[發明專利]一種組合式扭擠墩復合大塑性變形裝置及成形方法

有效

• 申請號: 201610139512.5
• 申請日: 2016-03-11
• 公開（公告）號: CN105728493B
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發明（設計）人: 滕杰;張斌;張輝;傅定發;譚傲霜;曾祥
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: B21C37/04
• 分類號: B21C37/04;B21C25/02;B21J13/02;B21J5/08
• 代理公司: 北京眾元弘策知識產權代理事務所(普通合伙)11462
• 代理人: 安娜

技術領域

本發明涉及的是一種大塑性變形技術領域的裝置和方法，具體是一種用于制備超細晶材料的扭擠墩復合大塑性變形裝置及其加工方法，使用原材料為鋁合金和鎂合金。

背景及現有技術

鋁合金或鎂合金等輕金屬結構材料在汽車、航空航天、軍工等領域應用的日益增加，對其性能要求也越來越高，制備具有高比強度和良好強塑性匹配的合金材料一直是材料科學領域研究的熱點之一。通過細化晶粒和調整晶粒結構與取向是進一步提高合金性能且不損害其延性的有效強化方法，而大塑性變形方法(severe plastic deformation,簡稱SPD)在制備細晶或超細晶合金以及改善合金微觀組織結構方面具有獨特的優勢。根據霍爾-佩奇經驗公式可知，在一定晶粒尺寸范圍內由于晶粒細化可促使材料強度大幅增加。但晶粒尺寸細化到一定程度(特別是達到亞微米甚至納米級)后，就不再是細晶強化這個單一機制在作用了，而是幾種強化機制耦合作用起主導。大塑性變形可定義為在金屬材料成形過程中將超大塑性應變作用于一定體積的金屬中以獲得超細晶材料的過程，即通過特定的加工手段或路徑使材料獲得較大累積應變量實現高效強化的一類工藝方法。SPD技術被材料界公認為是制備塊體納米或超細晶材料最有前途方法之一，已廣泛用于高性能的純金屬、合金、金屬間化合物、復合材料等制備過程中。

目前，等通道轉角擠壓(equal channel angular pressing，ECAP)、往復擠壓(cyclic extrusion compression，CEC)和高壓扭轉(high pressure and torsion，HPT)等為代表的SPD技術逐漸成為本領域的研究熱點方向之一。ECAP工藝是前蘇聯學者Segal于1977年在專利(USSR Patent No.575892)中提出，該技術成形時坯料流經兩個呈一定交角(包括內、外兩側)型腔通道時受到純剪切變形作用，由于型腔橫截面形狀及面積不變，故反復多次擠壓可獲得較大累積應變量，達到品粒細化并改善力學性能的效果。經過近二十余年的不斷發展，ECAP方法已成為應用最廣泛的SPD技術之一。隨著研究的不斷深入，先后演變并發展出了旋轉模ECAP、邊擠模ECAP、多道次ECAP、連續ECAP、輥軋ECAP及管狀P TCAP等多種方法，不僅豐富了ECAP加工手段并促進了效率的提高。但ECAP法在轉角處內外兩側的變化量存在差異，對所得合金制品組織性能的整體均勻性存在一定影響。

往復擠壓技術最早由J.Richert和M.Richert提出，該技術成形時坯料經擠壓孔往復從A腔流向B腔、從B腔流向A腔，經多道次循環后累計較大應變量。隨后，研究者們對CEC工藝進行了改進。c型(C shape equal channel reciprocating extrusion，CECRE)、S型和U型等不同的ECAP模結構相繼被采用。ZANGIABADI等提出與其類似的管通道擠壓(tube channel pressing，TCP)。PARDIS等提出了相似的往復膨脹擠壓法(cyclic expansion—extrusion，CEE)，豐富了現有模具結構形式的設計思路，提供了新的技術手段。ZAHARIA等將擠壓和鐓粗兩個獨立工序連續使用，進而提出了循環擠壓一鐓粗法(repetitive extrusion and upsetting，REU)，進一步增強了制備效果并擴大了應用范圍

HPT變形即在室溫或低于0.4T溫度條件下對置于模槽中的原始試樣施加數個GPa的壓力，同時沖頭轉動通過主動摩擦在其橫截面上產生扭矩，促使變形體產生軸向壓縮和切向剪切變形的SPD技術。此外，與其相似的高壓扭管(high—pressure tube twisting，HPTT)技術已用于純銅、純鋁和IF鋼等材料的實驗研究。利用HPT變形時模具要承受高壓且制備材料的尺寸相對較小。此外，還發展出了反復疊軋技術(accumulative roll bonding,ARB)、多向壓縮或鍛造(MAC/F)、板材連續剪切變形法(C2S2)、多級連續ECAP變形法(MP-ECAP)、旋轉模具ECAP技術(RD-ECAP)等，同時也出現了多種方法組合而成的變形過程，如ECAP與HPT的組合，ECAP與冷軋組合等。總而言之，上述方法在一定條件下可實現材料的大塑性變形，但存在各自的缺陷，如需要對材料進行反復的加工(即大變形加工)，對設備條件要求較高，如何簡化加工過程，提高細化晶粒的效率，成為SPD新的研究方向。