【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于镁合金预处理及加工领域，具体涉及一种超低温脉冲电流耦合镁合金组织性能调控装置及方法。
技术介绍
1、随着轨道交通、空天飞行器、导弹军工等领域对材料轻量化的迫切需求，镁合金得到了广泛的关注和发展。镁合金作为最轻的商用金属工程结构材料，具有密度低、高比强度和比弹性模量、良好的阻尼吸震降噪性能及铸造成形性、易于回收等诸多优点，然而镁合金也存在绝对强度低、塑性差、难以加工成形及极易氧化等固有性能的缺点，这些缺点极大地限制了镁合金的广泛应用。
2、之前的学者研究发现当电流作用于金属材料时，电子与金属内部结构发生交互作用，这些作用效果会促使金属内部的组织结构发生改变，从而导致性能发生变化。借助这一理论，人们将电流引入金属的热处理及加工，该技术具有效率高、耗能少、成本低、模具寿命高等优点，能够降低难变形材料的变形抗力、提高材料的成形极限和优化零件的成形质量等目的。但脉冲电流处理也会导致镁合金晶粒迅速长大，组织粗大，材料性能下降，并且还会导致镁合金表面氧化严重，后续加工困难。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是要解决现有镁合金热处理过程中的晶粒长大，组织粗化导致的性能下降和表面氧化严重的问题，而提供一种超低温脉冲电流耦合镁合金组织性能调控装置及方法。
2、一种超低温脉冲电流耦合镁合金组织性能调控装置，包括中空超低温冷却平台端盖1、中空超低温冷却平台罐体2、两根通电导柱3、两块纯铜电极板4、耐低温绝缘底座5、直流脉冲电源6、液氮罐7、增压泵8、流速控制阀9、镁
3、所述的中空超低温冷却平台罐体2的顶端设有中空超低温冷却平台端盖1，中空超低温冷却平台端盖1上设有两个通电导柱通孔、液氮冷却介质补充孔11和排气孔12；
4、所述的中空超低温冷却平台罐体2上设有泄液孔13和真空泵连接孔14，且泄液孔13和真空泵连接孔14分别与中空超低温冷却平台罐体2的内部相连通；
5、所述的中空超低温冷却平台罐体2内的底部设有耐低温绝缘底座5，两块纯铜电极板4并排固定在耐低温绝缘底座5上，且间隔一定距离；延两块纯铜电极板4相邻的一侧长度方向上设有螺纹孔，镁合金板材坯料10的两端分别搭接到两块纯铜电极板4相邻的一侧表面上，两片纯铜压片分别延两块纯铜电极板4的长度方向设置，且分别覆盖在镁合金板材坯料10的两端上，两片纯铜压片通过螺丝和其两端的螺纹孔将镁合金板材坯料10与两块纯铜电极板4紧密接触；
6、所述的两根通电导柱3的底端分别穿过中空超低温冷却平台端盖1上的两个通电导柱通孔，与两块纯铜电极板4分别连接；两根通电导柱3的顶端分别连接直流脉冲电源6的正极和负极；
7、所述的液氮罐7通过进液管与中空超低温冷却平台端盖1上的液氮冷却介质补充孔11相连通；进液管上还设有增压泵8和流速控制阀9。
8、利用一种超低温脉冲电流耦合镁合金组织性能调控装置调控镁合金组织性能的方法，具体是按以下步骤完成的：
9、一、首先对镁合金坯料进行切割，得到表面平整的板料，再对镁合金表面进行机械打磨，去除氧化层，得到镁合金板材坯料10；
10、二、通过两片纯铜压片和螺丝将镁合金板材坯料10固定到两块纯铜电极板4上；
11、三、将机械真空泵与真空泵连接孔14相连通，将中空超低温冷却平台罐体2的中空部分抽真空，再关闭真空阀门与机械真空泵；
12、四、打开增压泵8和流速控制阀9，将液氮罐7中的液氮添加到中空超低温冷却平台罐体2中，使镁合金板材坯料10和两块纯铜电极板4完全浸没于液氮中；
13、五、设置直流脉冲电源6的脉冲电流参数，打开直流脉冲电源6，直流脉冲电源6通过两根通电导柱3和两块纯铜电极板4与镁合金板材坯料10相连接，构成闭合回路，使脉冲电流作用在镁合金板材坯料上，直流脉冲电流对镁合金板材坯料10产生焦耳热效应、电致塑性效应，促进镁合金内部微观组织的改变；
