本发明涉及材料领域，尤其是涉及一种改善原位颗粒增强铝基复合材料颗粒分布均匀性的设备及应用。
背景技术：
随着现代科学技术的发展，实际应用中对材料性能的要求变得更加苛刻。特别是在航空航天、兵器制造等高尖端领域，结构材料在要求具备高强度高塑性的同时，还应该具有高的比刚度和比模量。而传统的金属材料，很难满足如此复杂的性能要求。比如，传统的钢铁材料，虽然其强度和塑性都较好，但是其密度太大，不适合大量应用于航空航天等对构件比强度有较高要求的领域；而钛合金，虽然强度较高，但密度仍然不够轻量化，同时其塑性及加工能力也并不理想；而传统的铝合金，虽然其密度小，塑性及加工性能优，但是其绝对强度又不如钢铁材料和钛合金。因此，为满足一些高尖端领域对结构材料的复杂苛刻要求，金属基复合材料应运而生。
在众多金属基复合材料中，颗粒增强铝基复合材料由于其比强度高，比模量大，且可通过改变增强体颗粒的种类、颗粒大小以及体积分数等参数来调整复合材料的性能，以满足不同应用领域的性能要求，受到了广泛的关注与研究。颗粒增强铝基复合材料按照颗粒增强体的引入方法不同，可分为外加颗粒增强和原位颗粒增强。外加颗粒增强铝基复合材料的陶瓷增强相是在复合材料制备过程中，通过陶瓷颗粒与基体粉末的混合烧结(粉末冶金工艺)或者提前制备颗粒增强相预制块(挤压铸造)等方法，将颗粒增强相外加入基体铝合金中。外加颗粒增强铝基复合材料的优点是陶瓷颗粒分布均匀，增强相体积分数可以按需调整，且可以制备高增强相体积分数(大于50％)的复合材料，但外加陶瓷颗粒粒径通常较大(至少为微米级)，且由于增强相体积分数较大，复合材料塑性往往较低，同时机加工性能较差。原位颗粒增强铝基复合材料是通过铝基体中的熔体反应直接生成陶瓷颗粒，自生陶瓷颗粒尺寸小(微纳米级别)，且原位自生的陶瓷增强相体积分数往往小于10％，使复合材料由于陶瓷增强相的加入提高强度和模量的同时，能有效保持铝合金基体的塑性及机加工的能力。因此，原位颗粒增强铝基复合材料在航空航天及兵器制造领域具有广泛的应用前景。原位颗粒增强铝基复合材料的制备过程是控制熔体自生反应和液相凝固的过程，由于自生反应生成的陶瓷颗粒为微纳米级别(小于500nm)，大量的微纳米颗粒在铝合金熔体中由于界面能的驱动会团聚在一起，并在后续的凝固过程中被固液界面前沿推移，最终在基体凝固组织的晶界处发生大量团聚。
目前，消除原位颗粒增强铝基复合材料铸态组织中大量颗粒团聚的方法，主要是后续的塑性变形加工。而传统的塑性加工手段为单方向的挤压、轧制和锻造，在此变形过程中，大量原位颗粒团聚体往往也沿着变形方向集体移动，最终仍然聚集在基体铝合金板条状晶粒的晶界处。而最新发展的搅拌摩擦加工(固态搅拌)手段，虽然能在铸态材料中施加大量切应变，使复合材料内的原位颗粒团聚分散，但其设备工艺较复杂，成本高昂，往往还会在复合材料内引入孔洞等缺陷，且由于搅拌头尺寸较小或者设备的局限性，搅拌摩擦加工的试样尺寸往往较小。因此，对于原位颗粒增强铝基复合材料而言，急需一种简单易行的方法及设备来打散原位颗粒团聚体，改善复合材料基体铝合金中原位颗粒的分布均匀性。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种改善原位颗粒增强铝基复合材料颗粒分布均匀性的设备及其应用方法，有效打散铸造过程中原位颗粒的团聚体，工艺操作简单易行，低成本高效率，且可以生成大尺寸样品，解决了原位颗粒增强铝基复合材料内存在大量颗粒团聚的技术问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
改善原位颗粒增强铝基复合材料颗粒分布的设备，包括上压头，模具筒和模具头，所述的模具筒的中部设有贯通孔，所述的上压头及模具头与该贯通孔的形状相匹配，使用时将复合材料置于贯通孔内，上压头及模具头分别置于复合材料的上下表面并压紧。
所述的贯通孔的横截面为正方形结构。
所述的模具头上开设有凹坑，该凹坑的底部设有通孔与底部连通。
挤出后的复合材料的宽度为贯通孔边长的1/2，厚度小于等于贯通孔边长的1/2。
改善原位颗粒增强铝基复合材料颗粒分布设备的应用，采用以下步骤：
