管内表面无擦伤和破坏现象，该方法被复合管生产厂家广泛应用。爆炸复合法原理为利用炸药爆炸产生的冲击波，使两种金属表面实现固相焊接或机械贴合的方法。金属复合管的爆炸成形法一般有两种:一种是间接法，即先通过爆炸成形法得到两种金属复合板，再经热轧、冷轧成复合带，然后在焊管机组上进行连续辊式成型、焊接以得到复合金属管；另一种是直接法，是先把内管和外管组装成复合管坯，管内爆炸产生的冲击波使内管发生塑性变形紧贴在外管上。但是，上述成形方法各有优缺点，且针对难塑性变形材料的适应性不好。

[0004] 半固态成形技术是一种金属从液态向固态转变或从固态向液态转变（即固液共存）过程中所具有的特性进行成形的方法。该方法具有充型平稳、飞溅少、收缩率小、屈服强度低、流动性好、对模具的热冲击小、力学性能高、可实现高速近终成形等特点。因此，针对难变形材料的特点，开发难变形材料半固态成形，有望解决难变形材料管类件的加工制造问题。

[0005] 针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种复合材料管半固态成形方法。该方法解决难变形材料管类件加工制造困难、成形周期长、产品成本高等问题，扩宽半固态成形技术的应用领域，本发明通过以下技术方案实现。

[0006] 本发明的技术方案是：首先利用离心铸造机浇注三层材料，获得复合材料管坯，先浇注外层易塑性变形材料，然后浇注中间层难塑性变形材料，最后浇注内层易塑性变形材料；然后将复合材料管坯加热至难变形材料的固液温度区间使其处于半固态，并采用高速热挤压使管坯减径减壁，获得一定长度的管材，最后对热挤压的管材进行热处理，获得不同力学性能的复合材料管，具体包括如下步骤：（1）测量中间层难塑性变形材料的固相线和液相线温度；
（2）采用离心铸造机铸造得到三层复合材料管坯：首先浇注外层易塑性变形材料，然后浇注中间层难塑性变形材料，最后浇注内层易塑性变形材料，其中外层易塑性变形材料和内层易塑性变形材料为同种材料；
（3）将步骤（2）得到的三层复合材料管坯加热到中间层难塑性变形材料的固相线和液相线温度之间，控制中间层难塑性变形材料液相率为10～30%；
（4）将经步骤（3）加热后的三层复合材料管坯进行高速热挤压，成形结束后空冷至室温；
（5）将经步骤（4）高速挤压后进行热处理，最终获得复合材料管。

[0007] 所述步骤（2）中的难塑性变形材料的液相线温度小于易塑性变形材料的固相线温度。

[0008] 所述步骤（2）中外层易塑性变形材料厚度tw、中间层难塑性变形材料厚度tz、内层易塑性变形材料厚度tn比例为1～1.2:1:0.3～0.5或0.3～0.5:1: 1～1.2。

[0009] 所述步骤（4）中高速热挤压的变形速率为5～20s-1。

[0010] 本发明的特点：就是利用离心铸造机浇注三层材料，获得复合材料管坯，先浇注外层易塑性变形材料，然后浇注中间层难塑性变形材料，最后浇注内层易塑性变形材料；然后将复合材料管坯加热至难变形材料的固液温度区间使其处于半固态，并采用高速热挤压使管坯减径减壁，获得一定长度的管材，最后对热挤压的管材进行热处理，获得不同力学性能的复合材料管（如图1所示）。本发明具有短流程、高效率、操作简单等优点，可获得界面结合强度高的复合材料管。

[0011] 本发明的有益效果是：（1）采用本发明，利用离心铸造方法制备三层复合管坯，使难变形材料被易变形材料包覆；加热难变形材料至半固态温度区间，制备半固态浆料，利用高速热挤压成形复合管坯，从而实现难变形材料的塑性变形，制备得到难变形材料管类零部件；通过控制离心铸造工艺精确获得不同厚度的三层复合管坯，并控制高速热挤压的变形温度、挤压速率、模具结构获得不同厚度的三层复合管类零件，实现难变形材料管类件的加工制造。

