一种三维空间梯度结构铝合金的制备系统及方法技术方案

本发明专利技术为一种三维空间梯度结构铝合金的制备系统及方法。包括滚压刀具和二维超声辅助驱动装置，滚压刀具设有多个不同规格的莱洛四面体型滚珠，滚珠的材质为GCr15，不同滚珠的表面粗糙度不同；二维超声辅助驱动装置包括两个超声驱动电源，分别调整超声振动方向使其对应于工作台上的x轴方向和z轴方向，即分别施加驱动和压下力。本发明专利技术在滚压过程中主要是依靠硬质压头与表面产生的摩擦力使金属材料表面塑性变形，产生的摩擦力越大，表面塑性变形越显著，摩擦力的大小与施加正压力和接触面粗糙度有关。在施加相同预加载力和振幅的条件下，可以改变莱洛四面体的规格的使样品表面产生不同程度的塑性变形，得到不同的晶粒细化效果。得到不同的晶粒细化效果。得到不同的晶粒细化效果。

【技术实现步骤摘要】
一种三维空间梯度结构铝合金的制备系统及方法


[0001]本专利技术属于材料制备领域，具体涉及一种三维空间梯度结构铝合金的制备系统及方法。

技术介绍

[0002]铝合金与其他金属相比具有许多优良的特性，如密度小、比刚度高、良好的加工性能和耐蚀性能等。因此，铝合金在航空航天、机械制造及船舶等领域具有广泛应用。其中，5052铝合金属于Al
‑
Mg系合金，耐蚀性好，成形加工性能优良，冷加工性较好，可应用在建筑行业、飞机、汽车等各个领域。由于5052系铝合金不具有时效强化效果，因此其强度相对较低；通过冷变形虽然可以使5052系铝合金的强度上升，但是拉伸塑性很大程度降低，这就严重限制了高强度5052系铝合金的应用前景。因此，如何突破5052系铝合金本身强度和塑性矛盾关系，制备出高强高韧的铝合金材料具有重要的科学意义和应用价值。
[0003]目前纳米异构材料由于其独特强韧化机理及良好的“强度
‑
塑性”的匹配，受到材料工作者的广泛关注。梯度纳米材料是纳米异构材料中的一种典型结构形式，通过晶粒尺寸的变化，使得各种尺度的晶粒在材料的塑性变形过程中协调变形，从而表现出良好的综合性能。
[0004]经检索发现，余光磊在《二维超声辅助铝合金纳米梯度结构制备与表征》[D].浙江工业大学,2020的论文中介绍了一种用二维超声辅助驱动，通过传统滚压成型工艺制备表面梯度铝合金的方法，其原理是在传统滚压式变形加工(将滚珠、滚柱等硬质滚动体对金属材料表面施加静压力，在水平方向运动进给的同时，硬质滚动体自身进行转动以配合水平方向，保证其在金属材料表面滚动)使材料表层产生塑性变形的基础上，加入二维超声振动辅助加工，通过在超声振动辅助加工的原有超声振动相垂直的方向引入第二个超声振动源，可以使刀具或工件在加工过程中的接触关系进一步转变。这种方法的特点是：(1)超声的引入提升了表面质量；(2)超声的介入可以使滚压拥有更深的影响区域；(3)超声振动可以提升加工效率。其局限是：(1)球型滚珠滚压时自由度过高，滚压成型效率低；(2)采用同规格的滚珠，只获得由表及里一维尺度的梯度结构，并不能够完全发挥梯度结构的优势。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种三维空间梯度结构铝合金的制备系统及方法。
[0006]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种三维空间梯度结构铝合金的制备系统，包括滚压刀具和二维超声辅助驱动装置，
[0007]滚压刀具设有多个不同规格的莱洛四面体型滚珠，滚珠的材质为GCr15，不同滚珠的表面粗糙度不同；
[0008]二维超声辅助驱动装置包括两个超声驱动电源，分别调整超声振动方向使其对应于工作台上的x轴方向和z轴方向，即分别施加驱动和下压力。
[0009]进一步的，莱洛四面体型滚珠有小、中、大三种规格，其中小规格的高度范围为1
‑
3mm、中规格的高度范围为4
‑
7mm、大规格的高度范围为8
‑
10mm。
[0010]进一步的，滚珠的表面粗糙度为Ra 0.8
‑
Ra 50。
[0011]一种利用上述的系统制备三维空间梯度结构铝合金的方法，包括如下步骤：
[0012]步骤(1)：选择滚珠尺寸并将滚珠安装在滚压刀具上，滚珠朝下进行底部校平；
[0013]步骤(2)：安装超声驱动装置，安装铝合金板；
[0014]步骤(3)：滚压加工处理，先对滚压刀具施加800
‑
1500N的预载标定滚压加工的下压量，之后抬起刀具并移动到加工起始位置，启动超声振动电源，设定主轴转速为3000
‑
5000rpm，进给速度为30
‑
60mm/min，总下压量为0.2
‑
0.36mm，进行滚压加工处理。
[0015]进一步的，所述铝合金板的厚度为1
‑
10mm。
