一种晶粒尺寸梯度分布的缩径式往复挤压成型方法技术

本发明专利技术公开了一种晶粒尺寸梯度分布的缩径式往复挤压成型方法，在往复挤压通道中增加梯度成型通道，所述梯度成型通道沿模具外壁向中心凸起设置；将坯料放入往复挤压通道，沿往复挤压通道的一侧进行挤压，另一侧提供固定背压，坯料流入梯度成型通道后墩粗变形，待坯料完全流入另一侧通道后，然后沿往复挤压通道进行反向挤压；往复多次完成坯料的多道次成型。本发明专利技术适用于表层为纳米晶或超细晶、芯部为粗晶，晶粒尺寸由表层至芯部呈梯度分布的材料制备，表层晶粒细化效果显著，表面细晶区明显。所制备的晶粒尺寸呈梯度分布，单道次往复挤压后棒材表层为约2mm厚，晶粒尺寸为500nm左右的超细晶层，芯部晶粒尺寸约为50μm。模具不易损耗，操作简单，实用性好，易于工业化应用。

【技术实现步骤摘要】
一种晶粒尺寸梯度分布的缩径式往复挤压成型方法
本专利技术涉及一种材料加工技术，尤其涉及的是一种晶粒尺寸梯度分布的缩径式往复挤压成型方法。
技术介绍
材料作为21世纪三大支柱产业之一，在国家建设的各个领域发挥着重要的作用。近年来，随着医疗、交通、电力、航空等各领域的快速发展，对兼具高强度与高塑性的材料的需求也越来越强烈。然而，在大多数情况下，当金属的强度提升到一定程度后，其塑性和韧性会下降，使强度一塑性呈倒置关系，成为金属材料科学发展的瓶颈问题之一。近年来，研究发现当材料表层为纳米晶或超细晶、芯部为粗晶，且晶粒尺寸由表层至芯部呈梯度分布时，材料可以兼具高强度及优良的塑性。对现有梯度结构材料的文献检索发现，K.Lu等人在《Science》发表“Makingstrongnanomaterialsductilewithgradients”梯度结构原理制备强韧纳米材料，(2014,345(6203):1455.)指出当钢、铜、铝等材料的晶粒尺寸细化至纳米尺度时可以得到较高的强度，但由于应力集中，其塑性显著降低，而当材料表层为纳米晶或超细晶、芯部为粗晶，且晶粒尺寸由表层至芯部呈梯度分布时，可以使材料兼具优良的塑性及高强度；T.H.Fang等人在《Science》发表“RevealingExtraordinaryIntrinsicTensilePlasticityinGradientNano-GrainedCopper”梯度结构纳米晶铜具备优良塑性的原因，(2011,331(6024):1587.)，通过表面机械研磨在直径为6mm的铜棒表面得到约150微米厚的纳米层，同时铜棒的芯部仍为粗晶，晶粒尺寸由外到内呈梯度分布，实验结果表明当铜棒具有梯度结构时，其屈服强度是普通粗晶铜棒的两倍，同时其塑性也更高；R.Neugebauer等人在《MaterialwissenschaftUndWerkstofftechnik》发表“Gradationextrusion-Severeplasticdeformationwithdefinedgradient”通过梯度挤压实现变形量梯度分布的大塑性变形，(2012,43(7):582-588.)，论文对铝合金的梯度挤压进行梯度挤压模拟及实验，模拟结果表明，铝合金在单次梯度挤压后，其表面的应变量约为5，而心部应变量仅为1.2，实现了合金的应变量由外至内的梯度分布，但实验结果显示，坯料在变形后容易出现裂纹及弯曲等缺陷；MarkusBergmann等人在《AppliedMechanicsandMaterials》发表“Influencingthegradientofmaterialpropertiesbygradationextrusion”通过梯度挤压实现材料性能的梯度分布，(2015,794:166-173.)，研究表明，AlMgSi合金在梯度挤压后，坯料的硬度由中心的95HV逐渐提升至边缘的125HV，晶粒尺寸由外向内逐渐升高。但是，现有制备晶粒尺寸梯度分布材料的工艺中，表面机械研磨或喷丸处理获得的表面超细晶或纳米晶区厚度较小，一般不超过100微米；梯度挤压一般只能实现一道次挤压，不能使坯料累积更大的应变，表面晶粒的细化效果有限，此外挤压后的坯料还易出现裂纹及弯曲等缺陷。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于：如何实现材料表层晶粒细化以及如何控制细晶区范围，提供了一种晶粒尺寸梯度分布的缩径式往复挤压成型方法。本专利技术是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本专利技术包括以下步骤：(1)在往复挤压通道中增加梯度成型通道，所述梯度成型通道沿模具外壁向中心凸起设置；(2)将坯料放入往复挤压通道，沿往复挤压通道的一侧进行挤压，另一侧提供固定背压，坯料流入梯度成型通道后墩粗变形，待坯料完全流入另一侧通道后，然后沿往复挤压通道进行反向挤压；(3)往复多次完成坯料的多道次成型。作为本专利技术的优选方式之一，所述梯度成型通道沿中部向两侧为阶梯状的梯度成型单元。