專利名稱：變截面剪切擠壓技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通過(guò)機(jī)械加工制備高性能金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，是一種簡(jiǎn)單擠壓產(chǎn)生劇烈塑性變形制備超細(xì)晶以提高金屬力學(xué)及機(jī)械性能的方法。
背景技術(shù)：
在金屬材料的多種強(qiáng)化方式中，細(xì)晶強(qiáng)化可同時(shí)提高材料的強(qiáng)度和韌性，超細(xì)晶材料由于其優(yōu)越的力學(xué)及機(jī)械性 能一直以來(lái)就是科學(xué)研究的重點(diǎn)方向。大塑性變形技術(shù)(Severe Plastic Deformation,簡(jiǎn)稱SPD)具有強(qiáng)烈的晶粒細(xì)化能力，可以直接將材料內(nèi)部組織細(xì)化到亞微米乃至納米級(jí)，已被國(guó)際材料學(xué)界公認(rèn)為是制備塊狀納米和超細(xì)晶材料最有前途的方法。大塑性變形技術(shù)主要包括等通道轉(zhuǎn)角擠壓(Equal Channel Angular Pressing, ECAP)、累積車L (AccumulativeRoll Bonding, ARB)、往復(fù)擠壓(Cyclic Extrusion Compression,CEC)、多向鍛造(Muhiple Forging)和連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓法等。受到各行業(yè)對(duì)高性能材料強(qiáng)烈需求的推動(dòng)，國(guó)內(nèi)外對(duì)細(xì)晶材料及其制備技術(shù)的研究十分活躍。之前也有報(bào)告提出剪切擠壓變形的方法，在特定的擠壓通道內(nèi)，材料橫截面積不發(fā)生變化，而橫截面形狀發(fā)生變化。方形試樣在通道內(nèi)先擠壓變形為平行四邊形，后還原為方形，此過(guò)程經(jīng)歷的劇烈塑性變形，產(chǎn)生了大量超細(xì)晶。但上述方法中段方形材料變形成平行四邊形，材料內(nèi)部必會(huì)產(chǎn)生一定的損傷,使材料的力學(xué)及機(jī)械性能下降。在此背景下本發(fā)明提出一種新式的劇烈塑性變形方法一變截面剪切擠壓變形制備聞強(qiáng)度的超細(xì)晶材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)目前剪切擠壓制備超細(xì)晶微觀損傷嚴(yán)重的問(wèn)題，給出了一種新型塑性成形方法制備工程結(jié)構(gòu)用高質(zhì)量塊體材料的新方法，具有既能發(fā)揮劇烈塑性成形強(qiáng)烈剪切變形細(xì)化晶粒的能力，同時(shí)又能通過(guò)提高變形區(qū)靜水壓力閉合成形過(guò)程中的微缺陷，顯著提聞所制備的超細(xì)晶材料質(zhì)量。


圖I是通道結(jié)構(gòu)三維示意圖；圖2是入口材料橫截面圖，中段變形橫截面圖，出口材料橫截面圖；圖3是入口材料橫截面圖，中段變形橫截面圖，出口材料橫截面圖；圖4是入口材料橫截面圖，中段變形橫截面圖，出口材料橫截面圖。剪切擠壓變形過(guò)程中，變形區(qū)截面面積保持不變，幾何形狀發(fā)生變化，例如斜雙鼓形等形狀，如圖2，根據(jù)靜水壓力大于零時(shí)可對(duì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)有修復(fù)作用的原理，可大大改善材料的力學(xué)及機(jī)械性能，達(dá)到更高的生產(chǎn)要求。本發(fā)明主要包括以下內(nèi)容I.剪切擠壓變形時(shí)，變形區(qū)截面面積保持不變，變形可以累積，可進(jìn)行多道次加工直到材料性能滿足要求。2.改變變形區(qū)金屬垂直法線方向的金屬流體特征，形成壓應(yīng)力，修復(fù)微觀材料缺陷。本發(fā)明工作原理擠壓材料使其通過(guò)特定形狀的通道，過(guò)程中產(chǎn)生剪切變形，變形前后材料橫截面積不發(fā)生改變，此過(guò)程可重復(fù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)變累積。同時(shí)，中段變形為雙鼓形， 變形區(qū)材料承受三向靜水壓力，可以修復(fù)微觀材料缺陷。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明具體實(shí)施過(guò)程中涉及坯料的制備、擠壓設(shè)備的選擇、劇烈剪切擠壓模具的制造、劇烈塑性成形擠壓變形以及經(jīng)劇烈塑性成形后的材料組織結(jié)構(gòu)及性能的測(cè)試分析。一、根據(jù)最終成形材料構(gòu)件的幾何尺寸設(shè)計(jì)加工相應(yīng)的坯料。