專(zhuān)利名稱(chēng)：擺動(dòng)擠壓制備梯度材料技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通過(guò)機(jī)械方法制備特殊性能金屬材料的技術(shù)領(lǐng)域，是一種利用局部剪切擠壓劇烈塑性成形對(duì)金屬晶粒進(jìn)行細(xì)化，結(jié)合擠壓道次及模具結(jié)構(gòu)制備梯度功能材料的技術(shù)。
背景技術(shù)：
梯度功能材料(Functionally Gradient Materials，簡(jiǎn)稱(chēng)FGM)是隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展而提出的新概念，是在材料制備過(guò)程中，使組成、結(jié)構(gòu)及孔隙率等要素在材料的某個(gè)方向上連續(xù)變化或階梯變化，從而使材料的性質(zhì)和功能也呈連續(xù)變化或階梯變化的一種非均質(zhì)復(fù)合材料。最早是為了適用航天飛機(jī)在大氣層中長(zhǎng)時(shí)間飛行而引起的機(jī)頭尖端和發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)壁2100K以上的高溫，因而設(shè)計(jì)能夠承受巨大的高溫以及內(nèi)外壓惡劣服役環(huán)境的特種材料。1984年，日本學(xué)者M(jìn)asyuhi NINO,Toshio HIRA，和Ryuzo WATANBE等人首先提出了 FGM的概念，其設(shè)計(jì)思想是采用耐熱性及隔熱性的陶瓷材料以適應(yīng)幾千度高溫氣體的環(huán)境， 同時(shí)采用熱傳導(dǎo)和機(jī)械強(qiáng)度高的金屬材料，通過(guò)控制材料的組成、組織和顯微氣孔率，使之沿厚度方向連續(xù)變化，得到陶瓷金屬FGM。目前制備制備功能梯度材料的方法很多，譬如粉末冶金，等離子噴頭，氣象沉積， 離心鑄造等，但是這些方法大多是生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，成本高，耗能大，且污染環(huán)境，不適合工業(yè)化的大批量生產(chǎn)，也不符合人類(lèi)綠色生產(chǎn)的要求。鑒于此，申請(qǐng)人提了一種新的簡(jiǎn)單可行且具有實(shí)用性的制備功能梯度材料的機(jī)械加工方法，擺動(dòng)擠壓制備梯度材料技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
擺動(dòng)擠壓是一種局部剪切擠壓，其模具截面結(jié)構(gòu)如圖1所示。在擠壓過(guò)程中，通過(guò)對(duì)擠壓變形過(guò)程中變形區(qū)金屬施加不同高度的垂直于擠壓軸方向的剪切應(yīng)力，促使金屬多晶體在變形過(guò)程中形成以擠壓軸為中心的擺動(dòng)剪切變形。結(jié)合材料進(jìn)出模具所承受的正反兩次劇烈塑性剪切作用以達(dá)到細(xì)化多晶體晶粒改善材料的微觀組織結(jié)構(gòu)的目的。由于變形前后材料的幾何形狀不發(fā)生變化，可以通過(guò)反復(fù)變形積累塑性應(yīng)變不斷細(xì)化微觀組織直至平均晶粒直徑至飽和值，最終使材料沿厚度方向形成一種性能梯度，如強(qiáng)度沿厚度方向不斷提高。同時(shí)可以通過(guò)對(duì)擺動(dòng)剪切變形區(qū)高度和位置的控制以及擠壓道次的控制實(shí)現(xiàn)剪切變形區(qū)域的控制，實(shí)現(xiàn)局部組織控制，形成不同組織梯度及性能梯度的梯度功能材料。