作为本专利技术的优选方式之一，所述阶梯状的梯度成型单元直径沿梯度成型通道的中部向两侧升高。作为本专利技术的优选方式之一，所述梯度成型通道沿中部向两侧对称设置。所述往复挤压通道和梯度成型通道为组合式凹模，所述组合式凹模包括上模和下模，所述上模和下模的内腔包括依次连通的左侧挤压通道、中间梯度成型通道和右侧挤压通道。所述左侧挤压通道的入口端设置有用于提供挤压和背压的左侧液压缸，所述右侧挤压通道的入口端设置有用于提供挤压和背压的右侧液压缸。本专利技术相比现有技术具有以下优点：本专利技术提供的制备材料表层为纳米晶或超细晶、芯部为粗晶，且晶粒尺寸由表层至芯部呈梯度分布的梯度缩径式往复挤压成型方法，将梯度挤压与往复挤压有机结合，实现高度对称结构的双冲头梯度缩径式往复挤压，通过挤压道次的提升，使表面晶粒持续细化，解决梯度挤压不能使坯料积累较大应变、表面晶粒的细化效果有限的缺点，并可通过变化往复挤压道次，调整细晶层厚度；本专利技术在变形过程中坯料始终充填型腔，表层面金属始终沿磨具模具梯度成型通道左右两侧的表面流动，产生局部强剪切变形，使左右两个梯度成型通道在变形过程可共同细化坯料表面晶粒，其特点是坯料表面的金属在每道次变形后均可实现较大的应变累积；本专利技术采用双冲头挤压，材料变形过程中处于三向压应力状态，静水压力大，增强材料塑性，有利于愈合变形过程中材料的缺陷和损伤，预防裂纹的产生或扩展，显著提高材料的塑性变形能力；本专利技术在任一道次变形过程中，是以其中一个冲头作主动冲头提供挤压力，另一个冲头即作背压体提供背压力，实现了多道次往复成型而不必重复放置试样，能迅速有效累积大的变形量，简化操作流程，节省成本；本专利技术方法基于组合式凹模，其组合式凹模可随上滑块运动而随时打开，便于变形试样的取出，操作简便；本专利技术提供的梯度缩径式往复挤压成型方法，特别适用于表层为纳米晶或超细晶、芯部为粗晶，晶粒尺寸由表层至芯部呈梯度分布的材料制备，表层晶粒细化效果显著，表面细晶区明显。试验结果表明，该成型方法所制备的晶粒尺寸呈梯度分布，单道次往复挤压后棒材表层为约2mm厚，晶粒尺寸为500nm左右的超细晶层，芯部晶粒尺寸约为50μm。模具不易损耗，操作简单，实用性好，易于工业化应用。附图说明图1是本专利技术的组合式凹模的模具工装图；图2是图1组合式凹模的剖视图；图3是梯度成型通道的局部示意图；图4是各道次梯度式往复挤压后应变分布图；图5是坯料成型后的示意图；图6是一道次梯度式往复挤压后金像组织分布图。具体实施方式下面对本专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。如图1～图3所示，本实施例利用三向液压成型机实现，本实施例的组合式凹模内腔包括上模1和下模2，上模1和下模2的内腔包括依次连通的左侧挤压通道4、中间的梯度成型通道5和右侧挤压通道6。所述左侧挤压通道4和右侧挤压通道6上分别设置有一个冲头，所述左侧挤压通道4的入口端设置有用于提供挤压和背压的左侧液压缸，左侧挤压通道4通过左侧冲头7连接到左侧液压缸，所述右侧挤压通道6的入口端设置有用于提供挤压和背压的右侧液压缸，右侧挤压通道6通过右侧冲头8连接到右侧液压缸。具体的成型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种晶粒尺寸梯度分布的缩径式往复挤压成型方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在往复挤压通道中增加梯度成型通道，所述梯度成型通道沿模具外壁向中心凸起设置；(2)将坯料放入往复挤压通道，沿往复挤压通道的一侧进行挤压，另一侧提供固定背压，坯料流入梯度成型通道后墩粗变形，待坯料完全流入另一侧通道后，然后沿往复挤压通道进行反向挤压；(3)往复多次完成坯料的多道次成型。

【技术特征摘要】
1.一种晶粒尺寸梯度分布的缩径式往复挤压成型方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在往复挤压通道中增加梯度成型通道，所述梯度成型通道沿模具外壁向中心凸起设置；(2)将坯料放入往复挤压通道，沿往复挤压通道的一侧进行挤压，另一侧提供固定背压，坯料流入梯度成型通道后墩粗变形，待坯料完全流入另一侧通道后，然后沿往复挤压通道进行反向挤压；(3)往复多次完成坯料的多道次成型。2.根据权利要求1所述的一种晶粒尺寸梯度分布的缩径式往复挤压成型方法，其特征在于，所述梯度成型通道沿中部向两侧为阶梯状的梯度成型单元。3.根据权利要求2所述的一种晶粒尺寸梯度分布的缩径式往复挤压成型方法，其特征在于，所述阶梯状的梯度成型...

【专利技术属性】
技术研发人员：李萍，吴广善，薛克敏，严思梁，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34