一种形变驱动固相挤压装置及用该装置一步法制备合金棒材的方法制造方法及图纸

一种形变驱动固相挤压装置及用该装置一步法制备合金棒材的方法。本发明专利技术属于粉末冶金技术领域。本发明专利技术为了解决粉末冶金法制备合金结构材料过程中需要外加热源，耗时耗能，所得合金材料组织不够细化粗化，且孔隙率大、不够致密的技术问题。装置包括搅拌头、挤压容器和顶杆，搅拌头是由上安装体和下工作体构成的具有中空通道的一体结构，下工作体外表面设置有减阻槽，下工作体置于挤压容器的凹槽内，顶杆置于搅拌头的中空通道内。方法：将合金粉末置于挤压容器中，用搅拌头施加压力并高速旋转实现大塑性变形及摩擦形变热输入，烧结合金粉末并使其沿搅拌头中空通道挤出，一步制得超细晶合金棒材。本发明专利技术的方法，成本低、效率高、性能优异、节能环保。

A deformation driven solid-phase extrusion device and a one-step method for preparing alloy bar

【技术实现步骤摘要】
一种形变驱动固相挤压装置及用该装置一步法制备合金棒材的方法
本专利技术属于粉末冶金
，具体涉及一种形变驱动固相挤压装置及用该装置一步法制备合金棒材的方法。
技术介绍
金属结构材料在国民经济建设中发挥着重要的作用，为满足社会发展和国家安全对结构材料的更高要求，新型材料制备方法已成为突破传统材料局限性的重要途径。粉末冶金法，包括热压烧结、热等静压、等离子体放电烧结等，广泛应用于航空航天、交通运输、电力电子等行业。粉末冶金法作为一种经典的固相材料制备方式，相较于液相制备方式，具有性能优越、环保节能、成本低廉等优点。然而，目前的粉末冶金技术由于其工艺固有特性，在物理性能、力学性能和工艺等方面还存在着一定的缺陷：(1)晶粒组织不够细化。粉末制备所得的晶粒尺寸比铸造即液相方法要细小，但仍不能满足使用需求。因此，针对粉末冶金所制备的合金结构材料，往往后续需要冷变形或热变形加工的办法进一步细化其晶粒，提高材料的强度、硬度和塑性等力学性能；(2)存在孔隙率，组织不够致密。因为粉末冶金是将粉末直接烧结成为块体结构材料，在没有外加作用的辅助下，粉末间本身的间隙难以彻底消除，从而在一定程度上影响材料的导热导电性能和力学性能；(3)制备效率偏低。由于粉末烧结需要在一定的温度条件下进行，其升温和降温过程需要较长的时间，这使得粉末冶金技术的制备效率下降。针对以上三点，如能开发一种无需外加热源，且在制备过程中可实现组织超细晶化和致密化的技术，克服粉末冶金制备合金结构材料的固有局限性，提高粉末冶金材料的强度和耐磨性，将大大拓展粉末冶金的应用广度和深度。
技术实现思路
本专利技术为了解决粉末冶金法制备合金结构材料过程中需要外加热源，耗时耗能，所得合金材料组织不够细化粗化，且孔隙率大、不够致密的技术问题，而提出了一种在烧结过程中引入大塑性变形与形变产热，实现形变驱动固相挤压粉末一步法制备合金棒材的装置与方法。本专利技术的形变驱动固相挤压装置包括搅拌头、挤压容器和顶杆，搅拌头是由上安装体和下工作体构成的具有中空通道的一体结构，下工作体外表面设置有减阻槽，下工作体置于挤压容器的凹槽内，顶杆置于搅拌头的中空通道内。进一步限定，所述上安装体和下工作体均为圆柱体。进一步限定，所述上安装体直径略小于下工作体直径。进一步限定，所述下工作体直径与中空通道直径之比为(2：10)：1。进一步限定，在所述上安装体外表面加工出安装面。进一步限定，所述下工作体底部的摩擦工作面为内凹圆环面。进一步限定，所述内凹圆环面内凹5°。进一步限定，所述下工作体直径与挤压容器内壁直径相等。进一步限定，所述搅拌头材料为工具钢、硬质合金、钨铼合金或陶瓷，且硬度不低于合金粉末的硬度。进一步限定，所述挤压容器材料为镁合金、铝合金、锌合金、铜合金、钛合金、钢或硬质合金，且材料主元素与合金粉末一致。进一步限定，所述顶杆材料为工具钢、硬质合金、钨铼合金或陶瓷，且硬度不低于合金粉末的硬度。进一步限定，所述顶杆一端为膨大端部。膨大端部用于施加顶锻压力，使合金棒材更加致密，降低材料孔隙率。进一步限定，所述膨大端部直径与中空通道直径相等。工作原理：将挤压容器装夹在工装台上，搅拌头装夹在机器主轴上，装夹时夹持在上安装体的安装面处，顶杆穿过机器主轴置于搅拌头的中空通道内，通过位移控制搅拌头高速旋转并施加压力，通过压力控制的顶杆施加顶锻压力，引入大塑性变形并输入摩擦形变热，使挤压容器内的合金粉末烧结并使其沿搅拌头中空通道克服顶杆的顶锻压力挤出，一步制得超细晶合金棒材。本专利技术的用上述形变驱动固相挤压装置一步法制备合金棒材的方法按以下步骤进行：将合金粉末置于挤压容器内，设置搅拌头旋转速度为50rpm～10000rpm，搅拌头下压速度为0.1mm/min～10mm/min，顶杆顶锻压力为5MPa～50MPa，完成一步形变驱动固相挤压，得到合金棒材。