例如圖Ia的模具可以通過(guò)擺動(dòng)擠壓制造沿邊部向中心強(qiáng)度逐漸降低的梯度功能材料，而圖 Ib的模具結(jié)構(gòu)可以加工強(qiáng)度由中心向邊部逐漸降低的梯度功能材料。本發(fā)明可以通過(guò)模具組合直接應(yīng)用于傳統(tǒng)擠壓設(shè)備，無(wú)需額外設(shè)備投資，非常適合中小擠壓生產(chǎn)企業(yè)依托現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行的技術(shù)改造和升級(jí)。本發(fā)明主要包括以下內(nèi)容第一步坯料的制備及模具的制造。針對(duì)所需梯度金屬材料的幾何尺寸及組織性能的要求，設(shè)計(jì)制備相應(yīng)的坯料。由于擺動(dòng)擠壓不改變材料的截面形狀，可以反復(fù)變形，因此坯料幾何尺寸可以與最終所需幾何尺寸相同，僅留少量加工余量即可。同時(shí)針對(duì)最終梯度材料幾何尺寸及組織性能的要求加工制造相應(yīng)的擺動(dòng)擠壓模具一套或多套。第二步根據(jù)組織梯度的要求設(shè)計(jì)擠壓加工工藝及加工道次。每道次擺動(dòng)擠壓均引起材料的局部劇烈塑性變形，引起局部微觀晶粒的細(xì)化，因此根據(jù)最終對(duì)組織梯度的要求設(shè)計(jì)具體擠壓方案，尤其是不同擺動(dòng)擠壓模具的組合順序。第三步擺動(dòng)擠壓劇烈塑性成形。將坯料置于擠壓筒中，通過(guò)相應(yīng)的擠壓設(shè)備根據(jù)所設(shè)計(jì)的加工工藝進(jìn)行擺動(dòng)擠壓劇烈塑性變形。依托擠壓過(guò)程中以擠壓軸為中心的劇烈不對(duì)稱(chēng)剪切變形，在不改變坯料截面幾何形狀的條件下趨使金屬晶粒發(fā)生強(qiáng)烈的局部剪切變形，通過(guò)位錯(cuò)的劇烈運(yùn)動(dòng)快速形成位錯(cuò)胞和亞晶，使晶粒大小沿厚度方向連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)組織梯度進(jìn)而對(duì)功能梯度的控制。
具體實(shí)施例方式本專(zhuān)利具體實(shí)施過(guò)程中涉及合金坯料的制備、擠壓設(shè)備的選擇、擺動(dòng)擠壓模具的制造、擺動(dòng)擠壓工藝的設(shè)計(jì)制定、擺動(dòng)擠壓劇烈塑性成形以及經(jīng)擺動(dòng)擠壓后的材料組織結(jié)構(gòu)及性能的測(cè)試分析，主要包括一 坯料的制備、設(shè)備選型及模具的制造。根據(jù)最終成形構(gòu)件的幾何尺寸設(shè)計(jì)加工相應(yīng)的金屬坯料。由于擠壓不改變材料的截面形狀，可以反復(fù)變形，因此坯料幾何尺寸可以與最終所需幾何尺寸相同，僅留少量加工余量即可。同時(shí)根據(jù)最終成形構(gòu)件的結(jié)構(gòu)完成擠壓力的計(jì)算及擠壓設(shè)備的選型，并加工制造截面如圖1所示相應(yīng)的擺動(dòng)擠壓模具一套或多套。二 劇烈塑性成形工藝設(shè)計(jì)制定。根據(jù)材料的宏微觀結(jié)構(gòu)及組織特點(diǎn)設(shè)計(jì)制定相應(yīng)的劇烈塑性成形工藝，主要指劇烈塑性成形的加工道次及多套模具擠壓過(guò)程的安排，由于單一劇烈塑性成形的晶粒細(xì)化存在飽和，因此擠壓道次盡量不建議超過(guò)四次。三擺動(dòng)擠壓劇烈塑性成形。