[0016]进一步的，步骤(3)中采用的超声振动电源超声振动频率为20kHz，振动幅值为8
‑
10μm，选用连续工作模式，功率选择范围为80
‑
90％。
[0017]进一步的，超声振动电源将220V、60Hz的低频交流电经变压调频后把电信号传输给超声振动换能器，由换能器通过连接线传输至工作台，通过固定频率的超声信号辅助滚压刀具进行二维驱动。
[0018]一种采用上述的方法制备的三维空间梯度结构铝合金，三维空间梯度结构铝合金中的晶粒按照尺寸大小分为三个层次：纳米晶1
‑
100nm，细晶0.1
‑
10μm和粗晶10
‑
100μm。
[0019]进一步的，所述方法用于制备镁合金和铜合金，采用镁合金或者铜合金代替铝合金。
[0020]本申请的系统主要包含装有不同规格莱洛四面体型滚珠的滚压刀具和二维超声辅助驱动装置组成。其中，超声驱动装置中的超声振动电源可以将220V、60Hz的低频交流电信号经变压调频后传输给超声振动换能器，由换能器通过连接线传输至样品工作台，通过固定频率的超声信号辅助滚压刀具进行二维驱动。二维超声振动系统中两个方向的超声振动电源是独立的，并可以根据加工材料的属性以及滚珠的选择与排列来设置两个超声驱动方向的参数。采用不同规格的莱洛四面体型滚珠代替常规球型滚珠作为滚动体，通过调整莱洛四面体型滚珠的规格尺寸和排列方式，借助二维超声辅助驱动对铝合金表面进行滚压加工处理。可以通过改变滚动碾压次数，刀具预加载力的大小和超声驱动的振幅值控制样品表面的变形程度。由于在滚压过程中主要是依靠硬质压头与表面产生的摩擦力使金属材料表面塑性变形，产生的摩擦力越大，表面塑性变形越显著，摩擦力的大小与施加正压力和接触面粗糙度有关。在施加相同预加载力和振幅的条件下，可以改变莱洛四面体的规格(尺寸，表面粗糙度，材质)的使样品表面产生不同程度的塑性变形，得到不同的晶粒细化效果。其中，通过改变四面体的尺寸来改变接触区域和变形区域大小，通过改变粗糙度和材质调整四面体与样品表面的摩擦力，相同材质的四面体表面粗糙度越大，摩擦力越大。摩擦力越大的区域塑性变形显著，晶粒细化程度更大。
[0021]本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：
[0022](1)本专利技术专利创新性地将传统的球型滚珠替换为莱洛四面体型滚珠，利用莱洛四面体的特性大大提高了滚压加工过程的加工效率；本专利技术采用不同规格的莱洛四面体型滚珠，通过调整滚珠的规格(尺寸、材质、表面粗糙度)和排列方式，构筑三维空间上复杂的梯度结构，同时滚珠件可拆卸，使用更为灵活。
[0023](2)本专利技术采用二维超声驱动辅助装置，采用两个独立的超声振动电源，分别施加
40
‑
Ra 50。将滚珠按照大
‑
中
‑
小
‑
中
‑
大的顺序排列，并将可拆卸的滚珠件安装于滚压刀具上。然后将安装好的滚压刀具放置于水平台本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维空间梯度结构铝合金的制备系统，其特征在于，包括滚压刀具和二维超声辅助驱动装置，滚压刀具设有多个不同规格的莱洛四面体型滚珠，滚珠的材质为GCr15，不同滚珠的表面粗糙度不同；二维超声辅助驱动装置包括两个超声驱动电源，分别调整超声振动方向使其对应于工作台上的x轴方向和z轴方向，即分别施加驱动和下压力。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，莱洛四面体型滚珠有小、中、大三种规格，其中小规格的高度范围为1
‑
3mm、中规格的高度范围为4
‑
7mm、大规格的高度范围为8
‑
10mm。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，滚珠的表面粗糙度为Ra 0.8
‑
Ra50。4.一种利用权利要求1
‑
3任一项所述的系统制备三维空间梯度结构铝合金的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)：选择滚珠尺寸并将滚珠安装在滚压刀具上，滚珠朝下进行底部校平；步骤(2)：安装超声驱动装置，安装铝合金板；步骤(3)：滚压加工处理，先对滚压刀具施加800
‑
1500N的预载标定滚压加工的下压量，之后抬起刀具并移动到加工起始位置，启动超声振动电源，设定主轴转速为3000
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：高波，孟佳琪，黄家喜，刘亿，肖礼容，周浩，赵永好，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：