[0012] （2）采用本发明，将高速热挤压变形温度控制在难变形材料半固态温度区间，从而降低成形载荷20～40%。

[0013] （3）本发明具有短流程、高效率、操作简单等优点，可获得界面结合强度高的复合管材。附图说明

[0014] 图1是本发明制备得到的复合材料管结构示意图。

[0015] 下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

[0016] 实施例1以Q235碳钢和高铬铸铁制备复合材料管为例，中间层难塑性变形材料为高铬铸铁，易塑性变形材料为Q235碳钢。

[0017] 该复合材料管半固态成形方法，其具体步骤如下：（1）测量中间层难塑性变形材料的固相线和液相线温度，利用差示扫描量热法（DSC）测量高铬铸铁固相线温度为1230℃、液相线温度为1420℃；
（2）采用离心铸造机铸造得到三层复合材料管坯：首先浇注外层易塑性变形材料，厚度为6mm，然后浇注中间层难塑性变形材料，最后浇注内层易塑性变形材料；其中外层易塑性变形材料厚度tw、中间层难塑性变形材料厚度tz、内层易塑性变形材料厚度tn比例为1.2:1:
0.5；
（3）将步骤（2）得到的三层复合材料管坯加热到1280℃并保温10min，控制中间层难塑性变形材料液相率为25%；
（4）将经步骤（3）加热后的三层复合材料管坯进行高速热挤压（温度为1280℃、高速热挤压的变形速率为20s-1），成形结束后空冷至室温；
（5）将经步骤（4）高速挤压后进行热处理（加热到1000℃保温30min），最终获得Q235碳钢-高铬铸铁- Q235碳钢复合材料管。

[0018] 实施例2以45#碳钢和ZCuSn10P1锡青铜制备复合材料管为例，中间层难塑性变形材料为ZCuSn10P1锡青铜，易塑性变形材料为45#碳钢。

[0019] 该复合材料管半固态成形方法，其具体步骤如下：（1）测量中间层难塑性变形材料的固相线和液相线温度，利用差示扫描量热法（DSC）测量ZCuSn10P1锡青铜固相线温度为820℃，液相线温度为1003℃；
（2）采用离心铸造机铸造得到三层复合材料管坯：首先浇注外层易塑性变形材料，厚度为5mm，然后浇注中间层难塑性变形材料，最后浇注内层易塑性变形材料；其中外层易塑性变形材料厚度tw、中间层难塑性变形材料厚度tz、内层易塑性变形材料厚度tn比例为1:1:
0.3；
（3）将步骤（2）得到的三层复合材料管坯加热到900℃并保温25min，控制中间层难塑性变形材料液相率为30%；
（4）将经步骤（3）加热后的三层复合材料管坯进行高速热挤压（温度为900℃、高速热挤压的变形速率为5s-1），成形结束后空冷至室温；
（5）将经步骤（4）高速挤压后进行热处理（加热到650℃保温1h），最终获得45#碳钢-ZCuSn10P1锡青铜-45#碳钢复合材料管。

[0020] 实施例3以不锈钢和ZCuSn10锡青铜制备复合材料管为例，中间层难塑性变形材料为ZCuSn10锡青铜，易塑性变形材料为不锈钢。

[0021] 该复合材料管半固态成形方法，其具体步骤如下：（1）测量中间层难塑性变形材料的固相线和液相线温度，利用差示扫描量热法（DSC）测量ZCuSn10锡青铜固相线温度为830℃，液相线温度为1020℃；
（2）采用离心铸造机铸造得到三层复合材料管坯：首先浇注外层易塑性变形材料，厚度为2mm，然后浇注中间层难塑性变形材料，最后浇注内层易塑性变形材料；其中外层易塑性变形材料厚度tw、中间层难塑性变形材料厚度tz、内层易塑性变形材料厚度tn比例为0.4:1:
1.2；
（3）将步骤（2）得到的三层复合材料管坯加热到920℃并保温5min，控制中间层难塑性变形材料ZCuSn10锡青铜的液相率为10%；
（4）将经步骤（3）加热后的三层复合材料管坯进行高速热挤压（温度为920℃、高速热挤-1
压的变形速率为12s ），成形结束后空冷至室温；
（5）将经步骤（4）高速挤压后进行热处理（加热到700℃保温1.5h），最终获得不锈钢-ZCuSn10锡青铜-不锈钢复合材料管。

[0022] 以上对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。