將坯料置于擠壓筒中，通過(guò)相應(yīng)的擠壓設(shè)備根據(jù)所設(shè)計(jì)的加工工藝進(jìn)行擺動(dòng)擠壓劇烈塑性變形，在不改變坯料截面幾何形狀的條件下趨使金屬晶粒發(fā)生強(qiáng)烈的局部剪切變形，實(shí)現(xiàn)組織梯度進(jìn)而功能梯度的控制。在此需要注意的是劇烈塑性成形過(guò)程需要配合良好的潤(rùn)滑，可選用二硫化鉬或高性能納米潤(rùn)滑劑。四材料組織性能測(cè)試分析。對(duì)完成加工過(guò)程的材進(jìn)行宏觀材料性能及微觀組織測(cè)試，分析最終材料性能及組織特點(diǎn)，對(duì)于未滿足設(shè)計(jì)要求的型材進(jìn)行進(jìn)一步可重復(fù)上述加工工藝進(jìn)行重新加工。五最終成形件的表面處理、截?cái)嗉昂罄^加工。對(duì)于經(jīng)測(cè)試分析的材料進(jìn)行表面處理，并根據(jù)零件尺寸進(jìn)行截?cái)嗉昂罄^加工。實(shí)施例1厚5mm高IOmm如圖沿ζ向由單側(cè)邊部向中心強(qiáng)度呈梯度降低，組織由細(xì)晶向粗晶梯度分布的紫銅厚板首先制備5mmX IOmm厚板條料作為坯料，可留加工余量1mm。導(dǎo)r = Imm圓角，長(zhǎng)度可根據(jù)實(shí)際需求確定。其次計(jì)算擠壓力，根據(jù)擠壓力及生產(chǎn)條件選擇擠壓設(shè)備并加工制造相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)擠壓模具，在滿足擠壓噸位的要求下，擠壓設(shè)備既可選用立式也可選用臥式擠壓機(jī)。由于要求紫銅厚板組織及強(qiáng)度梯度為由邊部向中心單邊漸變，因此模具幾何結(jié)構(gòu)可以如圖2所示，擺動(dòng)擠壓過(guò)程中保證下部材料不發(fā)生塑性變形。同時(shí)為保證組織及強(qiáng)度梯度可加工圖2所示變形區(qū)高度不同的多套模具，通過(guò)組合變形控制組織梯度及強(qiáng)度梯度。在此基礎(chǔ)上結(jié)合臥式或立式擠壓機(jī)進(jìn)行擺動(dòng)擠壓加工。可首先通過(guò)圖2b截面模具進(jìn)行2道次擺動(dòng)擠壓，此后通過(guò)圖2c截面模具進(jìn)行2道次擺動(dòng)擠壓，最后配合圖2d截面模具進(jìn)行兩道次擠壓，實(shí)現(xiàn)所要求的沿ζ向由單側(cè)邊部向中心強(qiáng)度呈梯度降低，組織由細(xì)晶向粗晶梯度分布的紫銅厚板的加工。實(shí)施例2如圖高20mm厚5mm沿Z向由雙側(cè)邊部向中心強(qiáng)度呈梯度增加，組織由粗晶向細(xì)晶梯度分布的鈦合金厚板首先制備20mmX IOmm厚板條料作為坯料，可留加工余量1mm。導(dǎo)r= Imm圓角，長(zhǎng)度可根據(jù)實(shí)際需求確定。其次計(jì)算擠壓力，根據(jù)擠壓力及生產(chǎn)條件選擇擠壓設(shè)備并加工制造相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)擠壓模具，在滿足擠壓噸位的要求下，擠壓設(shè)備既可選用立式也可選用臥式擠壓機(jī)。由于要求鈦合金厚板組織及強(qiáng)度梯度為由邊部向中心雙側(cè)呈對(duì)稱(chēng)分布，因此模具幾何結(jié)構(gòu)可以如圖3所示，保證擺動(dòng)擠壓過(guò)程中中心部位材料的塑性變形總變形量大于邊部，以實(shí)現(xiàn)沿Z向由雙側(cè)邊部向中心強(qiáng)度呈梯度增加，組織由粗晶向細(xì)晶梯度分布。在此基礎(chǔ)上結(jié)合臥式或立式擠壓機(jī)進(jìn)行擺動(dòng)擠壓加工?？墒紫韧ㄟ^(guò)圖2d截面模具，結(jié)合對(duì)變形后微觀組織的檢測(cè)進(jìn)行2 4道次擺動(dòng)擠壓，加工出如圖高20mm厚5mm沿 Z向由雙側(cè)邊部向中心強(qiáng)度呈梯度增加，組織由粗晶向細(xì)晶梯度分布的鈦合金厚板。