进一步限定，所述合金粉末为镁合金粉末、铝合金粉末、锌合金粉末、铜合金粉末钛合金粉末、或钢粉末。进一步限定，所述一步形变驱动固相挤压在惰性气体保护下进行。进一步限定，所述惰性气体为氩气或氮气。本专利技术相较于传统粉末冶金方法，具有以下优点：1)、本专利技术无需外加热源，通过形变驱动固相挤压搅拌头与粉末直接接触引入摩擦形变热和大塑性变形，升温降温过程可在几秒内完成，成本低、效率高、性能优异、节能环保，是一种绿色低温烧结方法；2)、本专利技术通过引入大塑性变形，可促进合金材料在烧结过程有效破碎材料表面氧化膜，并挤出粉末间孔隙，使粉末直接烧结成为块体，合金棒材孔隙率低至0.05％，抗拉强度高达375MPa，延伸率可达15.2％；3)、本专利技术粉末烧结所需温度条件完全来源于摩擦产热和形变产热，这两类产热机制的产热速率负相关于材料流动应力，这实现了产热量的负反馈调节，将温度条件严格维持在材料动态再结晶所需温度下限附近，从而在实现组织持续动态再结晶的同时避免晶粒长大，获取超细晶组织，晶粒平均直径可达1.2μm；4)本专利技术通过下工作体上的减阻槽来降低形变驱动固相挤压过程中所需扭矩，避免搅拌头扭转断裂。5)、本专利技术应用范围广，可应用于绝大多数合金材料的形变驱动固相挤压制备。附图说明图1为本专利技术的形变驱动固相挤压装置的结构示意图，其中4为合金粉末，5为合金棒材；图2为搅拌头的结构示意图；图3为挤压容器的结构示意图；图4为顶杆的结构示意图；图5为具体实施方式一所得合金棒材的EBSD图像。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的一种形变驱动固相挤压装置包括搅拌头1、挤压容器2和顶杆3，搅拌头1是由上安装体1-1和下工作体1-2构成的具有中空通道1-3的一体结构，下工作体1-2外表面设置有减阻槽1-2-1，下工作体1-2置于挤压容器2的凹槽2-1内，顶杆3置于搅拌头1的中空通道1-3内，上安装体1-1和下工作体1-2均为圆柱体，在所述上安装体1-1外表面加工出安装面1-1-1，下工作体1-2底部的摩擦工作面1-2-2为内凹圆环面，顶杆3一端为膨大端部3-1；所述上安装体1-1直径为19.9mm；所述下工作体1-2直径为24mm；所述中空通道1-3直径为5mm；所述内凹圆环面内凹5；所述挤压容器2内壁直径与下工作体1-2直径相等；所述膨大端部3-1直径与中空通道1-3直径相等；所述搅拌头1材料为W6Mo5Cr4V2高速工具钢，维氏硬度850HV；所述挤压容器2材料为6082-T6铝合金，维氏硬度103HV；所述顶杆3材料为W6Mo5Cr4V2高速工具钢，维氏硬度850HV。工作原理：将挤压容器2装夹在工装台上，搅拌头1装夹在机器主轴上，装夹时夹持在上安装体1-1的安装面1-1-1处，顶杆3穿过机器主轴置于搅拌头1的中空通道1-3内，通过位移控制搅拌头1高速旋本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种形变驱动固相挤压装置，其特征在于，该装置包括搅拌头(1)、挤压容器(2)和顶杆(3)，搅拌头是由上安装体(1-1)和下工作体(1-2)构成的具有中空通道(1-3)的一体结构，下工作体(1-2)外表面设置有减阻槽(1-2-1)，下工作体(1-2)置于挤压容器(2)的凹槽(2-1)内，顶杆(3)置于搅拌头(1)的中空通道(1-3)内。/n

【技术特征摘要】
1.一种形变驱动固相挤压装置，其特征在于，该装置包括搅拌头(1)、挤压容器(2)和顶杆(3)，搅拌头是由上安装体(1-1)和下工作体(1-2)构成的具有中空通道(1-3)的一体结构，下工作体(1-2)外表面设置有减阻槽(1-2-1)，下工作体(1-2)置于挤压容器(2)的凹槽(2-1)内，顶杆(3)置于搅拌头(1)的中空通道(1-3)内。


2.根据权利要求1所述的一种形变驱动固相挤压装置，其特征在于，所述下工作体(1-2)直径与中空通道(1-3)直径之比为(2：10)：1。


3.根据权利要求1所述的一种形变驱动固相挤压装置，其特征在于，在所述上安装体(1-1)外表面加工出安装面(1-1-1)。


4.根据权利要求1所述的一种形变驱动固相挤压装置，其特征在于，所述下工作体(1-2)底部的摩擦工作面(1-2-2)为内凹圆环面。


5.根据权利要求4所述的一种形变驱动固相挤压装置，其特征在于，所述内凹圆环面内凹5°。


...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄永宪，谢聿铭，王非凡，孟祥晨，李峻臣，万龙，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23