专利名称：变截面剪切挤压技术的制作方法
技术领域：
本发明属于通过机械加工制备高性能金属材料技术领域，是一种简单挤压产生剧烈塑性变形制备超细晶以提高金属力学及机械性能的方法。
背景技术：
在金属材料的多种强化方式中，细晶强化可同时提高材料的强度和韧性，超细晶材料由于其优越的力学及机械性 能一直以来就是科学研究的重点方向。大塑性变形技术(Severe Plastic Deformation,简称SPD)具有强烈的晶粒细化能力，可以直接将材料内部组织细化到亚微米乃至纳米级，已被国际材料学界公认为是制备块状纳米和超细晶材料最有前途的方法。大塑性变形技术主要包括等通道转角挤压(Equal Channel Angular Pressing, ECAP)、累积车L (AccumulativeRoll Bonding, ARB)、往复挤压(Cyclic Extrusion Compression,CEC)、多向锻造(Muhiple Forging)和连续变断面循环挤压法等。受到各行业对高性能材料强烈需求的推动，国内外对细晶材料及其制备技术的研究十分活跃。之前也有报告提出剪切挤压变形的方法，在特定的挤压通道内，材料横截面积不发生变化，而横截面形状发生变化。方形试样在通道内先挤压变形为平行四边形，后还原为方形，此过程经历的剧烈塑性变形，产生了大量超细晶。但上述方法中段方形材料变形成平行四边形，材料内部必会产生一定的损伤,使材料的力学及机械性能下降。在此背景下本发明提出一种新式的剧烈塑性变形方法一变截面剪切挤压变形制备闻强度的超细晶材料。
发明内容
本发明针对目前剪切挤压制备超细晶微观损伤严重的问题，给出了一种新型塑性成形方法制备工程结构用高质量块体材料的新方法，具有既能发挥剧烈塑性成形强烈剪切变形细化晶粒的能力，同时又能通过提高变形区静水压力闭合成形过程中的微缺陷，显著提闻所制备的超细晶材料质量。
图I是通道结构三维示意图；图2是入口材料横截面图，中段变形横截面图，出口材料横截面图；图3是入口材料横截面图，中段变形横截面图，出口材料横截面图；图4是入口材料横截面图，中段变形横截面图，出口材料横截面图。剪切挤压变形过程中，变形区截面面积保持不变，几何形状发生变化，例如斜双鼓形等形状，如图2，根据静水压力大于零时可对材料内部结构有修复作用的原理，可大大改善材料的力学及机械性能，达到更高的生产要求。本发明主要包括以下内容I.剪切挤压变形时，变形区截面面积保持不变，变形可以累积，可进行多道次加工直到材料性能满足要求。2.改变变形区金属垂直法线方向的金属流体特征，形成压应力，修复微观材料缺陷。本发明工作原理挤压材料使其通过特定形状的通道，过程中产生剪切变形，变形前后材料横截面积不发生改变，此过程可重复实现应变累积。同时，中段变形为双鼓形， 变形区材料承受三向静水压力，可以修复微观材料缺陷。
具体实施例方式本发明具体实施过程中涉及坯料的制备、挤压设备的选择、剧烈剪切挤压模具的制造、剧烈塑性成形挤压变形以及经剧烈塑性成形后的材料组织结构及性能的测试分析。一、根据最终成形材料构件的几何尺寸设计加工相应的坯料。由于剪切挤压不改变材料变形前后截面形状，可以反复变形，因此坯料几何尺寸可以与最终所需材料几何尺寸相同，仅留少量加工余量即可。二、模具的制造。根据对成形材料构件的要求设计挤压通道模具。三、根据剧烈塑性成形工艺进行变截面形状剪切挤压剧烈塑性成形，依托交替的剧烈轴对称剪切变形进行晶粒细化。在此需要注意的是剧烈塑性成形过程需要配合良好的润滑，可选用二硫化钥或高性能纳米润滑剂。四、对完成加工过程的棒材进行宏观材料性能及微观组织测试，分析最终材料性能及组织特点，对于未满足设计要求的棒材进行进一步复合剧烈塑性成形加工。五、最终成形件的表面处理、截断及后继加工。对于经测试分析的材料进行表面处理，并根据零件尺寸进行截断及后继加工。实施例I边长IOmm正方形截面制备低损伤超细晶铝合金型材。首先，加工坯料，考虑到表面质量及后继表面处理加工精度的要求，可选择IlXllmm的正方形截面铝合金棒材，导r=Imm圆角，长度可根据实际需求确定。其次，按照如下图2所示制作挤压通道模具。再次计算挤压力，根据挤压力及生产条件选择挤压设备并加工制造相应的变截面剪切挤压模具，在满足挤压吨位的要求下，挤压设备既可选用立式也可选用卧式挤压机。在此基础上进行变截面剪切挤压剧烈塑性成形，润滑可选用二硫化钥或高性能纳米润滑剂。最终通过组织性能测试确定微观组织满足设计要求后，如对表面质量有要求则可通过机械加工方式对所加工棒材进行表面处理。实施例2制备IOmmX 20mm矩形截面TA系列低损伤钛合金型材微纳米多晶体。首先,加工坯料，可选择llX22mm长方形截面铝合金棒材，导r = Imm圆角，长度可根据实际需求确定。其次按照如下图3所示制作挤压通道模具。再次计算挤压力，根据挤压力及生产条件选择挤压设备并加工制造相应的变截面剪切挤压模具，在满足挤压吨位的要求下，挤压设备既可选用立式也可选用卧式挤压机。在此基础上进行变截面剪切挤压剧烈塑性成形，润滑可选用二硫化钥或高性能纳米润滑剂。最终通过组织性能测试确定微观组织满足设计要求后,如对表面质量有要求则可通过机械加工方式对所加工棒材进行表面处理。
权利要求
1.本发明针对目前剪切挤压制备超细晶微观损伤严重的问题，给出了一种新型塑性成形方法制备工程结构用高质量块体材料的新方法，具有既能发挥剧烈塑性成形强烈剪切变形细化晶粒的能力，同时又能通过提高变形区静水压力闭合成形过程中的微缺陷，显著提闻所制备的超细晶材料质量。
本发明主要包括以下内容 1)剪切挤压变形时，变形区截面面积保持不变，变形可以累积，可进行多道次加工直到材料性能满足要求。
2)改变变形区金属垂直法线方向的金属流体特征，形成压应力，修复微观材料缺陷。
全文摘要
本发明属于通过机械加工制备高性能金属材料技术领域，是一种简单挤压产生剧烈塑性变形制备超细晶以提高金属力学及机械性能的方法，名称为变截面剪切挤压技术。本发明给出了一种新型塑性成形方法制备工程结构用高质量块体材料的新方法，并以制备低损伤超细晶铝合金型材与制备TA系列低损伤钛合金型材微纳米多晶体为实例进行了说明。
文档编号B21C23/00GK102873120SQ20121017922
公开日2013年1月16日 申请日期2012年6月1日 优先权日2012年6月1日
发明者李洪洋, 汪玲, 陈成, 李先超, 李江天 申请人:北京理工大学