圖1是擺動(dòng)擠壓模具截面結(jié)構(gòu)示意2是由擺動(dòng)擠壓獲得沿ζ向由單側(cè)邊部向中心強(qiáng)度呈梯度降低的紫銅厚板的模具截面示意3是有擺動(dòng)擠壓獲得沿Z向由雙側(cè)邊部向中心強(qiáng)度呈梯度增加的鈦合金厚板模具截面示意圖。
權(quán)利要求
1.擺動(dòng)擠壓制備梯度材料的特征在于第一步坯料的制備及模具的制造。針對(duì)所需梯度金屬材料的幾何尺寸及組織性能的要求，設(shè)計(jì)制備相應(yīng)的坯料。由于擺動(dòng)擠壓不改變材料的截面形狀，可以反復(fù)變形，因此坯料幾何尺寸可以與最終所需幾何尺寸相同，僅留少量加工余量即可。同時(shí)針對(duì)最終梯度材料幾何尺寸及組織性能的要求加工制造相應(yīng)的擺動(dòng)擠壓模具一套或多套。第二步根據(jù)組織梯度的要求設(shè)計(jì)擠壓加工工藝及加工道次。每道次擺動(dòng)擠壓均引起材料的局部劇烈塑性變形，引起局部微觀晶粒的細(xì)化，因此根據(jù)最終對(duì)組織梯度的要求設(shè)計(jì)具體擠壓方案，尤其是不同擺動(dòng)擠壓模具的組合順序。第三步擺動(dòng)擠壓劇烈塑性成形。將坯料置于擠壓筒中，通過(guò)相應(yīng)的擠壓設(shè)備根據(jù)所設(shè)計(jì)的加工工藝進(jìn)行擺動(dòng)擠壓劇烈塑性變形。依托擠壓過(guò)程中以擠壓軸為中心的劇烈不對(duì)稱(chēng)剪切變形，在不改變坯料截面幾何形狀的條件下趨使金屬晶粒發(fā)生強(qiáng)烈的局部剪切變形，通過(guò)位錯(cuò)的劇烈運(yùn)動(dòng)快速形成位錯(cuò)胞和亞晶，使晶粒大小沿厚度方向連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)組織梯度進(jìn)而對(duì)功能梯度的控制。
全文摘要
本發(fā)明叫做擺動(dòng)擠壓，擺動(dòng)擠壓是一種局部剪切擠壓。在擠壓過(guò)程中，通過(guò)對(duì)擠壓變形過(guò)程中變形區(qū)金屬施加不同高度的垂直于擠壓軸方向的剪切應(yīng)力，促使金屬多晶體在變形過(guò)程中形成以擠壓軸為中心的擺動(dòng)剪切變形。結(jié)合材料進(jìn)出模具所承受的正反兩次劇烈塑性剪切作用以達(dá)到細(xì)化多晶體晶粒改善材料的微觀組織結(jié)構(gòu)的目的。由于變形前后材料的幾何形狀不發(fā)生變化，可以通過(guò)反復(fù)變形積累塑性應(yīng)變不斷細(xì)化微觀組織直至平均晶粒直徑至飽和值，最終使材料沿厚度方向形成一種性能梯度，如強(qiáng)度沿厚度方向不斷提高。
文檔編號(hào)B21C23/02GK102371285SQ201110148220
公開(kāi)日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
發(fā)明者張妍婧, 李洪洋, 李薇薇, 陳成 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)