本發(fā)明涉及材料制備加工方法技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種超細(xì)晶棒材的閉塞式變截面往復(fù)擠扭鐓成形方法。

背景技術(shù)：

金屬棒材在制造業(yè)、交通業(yè)、建筑業(yè)等行業(yè)中應(yīng)用廣泛，對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重要作用，超細(xì)晶棒材相比普通棒材具有更高的強(qiáng)度和塑性，其經(jīng)濟(jì)效益和適用范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通棒材。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)超細(xì)晶棒材多采用反復(fù)熱軋的方法，但反復(fù)熱軋工藝復(fù)雜，條件控制嚴(yán)格，對(duì)設(shè)備要求較高，尤其大批量生產(chǎn)時(shí)成本較高。近年來，利用大塑性變形工藝細(xì)化晶粒以提高材料性能的方法得到了廣泛的關(guān)注。對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，楊思宇在《熱加工工藝》(2016，45(9)：121-123)上發(fā)表的《多向鍛造對(duì)mg-13gd-4y-0.5zr鎂合金組織及力學(xué)性能的影響》上指出，多向鍛造可以細(xì)化鎂合金晶粒，提高鎂合金的硬度，并且道次越多，細(xì)化效果越明顯。唐群華在《材料工程》(2015，43(12)：45-51)上發(fā)表的《al0.3cocrfeni高熵合金高壓扭轉(zhuǎn)過程中的組織結(jié)構(gòu)演變》中提出，高壓扭轉(zhuǎn)可以顯著細(xì)化晶粒，經(jīng)過高壓扭轉(zhuǎn)后的金屬平均晶粒尺寸可達(dá)30nm，變形后材料的硬度相對(duì)原始坯料提高了約2.5倍。但在現(xiàn)有的大塑性變形工藝中，多向鍛造變形量有限，細(xì)化晶粒效果較差；等徑角擠壓所獲得的材料組織不均勻，且變形過程中存在沖頭偏載的問題；高壓扭轉(zhuǎn)細(xì)化效果好，但無法制備大尺寸超細(xì)晶材料，其工程應(yīng)用受限?，F(xiàn)有的大塑性變形工藝均不適合于超細(xì)晶棒材的制備，難以滿足工業(yè)生產(chǎn)對(duì)超細(xì)晶棒材制備工藝的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有制備棒材技術(shù)的缺陷，提供一種操作簡(jiǎn)單、晶粒細(xì)化效果明顯、可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模超細(xì)晶棒材制備的超細(xì)晶棒材的閉塞式變截面往復(fù)擠扭鐓成形方法。

本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明超細(xì)晶棒材的閉塞式變截面往復(fù)擠扭鐓成形方法的特點(diǎn)是：所述成形方法基于三向液壓成形機(jī)，由所述三向液壓成形機(jī)的上滑塊為具有上下分模形式的模具提供合模力，左滑塊和右滑塊提供兩端沖頭成形所需的壓力；設(shè)置模具內(nèi)腔是由第一擠壓通道、中間扭轉(zhuǎn)通道和第二擠壓通道在同一直線上依次連接形成的“一”字通道，所述中間扭轉(zhuǎn)通道的截面面積小于第一擠壓通道和第二擠壓通道的截面面積；兩端沖頭一一對(duì)應(yīng)地位于“一”字通道的兩端，利用往復(fù)移動(dòng)的兩端沖頭形成閉塞的變截面型腔；

設(shè)定第二擠壓通道所在一端的沖頭為恒壓，在第一擠壓通道所在一端的沖頭壓力作用下，待加工坯料由第一擠壓通道流入中間扭轉(zhuǎn)通道，經(jīng)過扭轉(zhuǎn)變形后流入第二擠壓通道，直至待加工坯料完全從第一擠壓通道流出；隨后設(shè)定第一擠壓通道所在一端的沖頭為恒壓，在第二擠壓通道所在一端的沖頭壓力作用下，待加工坯料由第二擠壓通道流入中間扭轉(zhuǎn)通道，經(jīng)過扭轉(zhuǎn)變形后流入第一擠壓通道，直至待加工坯料完全從第二擠壓通道流出，得到一道次成形試樣；按相同的方式經(jīng)多道次成形完成超細(xì)晶棒材的制備。