14、六、待达到直流脉冲电流的处理时间后，关闭直流脉冲电源6、增压泵8和流速控制阀9，打开泄液孔13，待液氮冷却液挥发完毕后，将镁合金板材坯料10取出，得到组织性能调控好的镁合金板材。
15、本专利技术的原理：
16、一、本专利技术区别于传统的镁合金热处理工艺，传统的镁合金热处理主要采用高温炉对镁合金坯料持续热辐射，从而对镁合金组织性能进行调控；而本专利技术设计研发了一种超低温脉冲电流耦合镁合金组织性能调控装置，开创性地将以液氮为冷却介质的超低温高速率冷却与镁合金直流脉冲电流快速热处理相结合，采用直流脉冲电源6直接给镁合金板材坯料通电，借助金属的电流效应，改变镁合金内部位错的形貌与分布，消除内应力，优化材料的力学性能，便于后续加工成形，既能高效改善优化镁合金的微观组织，降低材料的位错密度，去除内应力，便于后续加工，同时还有效解决镁合金直流脉冲电流快速热处理过程中晶粒迅速长大，组织粗大，材料性能下降和表面氧化严重问题；本专利技术相比传统镁合金热处理，具有效率高、耗能少、成本低等优势；
17、二、本专利技术区别于镁合金常规脉冲电流快速热处理工艺，实现了超低温快速冷却和脉冲电流的多物理场耦合，使用液氮为冷却介质持续为通电中的样品进行高效冷却，控制镁合金脉冲电流处理过程中的温度，有效解决了镁合金常规脉冲电流处理过程中的晶粒迅速长大，组织粗化引起的性能下降问题，同时还解决了表面氧化严重的问题；
18、三、本专利技术的技术关键在于镁合金在脉冲电流处理过程中因自身电阻产生的焦耳热，还引起坯料的晶粒长大和组织粗化就被液氮冷却液将热量快速带走，从而既通过电流效应实现了位错的消除，内应力的释放，也避免了组织的长大和性能的下降，因此，促进了镁合金内部微观组织的改变，细化晶粒与组织，改变位错形貌与分布，优化与改善材料的综合力学性能；
19、四、本专利技术的技术关键在于镁合金坯料在脉冲电流处理过程始终浸没在液氮冷却液之中，既保证了镁合金维持较低的温度，也隔绝了空气与镁合金的接触，避免了镁合金表面的氧化问题。
20、本专利技术的有益效果：
21、一、传统的镁合金热处理工艺和常规脉冲电流处理工艺，因为持续的高温会导致镁合金晶粒过分长大，组织粗化，显著降低材料的强度和塑性，无论是作为最终处理工艺直接使用还是作为成形前的预处理手段，都会有极大的弊端；而本专利技术实现了超低温快速冷却和脉冲电流的多物理场耦合，既保留了脉冲电流处理效率高、耗能少、成本低等优势，也有效解决了晶粒过分长大，组织粗化，材料性能降低的不足；
22、二、镁合金化学特性活泼，容易氧化，且氧化层疏松多孔，传统的镁合金热处理工艺和常规脉冲电流处理工艺持续的高温会导致镁合金表面氧化严重，影响后续的使用和加工，本专利技术中镁合金板料因液氮冷却液的浸泡始终与空气隔绝，且液氮冷却液也可以有效控制脉冲电流处理过程中温度的上升，解决了镁合金处理过程中氧化的问题；
23、三、本专利技术应用于镁合本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种超低温脉冲电流耦合镁合金组织性能调控装置，其特征在于所述装置包括中空超低温冷却平台端盖(1)、中空超低温冷却平台罐体(2)、两根通电导柱(3)、两块纯铜电极板(4)、耐低温绝缘底座(5)、直流脉冲电源(6)、液氮罐(7)、增压泵(8)、流速控制阀(9)、镁合金板材坯料(10)、液氮冷却介质补充孔(11)、排气孔(12)、泄液孔(13)和真空泵连接孔(14)；
2.根据权利要求1所述的一种超低温脉冲电流耦合镁合金组织性能调控装置，其特征在于所述的中空超低温冷却平台罐体(2)设有密封夹层。
