CN102489530B - 多层轧制及多点电脉冲处理所致3d梯度板材的制备方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层轧制及多点电脉冲处理所致3D梯度板材的制备方法及其设备，属于金属材料的轧制领域。该设备由通电装置，脉冲电源和轧辊组成。待加工的板材为多层复合结构，不同层之间的晶粒大小具有梯度分布，板材先经过轧辊的轧制再受到一定的电脉冲处理，电流通过一对对称的通电装置加在轧制后的板材上，而通电装置的导电部分呈阵列分布。经过处理后的板材在三维方向上晶粒大小都具有梯度变化，通过设计一系列不同的叠放组合顺序和多点电脉冲的分布可以控制得到不同微观结构的板材，进而筛选出高强度高塑性的材料，同时电脉冲退火处理能够加强层与层之间的结合。

Description

多层轧制及多点电脉冲处理所致3D梯度板材的制备方法及设备

技术领域

本发明涉及金属材料的轧制领域，特别是一种多层轧制及多点电脉冲处理所致3D梯度板材的制备方法及其设备。

背景技术

随着国家汽车、高铁、大飞机等制造行业的迅猛发展，对于某些相关材料我们需要它既具有良好的塑性，又需要它具有很高的强度，这一类材料被称为高强塑性结构材料。高强塑性结构材料的优势在于可以在保证高强度的同时，具有较高的塑性变形能力，提高材料的抗冲击性和弯曲性能；与此同时，在确保安全指标的同时，减轻结构材料的重量，大幅度降低能源损耗。

近年来，超细晶材料因其在材料中不需另外添加合金元素、高洁净、回收再利用简单而成为新世纪先进结构材料的重要研发方向。虽然超细晶金属材料的强度远高于同成分粗晶材料，但其塑性随晶粒的减小而降低，甚至出现了由塑性转变为脆性的变化，这种转变会带来巨大的问题。一种可行的想法就是利用复合材料的思想，把晶粒粗细不同的结构有序的混杂在一起，使它们有效地结合，可能会得到同时具备超细晶材料高强度与粗晶材料高塑性的高强塑性结构材料。目前国际上已经有人利用层状梯度设计和发展出一种既具有高强度又能保持良好塑性的细晶材料，他们通过表面纳米化，制备出表层细晶粒、内部粗晶粒的高强塑性板材，但是其工艺流程比较复杂，制备要求较高，且微观结构设计的灵活性差。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种更为简单的工艺来制造出高强塑性的材料。

发明内容

为解决现有技术存在的工艺流程复杂，制备要求较高的问题，本发明提供一种更为简单的工艺来制造出高强塑性的材料。通过设计一系列不同的晶粒大小叠放组合顺序以及电脉冲粗化或细化晶粒来优化材料，使材料在三维方向上晶粒大小都具有梯度变化，同时通过电脉冲退火处理能够加强层与层之间的结合，防止不同层之间结合不牢固。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的制备设备包括：轧辊、通电装置和脉冲电源。其中，通电装置共有两个，相对于待加工板材呈上下对称分布，且通电装置与板材相互平行；外部的脉冲电源通过导线与通电装置相连，通电装置的导电部分在整个装置上为阵列分布，通电装置及阵列的数目可以根据板材的大小进行相应的设计；导电部分由导电块和弹簧组成，导电块的头部为半球形，使其能够与加工件表面形成面接触，底部的弹簧起到压紧作用。

本发明的晶粒大小梯度分布板材的电致塑性制备方法包括以下步骤：

1.板材设计：本发明所使用的板材为多层复合结构，同一层上的晶粒大小在轧制前相同，在电脉冲处理后，由于通电装置上的通电部分呈阵列分布，与通电部分接触处的晶粒相对周围晶粒在大小上就有一定的梯度。不同层之间的晶粒大小可能相同可能不同，可以通过一定的设计使粗晶粒和细晶粒以一定的方式分布以达到高强高塑性的要求。

2.轧制：将多层结构的板材通过轧辊的轧制改变其厚度，并且不同晶粒大小的各层之间能够形成结合。

3.电脉冲处理：通电装置放置于轧辊旁边，未进行电脉冲处理前两个对称的通电装置分隔一定的距离，当板材轧制完成后上下两个通电装置压紧板材从而对其进行连续的电脉冲处理，由于通电装置通电部分的阵列分布，会使得部分区域的晶粒长大或者细化从而产生类似于铆钉的作用将多层板牢固地结合在一起。