本發(fā)明超細(xì)晶棒材的閉塞式變截面往復(fù)擠扭鐓成形方法的特點(diǎn)也在于：所述中間扭轉(zhuǎn)通道是非圓形橫截面的螺旋形扭轉(zhuǎn)通道；螺旋形扭轉(zhuǎn)通道沿軸向上各橫截面的形狀相同、橫截面面積相等，螺旋形扭轉(zhuǎn)通道與第一擠壓通道和第二擠壓通道呈圓弧過渡連接。

本發(fā)明超細(xì)晶棒材的閉塞式變截面往復(fù)擠扭鐓成形方法的特點(diǎn)也在于：所述第一擠壓通道和第二擠壓通道的橫截面形狀相同、尺寸相同，并且在所述變截面型腔中呈左右對(duì)稱。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：

1、本發(fā)明復(fù)合了擠壓變形、扭轉(zhuǎn)變形和鐓粗變形，實(shí)現(xiàn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的雙沖頭往復(fù)擠扭鐓，有效解決了扭轉(zhuǎn)變形所存在的沖頭受力不均勻問題，提高材料在變形過程中的沖頭受力的均勻性，延長(zhǎng)模具壽命。

2、本發(fā)明采用雙沖頭擠壓，使材料在變形過程中始終處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，防止裂紋的萌生和擴(kuò)展，顯著提高材料的變形能力和成形極限。

3、本發(fā)明中扭轉(zhuǎn)通道的橫截面面積小于擠壓通道橫截面面積，在每道次變形過程中一次完成了擠壓變形、扭轉(zhuǎn)變形和鐓粗變形，每道次變形量大、變形過程中靜水壓力大，制得棒材組織更加細(xì)小。

4、本發(fā)明利用擠壓變形、扭轉(zhuǎn)變形和鐓粗變形的復(fù)合，在鐓粗過程中降低了棒材在經(jīng)過擠壓和扭轉(zhuǎn)后的應(yīng)變分布不均勻性，經(jīng)過擠扭鐓后的棒材組織更加均勻。

5、本發(fā)明特別適用于超細(xì)晶棒材的制備，晶粒細(xì)化效果顯著。試驗(yàn)結(jié)果表明，該成形方法所制備的超細(xì)晶棒材組織均勻、平均晶粒尺寸為100nm～1μm。模具不易損耗，操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性好，易于工業(yè)化應(yīng)用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明成形設(shè)備中模具結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2a為高強(qiáng)鋁合金變形前電鏡圖；

圖2b為高強(qiáng)鋁合金經(jīng)本發(fā)明方法成形后的超細(xì)晶棒材電鏡圖；

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例中制備超細(xì)晶材料的閉塞式變截面往復(fù)擠扭鐓成形方法是基于三向液壓成形機(jī)，由三向液壓成形機(jī)的上滑塊為具有上下分模形式的模具提供合模力，左滑塊和右滑塊提供兩端沖頭成形所需的壓力。

如圖1所示，設(shè)置模具內(nèi)腔是由第一擠壓通道3、中間扭轉(zhuǎn)通道2和第二擠壓通道6在同一直線上依次連接形成的“一”字通道，中間扭轉(zhuǎn)通道2的截面面積小于第一擠壓通道3和第二擠壓通道6的截面面積；兩端沖頭一一對(duì)應(yīng)地位于“一”字通道的兩端，圖1中所示為兩端沖頭中的第一沖頭4位于第一擠壓通道3所在一端，第二沖頭7位于第二擠壓通道6所在一端，圖1中同時(shí)示出了具有上下分模形式的模具的底模1，以及制備中的待加工坯料5，利用往復(fù)移動(dòng)的兩端沖頭形成閉塞的變截面型腔。

設(shè)定第二擠壓通道6所在一端的第二沖頭7為恒壓，在第一擠壓通道3所在一端的第一沖頭4壓力作用下，待加工坯料5由第一擠壓通道3流入中間扭轉(zhuǎn)通道2，經(jīng)過扭轉(zhuǎn)變形后流入第二擠壓通道6，直至待加工坯料完全從第一擠壓通道流出；隨后設(shè)定第一擠壓通道所在一端的第一沖頭4為恒壓，在第二擠壓通道所在一端的第二沖頭7壓力作用下，待加工坯料5由第二擠壓通道6流入中間扭轉(zhuǎn)通道2，經(jīng)過扭轉(zhuǎn)變形后流入第一擠壓通道3，直至待加工坯料5完全從第二擠壓通道流出，得到一道次成形試樣；按相同的方式經(jīng)多道次成形完成超細(xì)晶棒材的制備。