由于剪切擠壓不改變材料變形前后截面形狀，可以反復(fù)變形，因此坯料幾何尺寸可以與最終所需材料幾何尺寸相同，僅留少量加工余量即可。二、模具的制造。根據(jù)對(duì)成形材料構(gòu)件的要求設(shè)計(jì)擠壓通道模具。三、根據(jù)劇烈塑性成形工藝進(jìn)行變截面形狀剪切擠壓劇烈塑性成形，依托交替的劇烈軸對(duì)稱剪切變形進(jìn)行晶粒細(xì)化。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，可選用二硫化鑰或高性能納米潤(rùn)滑劑。四、對(duì)完成加工過(guò)程的棒材進(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)要求的棒材進(jìn)行進(jìn)一步復(fù)合劇烈塑性成形加工。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I邊長(zhǎng)IOmm正方形截面制備低損傷超細(xì)晶鋁合金型材。首先，加工坯料，考慮到表面質(zhì)量及后繼表面處理加工精度的要求，可選擇IlXllmm的正方形截面鋁合金棒材，導(dǎo)r=Imm圓角，長(zhǎng)度可根據(jù)實(shí)際需求確定。其次，按照如下圖2所示制作擠壓通道模具。再次計(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)的變截面剪切擠壓模具，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)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行變截面剪切擠壓劇烈塑性成形，潤(rùn)滑可選用二硫化鑰或高性能納米潤(rùn)滑劑。最終通過(guò)組織性能測(cè)試確定微觀組織滿足設(shè)計(jì)要求后，如對(duì)表面質(zhì)量有要求則可通過(guò)機(jī)械加工方式對(duì)所加工棒材進(jìn)行表面處理。實(shí)施例2制備IOmmX 20mm矩形截面TA系列低損傷鈦合金型材微納米多晶體。首先,加工坯料，可選擇llX22mm長(zhǎng)方形截面鋁合金棒材，導(dǎo)r = Imm圓角，長(zhǎng)度可根據(jù)實(shí)際需求確定。其次按照如下圖3所示制作擠壓通道模具。再次計(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)的變截面剪切擠壓模具，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)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行變截面剪切擠壓劇烈塑性成形，潤(rùn)滑可選用二硫化鑰或高性能納米潤(rùn)滑劑。最終通過(guò)組織性能測(cè)試確定微觀組織滿足設(shè)計(jì)要求后,如對(duì)表面質(zhì)量有要求則可通過(guò)機(jī)械加工方式對(duì)所加工棒材進(jìn)行表面處理。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明針對(duì)目前剪切擠壓制備超細(xì)晶微觀損傷嚴(yán)重的問(wèn)題，給出了一種新型塑性成形方法制備工程結(jié)構(gòu)用高質(zhì)量塊體材料的新方法，具有既能發(fā)揮劇烈塑性成形強(qiáng)烈剪切變形細(xì)化晶粒的能力，同時(shí)又能通過(guò)提高變形區(qū)靜水壓力閉合成形過(guò)程中的微缺陷，顯著提聞所制備的超細(xì)晶材料質(zhì)量。
本發(fā)明主要包括以下內(nèi)容 1)剪切擠壓變形時(shí)，變形區(qū)截面面積保持不變，變形可以累積，可進(jìn)行多道次加工直到材料性能滿足要求。
2)改變變形區(qū)金屬垂直法線方向的金屬流體特征，形成壓應(yīng)力，修復(fù)微觀材料缺陷。
全文摘要
本發(fā)明屬于通過(guò)機(jī)械加工制備高性能金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，是一種簡(jiǎn)單擠壓產(chǎn)生劇烈塑性變形制備超細(xì)晶以提高金屬力學(xué)及機(jī)械性能的方法，名稱為變截面剪切擠壓技術(shù)。本發(fā)明給出了一種新型塑性成形方法制備工程結(jié)構(gòu)用高質(zhì)量塊體材料的新方法，并以制備低損傷超細(xì)晶鋁合金型材與制備TA系列低損傷鈦合金型材微納米多晶體為實(shí)例進(jìn)行了說(shuō)明。
文檔編號(hào)B21C23/00GK102873120SQ20121017922
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月1日
發(fā)明者李洪洋, 汪玲, 陳成, 李先超, 李江天 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)