大型薄壁鉬坩堝旋壓工藝與數值模擬
【中鎢在線新聞網-鎢新聞】
鉬坩堝是稀土冶煉爐、石英連熔爐和藍寶石單晶生長爐中重要容器，尤其是在藍寶石單晶制備過程中，鉬坩堝的品質能直接影響到藍寶石單晶的質量。隨著LED行業的發展，藍寶石單晶的產量和質量的需求日益提高，作為消耗品的鉬坩堝要求也越來越高。傳統制備鉬坩堝的方法不能滿足日益增長的需求，本成果利用旋壓加工方式，為解決鉬坩堝制備難題提供新的技術途徑。
采用普旋與強旋相復合的旋壓模式，借鑒現有難熔金屬熱旋成形的經驗，通過數值模擬與工藝試驗，成功利用旋壓加工方法制備了鉬坩堝，得出了純鉬材料普旋與強旋所需匹配的工藝參數，并通過理論分析對鉬旋壓過程有一個客觀的規律總結。
通過對純鉬材料的性能分析、對純鉬材料旋壓過程的數值模擬，以及具體的工藝試驗，成功制備鉬坩堝，并得出以下3條主要結論：
（1）純鉬材料由于其較差的塑性，不能在常溫下完成旋壓加工。通過高溫拉伸試驗，分析純鉬材料在高溫時的應力應變曲線，在溫度高于600℃時，純鉬材料表現出來的塑性足以完成旋壓加工，在溫度高于900℃時，再結晶過程中生成的晶粒會出現晶粒長大現象，會影響制備鉬坩堝的性能。所以，純鉬材料欲旋壓加工，必須利用外部加熱工具加熱到600—900℃之間。另外通過模擬計算，旋壓過程中，道次減薄率不能高于40%，否則材料容易在旋壓前方堆積。在旋壓過程中，進給比不能超過1.0mm/r，否則變形過程中材料各處的變形速率有差異，容易引起材料失穩，產品成形結果不理想。
（2）由于鉬坩堝要求變壁厚，帶錐度，同時考慮到成本問題。最優旋壓加工鉬坩堝的工藝方案為：根據需要的鉬坩堝尺寸要求，通過等體積法計算出純鉬圓板坯的直徑與厚度，毛坯選用熱軋純鉬圓板坯，對這一板坯進行多道次普旋成形，當工件與所需產品錐度、坩堝底部尺寸相同時，停止普旋，利用多道次強旋，將工件的壁厚旋至產品要求的尺寸，整個旋壓過程須在加熱條件下進行。
（3）旋壓加工過程中，設備、工裝、測量儀器會影響到成形產品的質量與幾何精度。在鉬坩堝旋壓過程中，旋壓機須有普旋和強旋能力，加熱過程須有氧—乙炔焰或電磁感應加熱設備。旋壓加工需要的工裝主要包括旋輪、芯模、尾頂及其他輔助工裝，在鉬坩堝的旋壓過程中，普旋過程由于產品錐度的變化，芯模必須采用錐度匹配的芯模，在大型鉬坩堝普旋過程中，使用了三種不同錐度的芯模來保證最終成形后產品的錐度；旋輪圓角、直徑會直接影響旋壓過程和旋得產品的質量，綜合考慮毛坯形狀尺寸、旋壓工藝參數，在鉬坩堝制備過程中選用大圓角普旋旋輪；尾頂在旋壓過程中對金屬流動有一個剛性約束，尾頂選擇不合適容易在旋制過程中產生鼓包現象，根據鉬坩堝底部尺寸及頂緊力的要求，普旋過程選用小直徑尾頂保證底部形狀尺寸，強旋過程采用大直徑尾頂，對流動金屬進行約束，保證產品成形質量。同時，在整個加工過程中，須對工件溫度實時監控。
主要創新點：
（1）對難熔金屬鉬材料旋壓加工工藝的探究。鉬材料由于其高熔點、高強度的性能，不適合采用塑性成形方式進行加工，通常對于鉬材料使用鑄造、燒結等方法，制備的零件以板材、絲材居多，零件形狀單一。要加工復雜形狀的零件，傳統方法材料利用率低，加工方法復雜，能耗高。本成果通過分析鉬材料在高溫下的力學性能，并利用數值模擬建立了鉬材料流動旋壓的力學模型。分析得出了鉬材料的可旋性以及鉬材料普旋、強旋所需的技術條件，并成功利用旋壓法制得了純鉬薄壁回轉體，在國內對于鉬材料的加工研究中處于前列。
（2）普旋加強旋復合旋壓法在制備變壁厚薄壁件上的應用�？紤]到需制備鉬坩堝的薄壁回轉體、壁厚線性變化的特點，通常采用的單一剪切旋壓或普通旋壓，實現過程較為困難，很難同時達到上述兩點技術要求。綜合考慮采用普旋與強旋復合，對于板坯普旋加工出幾何形狀，強旋保證壁厚。普旋與強旋同時作用，制得了變壁厚薄壁回轉體。
主要的實踐意義：
（1）如前文所述，鉬坩堝在藍寶石單晶生長爐中有很重要的作用，同時鉬坩堝的品質會影響生長得到的藍寶石單晶的質量。傳統生產鉬坩堝的方法，在原材料的利用率、得到鉬坩堝的各項性能指標、加工方法復雜程度等方面存在著一定的不足。旋壓法生產鉬坩堝材料利用率高，基本能做到不浪費原材料；得到的鉬坩堝在表面精度與形狀尺寸滿足要求的同時，還具有良好的機械性能，延長鉬坩堝的使用壽命；旋壓法制備鉬坩堝加工周期短，工藝簡單，能夠提高鉬坩堝生產效率。
（2）對于鉬坩堝的旋壓法加工的探究，為后續開展難熔金屬旋壓、復合旋壓法研究提供技術支持與理論指導。拓寬了難熔金屬的應用領域；對于某些不好加工的材料，提供加工思路；對某些型號設計方面考慮到的不好加工的零件，提供新的加工方法作參考。
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