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大型薄壁钼坩埚旋压工艺与数值模拟

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大型薄壁钼坩埚旋压工艺与数值模拟

发布日期:2018-06-11 作者: 点击:

钼坩埚是稀土冶炼炉、石英连熔炉和蓝宝石单晶生长炉中重要容器,尤其是在蓝宝石单晶制备过程中,钼坩埚的品质能直接影响到蓝宝石单晶的质量。随着LED行业的发展,蓝宝石单晶的产量和质量的需求日益提高,作为消耗品的钼坩埚要求也越来越高。传统制备钼坩埚的方法不能满足日益增长的需求,本成果利用旋压加工方式,为解决钼坩埚制备难题提供新的技术途径。


采用普旋与强旋相复合的旋压模式,借鉴现有难熔金属热旋成形的经验,通过数值模拟与工艺试验,成功利用旋压加工方法制备了钼坩埚,得出了纯钼材料普旋与强旋所需匹配的工艺参数,并通过理论分析对钼旋压过程有一个客观的规律总结。


成果内容提要:


通过对纯钼材料的性能分析、对纯钼材料旋压过程的数值模拟,以及具体的工艺试验,成功制备钼坩埚,并得出以下3条主要结论:


(1)纯钼材料由于其较差的塑性,不能在常温下完成旋压加工。通过高温拉伸试验,分析纯钼材料在高温时的应力应变曲线,在温度高于600℃时,纯钼材料表现出来的塑性足以完成旋压加工,在温度高于900℃时,再结晶过程中生成的晶粒会出现晶粒长大现象,会影响制备钼坩埚的性能。所以,纯钼材料欲旋压加工,必须利用外部加热工具加热到600—900℃之间。另外通过模拟计算,旋压过程中,道次减薄率不能高于40%,否则材料容易在旋压前方堆积。在旋压过程中,进给比不能超过1.0mm/r,否则变形过程中材料各处的变形速率有差异,容易引起材料失稳,产品成形结果不理想。


(2)由于钼坩埚要求变壁厚,带锥度,同时考虑到成本问题。最优旋压加工钼坩埚的工艺方案为:根据需要的钼坩埚尺寸要求,通过等体积法计算出纯钼圆板坯的直径与厚度,毛坯选用热轧纯钼圆板坯,对这一板坯进行多道次普旋成形,当工件与所需产品锥度、坩埚底部尺寸相同时,停止普旋,利用多道次强旋,将工件的壁厚旋至产品要求的尺寸,整个旋压过程须在加热条件下进行。


(3)旋压加工过程中,设备、工装、测量仪器会影响到成形产品的质量与几何精度。在钼坩埚旋压过程中,旋压机须有普旋和强旋能力,加热过程须有氧—乙炔焰或电磁感应加热设备。旋压加工需要的工装主要包括旋轮、芯模、尾顶及其他辅助工装,在钼坩埚的旋压过程中,普旋过程由于产品锥度的变化,芯模必须采用锥度匹配的芯模,在大型钼坩埚普旋过程中,使用了三种不同锥度的芯模来保证最终成形后产品的锥度;旋轮圆角、直径会直接影响旋压过程和旋得产品的质量,综合考虑毛坯形状尺寸、旋压工艺参数,在钼坩埚制备过程中选用大圆角普旋旋轮;尾顶在旋压过程中对金属流动有一个刚性约束,尾顶选择不合适容易在旋制过程中产生鼓包现象,根据钼坩埚底部尺寸及顶紧力的要求,普旋过程选用小直径尾顶保证底部形状尺寸,强旋过程采用大直径尾顶,对流动金属进行约束,保证产品成形质量。同时,在整个加工过程中,须对工件温度实时监控。


主要创新点:


(1)对难熔金属钼材料旋压加工工艺的探究。钼材料由于其高熔点、高强度的性能,不适合采用塑性成形方式进行加工,通常对于钼材料使用铸造、烧结等方法,制备的零件以板材、丝材居多,零件形状单一。要加工复杂形状的零件,传统方法材料利用率低,加工方法复杂,能耗高。本成果通过分析钼材料在高温下的力学性能,并利用数值模拟建立了钼材料流动旋压的力学模型。分析得出了钼材料的可旋性以及钼材料普旋、强旋所需的技术条件,并成功利用旋压法制得了纯钼薄壁回转体,在国内对于钼材料的加工研究中处于前列。


(2)普旋加强旋复合旋压法在制备变壁厚薄壁件上的应用。考虑到需制备钼坩埚的薄壁回转体、壁厚线性变化的特点,通常采用的单一剪切旋压或普通旋压,实现过程较为困难,很难同时达到上述两点技术要求。综合考虑采用普旋与强旋复合,对于板坯普旋加工出几何形状,强旋保证壁厚。普旋与强旋同时作用,制得了变壁厚薄壁回转体。


本成果主要的实践意义:


(1)如前文所述,钼坩埚在蓝宝石单晶生长炉中有很重要的作用,同时钼坩埚的品质会影响生长得到的蓝宝石单晶的质量。传统生产钼坩埚的方法,在原材料的利用率、得到钼坩埚的各项性能指标、加工方法复杂程度等方面存在着一定的不足。旋压法生产钼坩埚材料利用率高,基本能做到不浪费原材料;得到的钼坩埚在表面精度与形状尺寸满足要求的同时,还具有良好的机械性能,延长钼坩埚的使用寿命;旋压法制备钼坩埚加工周期短,工艺简单,能够提高钼坩埚生产效率。


(2)对于钼坩埚的旋压法加工的探究,为后续开展难熔金属旋压、复合旋压法研究提供技术支持与理论指导。拓宽了难熔金属的应用领域;对于某些不好加工的材料,提供加工思路;对某些型号设计方面考虑到的不好加工的零件,提供新的加工方法作参考。


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