3.根据权利要求1所述的一种超低温脉冲电流耦合镁合金组织性能调控装置，其特征在于所述的直流脉冲电源(6)的电流为200A～500A。
4.根据权利要求1所述的一种超低温脉冲电流耦合镁合金组织性能调控装置，其特征在于所述的中空超低温冷却平台端盖(1)的材质为304不锈钢；所述的中空超低温冷却平台罐体(2)的材质为304不锈钢。
5.根据权利要求1所述的一种超低温脉冲电流耦合镁合金组织性能调控装置，其特征在于所述的耐低温绝缘底座(5)的材质为酚醛
6.利用如权利要求1所述的一种超低温脉冲电流耦合镁合金组织性能调控装置调控镁合金组织性能的方法，其特征在于所述方法具体是按以下步骤完成的：
7.根据权利要求6所述的利用一种超低温脉冲电流耦合镁合金组织性能调控装置调控镁合金组织性能的方法，其特征在于步骤一中所述的镁合金坯料为AZ系、AM系、AS系、ZA系、ZE系、ZK系、EZ系、WE系或VW系镁合金；步骤一中所述的处理后的镁合金板材坯料的厚度为1mm～3mm，宽度为5mm～20mm，长度为75mm～100mm。
8.根据权利要求6所述的利用一种超低温脉冲电流耦合镁合金组织性能调控装置调控镁合金组织性能的方法，其特征在于步骤一中对镁合金表面进行机械打磨的方法为：依次使用目数为400#、800#和1200#的砂纸进行机械打磨，至镁合金板材坯料的表面光亮为止；步骤三中通过机械真空泵将中空超低温冷却平台罐体(2)的中空部分抽真空，真空度要求小于10-1Pa。
9.根据权利要求6所述的利用一种超低温脉冲电流耦合镁合金组织性能调控装置调控镁合金组织性能的方法，其特征在于步骤四中流速控制阀(9)的流速设置为0.4L/min～2L/min。
10.根据权利要求6所述的利用一种超低温脉冲电流耦合镁合金组织性能调控装置调控镁合金组织性能的方法，其特征在于步骤五中设置直流脉冲电源(6)的脉冲电流参数为5A/mm2～20A/mm2，脉冲频率可为100Hz～1000Hz，占空比可为10％～100％，步骤六中脉冲电流的处理时间为0.1h～3h。
...【技术特征摘要】
1.一种超低温脉冲电流耦合镁合金组织性能调控装置，其特征在于所述装置包括中空超低温冷却平台端盖(1)、中空超低温冷却平台罐体(2)、两根通电导柱(3)、两块纯铜电极板(4)、耐低温绝缘底座(5)、直流脉冲电源(6)、液氮罐(7)、增压泵(8)、流速控制阀(9)、镁合金板材坯料(10)、液氮冷却介质补充孔(11)、排气孔(12)、泄液孔(13)和真空泵连接孔(14)；
2.根据权利要求1所述的一种超低温脉冲电流耦合镁合金组织性能调控装置，其特征在于所述的中空超低温冷却平台罐体(2)设有密封夹层。
3.根据权利要求1所述的一种超低温脉冲电流耦合镁合金组织性能调控装置，其特征在于所述的直流脉冲电源(6)的电流为200a～500a。
4.根据权利要求1所述的一种超低温脉冲电流耦合镁合金组织性能调控装置，其特征在于所述的中空超低温冷却平台端盖(1)的材质为304不锈钢；所述的中空超低温冷却平台罐体(2)的材质为304不锈钢。
5.根据权利要求1所述的一种超低温脉冲电流耦合镁合金组织性能调控装置，其特征在于所述的耐低温绝缘底座(5)的材质为酚醛塑料；所述的两根通电导柱(3)的材质为紫铜。
6.利用如权利要求1所述的一种超低温脉冲电流耦合镁合金组织性能调控装置调控镁合金组织性能的方法，其特征在于所述方法具体是按以下步骤完成的：
【专利技术属性】
技术研发人员：黄承乾，卢振，张成才，高一迪，蒋少松，滕步刚，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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