具體實(shí)施中，中間扭轉(zhuǎn)通道2是非圓形橫截面的螺旋形扭轉(zhuǎn)通道，具體設(shè)置中間扭轉(zhuǎn)通道2的橫截面為方形更易于加工；螺旋形扭轉(zhuǎn)通道沿軸向上各橫截面的形狀相同、橫截面面積相等，螺旋形扭轉(zhuǎn)通道與第一擠壓通道3和第二擠壓通道6呈圓弧過渡連接。

本實(shí)施例中的第一擠壓通道3和第二擠壓通道6的橫截面形狀相同、尺寸相同，并且在變截面型腔中呈左右對(duì)稱。

本實(shí)施例中超細(xì)晶棒材的閉塞式變截面往復(fù)擠扭鐓成形方法是按如下步驟進(jìn)行：

步驟1、預(yù)熱模具，將加熱后的待加工坯料5放入第一擠壓通道3中，上下合模，形成閉塞型腔，完成放料合模；

步驟2、由第一沖頭對(duì)待加工坯料5施加擠壓力，待加工坯料5由第一擠壓通道3流入中間扭轉(zhuǎn)通道2，經(jīng)過扭轉(zhuǎn)變形后流入第二擠壓通道6，此時(shí)的第二沖頭7施加恒壓，使待加工坯料5發(fā)生鐓粗變形；當(dāng)待加工坯料5完全從第一擠壓通道3中流出后，轉(zhuǎn)而由第二沖頭7向待加工坯料5施加擠壓力，同時(shí)由第一沖頭4施加恒定壓力，直至待加工坯料5完全從第二擠壓通道6中流出后得到一道次成形試樣；

步驟3、重復(fù)步驟2實(shí)現(xiàn)待加工坯料的多道次成形，經(jīng)卸壓開模獲得多道次成形棒材。

步驟4、將第一沖頭4和第二沖頭7在兩端退回，上滑塊歸位，卸壓開模，得到多道次成形后棒材。

采用本實(shí)施例中成形方法以高強(qiáng)鋁合金作為待加工坯料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以高強(qiáng)鋁合金為材質(zhì)，采用橫截面直徑為φ30，長(zhǎng)度為80mm的圓柱體作為待加工坯料，第一擠壓通道和第二擠壓通道的橫截面是內(nèi)徑為30mm的圓，擠壓比為3，中間扭轉(zhuǎn)通道的橫截面為方形，扭轉(zhuǎn)角度為90°，即螺旋形扭轉(zhuǎn)通道在兩端的端面相互呈90°的角度，實(shí)驗(yàn)過程如下：

首先，將第一沖頭、第二沖頭、模具以及待加工坯料預(yù)熱至350℃，將預(yù)熱后的待加工坯料置于第一擠壓通道內(nèi)，上滑塊下行，閉合模具，并施加300t的合模力；

將第二沖頭伸入第二擠壓通道，直至與第二擠壓通道的底部相抵觸，第一沖頭以2mm/s的速度進(jìn)入第一擠壓通道，經(jīng)過15mm的導(dǎo)向長(zhǎng)度后，第一沖頭繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，待加工坯料在擠壓力的作用下進(jìn)入中間扭轉(zhuǎn)通道，金屬經(jīng)過中間扭轉(zhuǎn)通道后流入第二擠壓通道與第二沖頭相接觸，此時(shí)設(shè)置第二沖頭的恒定壓力為50t，第一沖頭繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，第一擠壓通道中的待加工坯料在第一沖頭和第二沖頭的作用下開始發(fā)生鐓粗變形直至充滿第二通道；當(dāng)?shù)谝粵_頭與第一擠壓通道的底部相抵觸時(shí)停止擠壓；隨后，第二沖頭開始施壓擠壓力，同時(shí)對(duì)第一沖頭施加恒定壓力50t，當(dāng)?shù)诙_頭與第二擠壓通道的底部相抵觸時(shí)，待加工坯料即完成一道次閉塞式變截面往復(fù)擠扭鐓。

圖2a所示為變形前材料電鏡圖，經(jīng)過三道次擠扭鐓后，得到組織較均勻，平均晶粒尺寸約為350nm的高強(qiáng)鋁合金超細(xì)晶棒材，其電鏡圖如圖2b所示。