本发明可制造镁合金或纯铝的板材，该板材的晶粒大小为微米量级。

本发明将金属的轧制和电脉冲处理相结合，提供一种简单的制造高强塑性材料的工艺，通过设计层状金属材料不同的叠放顺序以及电脉冲粗化或细化来达到目的，使其在三维方向上晶粒大小都具有梯度变化，同时电脉冲退火处理也能够起到铆钉作用，加强层与层之间的结合，保证其结合牢固。利用本发明，通过设计一系列不同的叠放组合顺序和多点电脉冲的分布可以控制得到不同微观结构的板材，进而筛选出高强度高塑性的材料。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明的一个较佳实施例的晶粒大小梯度分布板材的电致塑性制备设备示意图；

图2为通电装置结构的剖面示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例包括：轧辊1，待加工板材2，通电装置3，脉冲电源4，导电块5，弹簧6和导线7，其中，通电装置3共有两个，相对于待加工板材2呈上下对称分布，且通电装置3与待加工板材2相互平行，而外部的脉冲电源4通过导线7与通电装置3相连。

如图2所示，通电装置3的导电部分在整个通电装置3上为阵列分布，阵列具有一定的数目，导电部分由导电块5和弹簧6组成，导电块5的头部为半球形，弹簧6压紧导电块5使其与待加工板材2表面紧密接触。

本实施例中的待加工板材2为AZ31B镁合金，轧辊1的直径为210mm，轧制速度为1.0m/min，辊缝为1mm，连续脉冲电源的峰值电流为800A，占空比10%，频率为100Hz，脉宽为40μs。镁合金板材共有三层，晶粒大小依次为30μm，1μm，30μm。

轧制开始前先将待加工板材2依照事先的设计叠放好，启动轧机，通过轧辊1的作用将待加工板材2压成预设的厚度，待加工板材2轧制完成后，通过脉冲电源4给通电装置3通电，通电装置3上下对称地压紧待加工板材2，导电块5因为弹簧6的压紧作用与待加工板材2表面紧密接触，一定的通电时间后移开通电装置3，整个加工过程完成。

实施例2

本实施例中的待加工板材2为纯铝，轧辊1的直径为210mm，轧制速度为1.0m/min，辊缝为1mm，连续脉冲电源的峰值电流为900A，占空比10%，频率为150Hz，脉宽为50μs。板材共有五层，晶粒大小依次为50μm，10μm，0.5μm，10μm，50μm。

本实施例与实施例1的其他实施方式相同。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种多层轧制及多点电脉冲处理所致3D梯度板材的制备方法，其中，待加工板材首先经过轧辊的轧制，轧制后的板材通过相应的通电装置受到连续电脉冲处理；其中包括如下步骤：

步骤一，板材设计：所述待加工板材为多层复合结构，其同一层上的晶粒大小在轧制前相同，不同层之间的晶粒大小不同，其中，粗晶粒和细晶粒以预定的方式分布以达到预定力学性能的要求；

步骤二，轧制：将多层复合结构的所述待加工板材通过轧辊的轧制改变厚度，并且不同晶粒大小的各层之间形成结合；

步骤三，电脉冲处理：当所述待加工板材轧制完成后，使上下两个通电装置对称地压紧板材，从而对所述轧制后的板材进行连续的电脉冲处理，其中，所述通电装置的通电部分为阵列分布，所述阵列分布使得所述轧制后的板材内部的部分区域的晶粒长大或者细化，从而产生类似于铆钉的铆接作用将所述轧制后的板材内的不同层牢固地结合在一起；

步骤四，经过预定的通电时间后移开所述通电装置，整个加工过程完成。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤一中所述待加工板材为至少三层的复合结构，其中，从中间层到两侧外层，各层晶粒尺寸的分布呈逐渐增大的梯度。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述待加工板材为镁合金或纯铝。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述待加工板材的晶粒大小为微米量级。

5.一种多层轧制及多点电脉冲处理所致3D梯度板材的制备设备，用于如权利要求1所述的制备方法，包括：轧辊，通电装置和脉冲电源；其中，所述通电装置共有两个，相对于待加工板材呈上下对称排布，且所述通电装置与待加工板材相互平行；外部的脉冲电源通过导线与所述通电装置分别相连，所述通电装置具有在整个通电装置上阵列分布的多个导电部分，所述通电装置的大小及所述导电部分的数目与所述待加工板材的大小相适应；所述导电部分包括导电块和设置在所述导电块底部的弹簧，所述导电块的头部为半球形，所述弹簧用于推动所述导电块的头部与轧制后的板材表面紧密接触。

Images