(1)将原位自生铸造得到的颗粒增强铝基复合材料进行合金元素的均匀化热处理；
(2)将均匀化后的铸态原位颗粒增强铝基复合材料置于模具筒的贯通孔内，上下分别用上压头及模具头压紧，然后进行一道次挤压；
(3)将一道次挤压后的原位颗粒增强铝基复合材料沿着第一次挤压方向进行取样，并将取出的试样表面抛光粗化；
(4)将一道次挤压后抛光粗化的原位颗粒增强铝基复合材料两片为一层，垂直正交叠层后置于模具筒的贯通孔内，上下分别用上压头及模具头压紧，然后进行二道次挤压；
(5)重复步骤(3)、(4)多次，经正交挤压完成后得到的原位颗粒增强铝基复合材料，再根据基体铝合金种类，进行T6热处理或者直接低温退火。
步骤(1)中的均匀化热处理温度为430～500℃，热处理时间为18～72h。
挤压时的温度控制在300～500℃，挤压试样与设备表面之间用石墨润滑。
步骤(3)取样时采用电火花切割，取出试样尺寸宽度为贯通孔边长的1/2，长度与为贯通孔边长相同，厚度为模具头挤出厚度，试样长度方向与第一道次挤压方向平行；采用机械抛光对试样的六个表面进行抛光，然后用80#砂纸研磨粗化。
步骤(4)垂直正交叠层的每一层由两片抛光粗化后的挤压态原位颗粒增强铝基复合材料组成的正方形平面，每层内两片挤压态原位颗粒增强铝基复合材料挤压方向相互平行，每相邻两层之间，原位颗粒增强铝基复合材料挤压方向相互垂直，复合材料堆叠完成后形成横截面与贯通孔一致的长方体，便于重复挤压。
步骤(5)中T6热处理针对于热处理强化基体合金，固溶温度为440～560℃，时间为60～120min，室温水淬，时效温度为120～190℃，时间为5～24h；低温退火主要对于不可热处理强化基体合金，退火温度为80～200℃，时间5～72h。
与现有技术相比，本发明设计了一套可实现多道次正交叠片挤压的模具设备，每道次挤压变形方向与上一道次挤压方向垂直。通过将原位颗粒增强铝基复合材料在此多道次正交叠片挤压模具中进行挤压变形，可以对颗粒增强铝基复合材料施加大量累计剪切应变，进而起到机械搅拌的作用，将复合材料内原位自生颗粒团聚体打散，使其均匀弥散分布于铝基体中，从而改善原位颗粒增强铝基复合材料的颗粒分布均匀性。本发明方法及设备，与传统的塑性加工手段单向挤压、轧制或者锻造相比，运用正交变形，可重复挤压，累积变形量大，具有更明显的原位颗粒分散效果。同时，与搅拌摩擦加工(固体搅拌)技术相比，操作简单，装备简易，成本低廉，且可以对大尺寸样品进行加工。
附图说明
图1为本发明的分解结构示意图。
图中，1-上压头、2-模具筒、3-模具头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例是以本发明技术方案为前提下进行实施，并给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
实验以铸造得到的原位自生5wt.％TiB2/7050Al复合材料，其铸态组织中大量的TiB2颗粒团聚于晶界处。将铸造得到的原位自生5wt.％TiB2/7050Al复合材料在465℃下，进行合金元素均匀化24h后，在450℃下进行二道次正交叠片挤压，挤压后复合材料组织内基体铝合金晶界处的原位颗粒团聚体被打散，TiB2颗粒均匀分布于基体合金中。通过对二道次正交挤压后的5wt.％TiB2/7050Al复合材料在470℃下固溶70min，并在120℃下时效20h后，进行力学性能表征，具有10％以上的塑性，说明原位5wt.％TiB2/7050Al复合材料基体组织内的颗粒团聚体被完全打散。
实施例2
实验以铸造得到的原位自生5wt.％TiB2/2024Al复合材料，其铸态组织中存在大量的TiB2颗粒团聚于晶界处。将铸造得到的原位自生5wt.％TiB2/2024Al复合材料在490℃下，进行合金元素均匀化48h后，在450℃下进行四道次正交叠片挤压，挤压后复合材料组织内基体铝合金晶界处的原位颗粒团聚体被打散，TiB2颗粒均匀分布于基体合金中，原位自生5wt.％TiB2/2024Al复合材料内的颗粒分布均匀性得到改善。
实施例3
