大型薄壁钼坩埚旋压工艺与数值模拟
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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。
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。
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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