改善原位颗粒增强铝基复合材料颗粒分布的设备，其结构如图1所示，包括上压头1，模具筒2和模具头3，模具筒2的中部设有横截面为正方形结构的贯通孔，边长为d，上压头1及模具头3与该贯通孔的形状相匹配，使用时将复合材料置于贯通孔内，上压头及模具头分别置于复合材料的上下表面并压紧。模具头3上还开设有凹坑，该凹坑的底部设有通孔与底部连通。
改善原位颗粒增强铝基复合材料颗粒分布设备的应用，采用以下步骤：
(1)将原位自生铸造得到的颗粒增强铝基复合材料进行合金元素的均匀化热处理72h，处理温度控制在430℃；
(2)将均匀化后的铸态原位颗粒增强铝基复合材料置于模具筒的贯通孔内，上下分别用上压头及模具头压紧，然后进行一道次挤压，挤压时的温度控制在300℃，挤压试样与设备表面之间用石墨润滑；
(3)将一道次挤压后的原位颗粒增强铝基复合材料沿着第一次挤压方向进行取样，取样时采用电火花切割，取出试样尺寸宽度为d/2，长度为d，厚度为模具头挤出厚度，试样长度方向与第一道次挤压方向平行，并采用机械抛光对试样的六个表面进行抛光，然后用80#砂纸研磨粗化；
(4)将一道次挤压后抛光粗化的原位颗粒增强铝基复合材料两片为一层，垂直正交叠层后置于模具筒的贯通孔内，垂直正交叠层是将每一层由两片尺寸为d/2×d的抛光粗化后的挤压态原位颗粒增强铝基复合材料组成d×d的正方形平面，每层内两片挤压态原位颗粒增强铝基复合材料挤压方向相互平行，每相邻两层之间，原位颗粒增强铝基复合材料挤压方向相互垂直，复合材料堆叠完成后形成横截面为d×d的长方体，上下分别用上压头及模具头压紧，然后进行二道次挤压，挤压时的温度控制在300℃，挤压试样与设备表面之间用石墨润滑；
(5)重复步骤(3)、(4)多次，经正交挤压完成后得到的原位颗粒增强铝基复合材料，再进行T6热处理，控制固溶温度为440℃，时间为120min，室温水淬，时效温度为120℃，时间为24h。
实施例4
改善原位颗粒增强铝基复合材料颗粒分布的设备，其结构如图1所示，包括上压头1，模具筒2和模具头3，模具筒2的中部设有横截面为正方形结构的贯通孔，边长为d，上压头1及模具头3与该贯通孔的形状相匹配，使用时将复合材料置于贯通孔内，上压头及模具头分别置于复合材料的上下表面并压紧。模具头3上还开设有凹坑，该凹坑的底部设有通孔与底部连通。
改善原位颗粒增强铝基复合材料颗粒分布设备的应用，采用以下步骤：
(1)将原位自生铸造得到的颗粒增强铝基复合材料进行合金元素的均匀化热处理18h，处理温度控制在500℃；
(2)将均匀化后的铸态原位颗粒增强铝基复合材料置于模具筒的贯通孔内，上下分别用上压头及模具头压紧，然后进行一道次挤压，挤压时的温度控制在500℃，挤压试样与设备表面之间用石墨润滑；
(3)将一道次挤压后的原位颗粒增强铝基复合材料沿着第一次挤压方向进行取样，取样时采用电火花切割，取出试样尺寸宽度为d/2，长度为d，厚度为模具头挤出厚度，试样长度方向与第一道次挤压方向平行，并采用机械抛光对试样的六个表面进行抛光，然后用80#砂纸研磨粗化；
(4)将一道次挤压后抛光粗化的原位颗粒增强铝基复合材料两片为一层，垂直正交叠层后置于模具筒的贯通孔内，垂直正交叠层是将每一层由两片尺寸为d/2×d的抛光粗化后的挤压态原位颗粒增强铝基复合材料组成d×d的正方形平面，每层内两片挤压态原位颗粒增强铝基复合材料挤压方向相互平行，每相邻两层之间，原位颗粒增强铝基复合材料挤压方向相互垂直，复合材料堆叠完成后形成横截面为d×d的长方体，上下分别用上压头及模具头压紧，然后进行二道次挤压，挤压时的温度控制在400℃，挤压试样与设备表面之间用石墨润滑；
(5)重复步骤(3)、(4)多次，经正交挤压完成后得到的原位颗粒增强铝基复合材料，再进行T6热处理，控制固溶温度为560℃，时间为60min，室温水淬，时效温度为190℃，时间为5h。
实施例5
采用的设备与方法与实施例4大致相同，不同之处在于，本实施例处理的试样是不可热处理强化基体合金，经正交挤压完成后得到的原位颗粒增强铝基复合材料直接低温退火，控制退火温度为80℃，处理72h。
实施例6
采用的设备与方法与实施例4大致相同，不同之处在于，本实施例处理的试样是不可热处理强化基体合金，经正交挤压完成后得到的原位颗粒增强铝基复合材料直接低温退火，控制退火温度为200℃，处理5h。