CN104406860B - 双金属层状复合板异温电流强化复合工艺物理模拟装置 - Google Patents

Abstract

一种双金属层状复合板异温电流强化复合工艺物理模拟装置，包括筒式分段电阻加热器、脉冲电流电源和控温装置；筒式分段电阻加热器由上密封罩和下密封罩通过螺栓连接组成，内部形成气氛保护空间，中间设有隔热板；在上下密封罩外壁安装热电偶和加热段与控温装置连接，另设有气体入口和气体出口；在上密封罩的顶端插入推杆，推杆顶端连接压头、底端通过法兰逐层安装绝缘垫Ⅰ、正电极片、金属片Ⅰ；在下密封罩内部安装试样台，试样台顶端逐层安装绝缘垫Ⅱ、负电极片、金属片Ⅱ；脉冲电流电源的正负极分别通过导线与正电极片、负电极片相连。本发明可通过改变金属的工艺参数，结合复合界面的微观组织观测和强度测试，提供低成本、快捷有效的试验平台。

Description

双金属层状复合板异温电流强化复合工艺物理模拟装置

技术领域

本发明涉及金属层状复合材料塑性加工领域，尤其是一种双金属层状复合板复合工艺的物理模拟装置。

背景技术

双金属层状复合板是将不同物理、化学性能的两种金属利用各自性能优势进行分层组合而成的一类金属材料，复合加工得到的复合板可以充分发挥每个组元材料的性能特长，使材料的综合性能得到提高，实现各组元材料资源的最佳配置。

已知，异温复合技术是指将待复合的两种金属组元预先分别加热到不同温度后，再使其复合界面接触并通过施加外载实现复合的一种特殊工艺。目前，该技术与传统轧制复合、铸轧技术相结合，分别出现了异温轧制复合工艺和异温铸轧复合工艺。研究结果表明，对于热力学性能差异较大的两种金属组元，采用异温轧制复合工艺，不但有利于降低初复合临界压下率，而且可以提高复合强度。当两种金属组元熔点相差较大时，还可以在接触表面形成局部固液复合的特殊效果。以钢/铝异温轧制复合制备双金属板带材为例，当钢的初始复合温度取850℃、铝的初始复合温度取400℃时，由于组元钢的温度高于组元铝的熔点，二者进入轧制变形区后复合界面在高强压力和热传导作用下，会在铝板表面出现浅层熔化现象，液相铝与固相钢在轧制力作用下实现界面熔合与反应扩散复合，可有效降低实现复合所需的轧制压下率。与此同时，国内外学者研究发现，在复合轧制过程中，在复合界面上导入高频脉冲电流，有利于强化界面复合效果。

目前，国内外围绕同温复合开展了大量的理论和实验研究工作，而针对异温复合的研究相对较少，尤其是现有的热成形模拟装置(如Gleeble等)无法用于异温变形复合过程研究，也无法实现脉冲电流的导入。为进一步研究双金属层状复合板异温电流强化复合机理，优化工艺参数，亟待开发具有多参数工艺模拟功能的异温电流强化复合实验装置。

发明内容

本发明目的在于提供一种双金属层状复合板异温电流强化复合工艺物理模拟装置，用以分析温度、厚度、电流参数、压下量等工艺参数，研究异温电流强化复合工艺对界面复合效果的影响。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述模拟装置包括筒式分段电阻加热器、脉冲电流电源和控温装置；

所述筒式分段电阻加热器是由上密封罩和下密封罩通过螺栓连接组成的筒状结构，内部腔体形成气氛保护空间；上下密封罩之间设有可推拉的隔热板，可形成两个独立的加热空间；所述上、下密封罩为钢制材料制成，外壁设有一层隔热材料，在隔热材料上安装热电偶；在上密封罩外壁设有加热段Ⅰ，并从上密封罩上部开设气体出口；在下密封罩外壁设有加热段Ⅱ，并从下密封罩底部开设气体入口；在筒式分段电阻加热器的外部设有控温装置，所述控温装置分别与加热段Ⅰ、加热段Ⅱ和热电偶连接；

在上密封罩的顶端垂直插入一根推杆，推杆顶端通过法兰Ⅰ连接压头，压头顶端与压力机动梁相连；推杆底端连接法兰Ⅱ，法兰Ⅱ底面固接绝缘垫Ⅰ，绝缘垫Ⅰ底面固接正电极片，正电极片底面设有金属片Ⅰ，金属片Ⅰ周向均布通孔，该金属片Ⅰ与法兰Ⅱ通过套有陶瓷绝缘套的螺栓悬挂相连，且金属片Ⅰ与正电极片紧密贴合；沿推杆轴心线设有通孔，在通孔内安装套有陶瓷环的导线；所述导线一端从推杆顶部侧面引出与脉冲电流电源的正极相连，另一端穿过推杆底端的法兰、绝缘垫Ⅰ与正电极片相连；

在下密封罩内部底面安装球面垫，在球面垫顶部立式安装柱状试样台，试样台与上密封罩内的推杆位置上下对应；在试样台的顶端固接绝缘垫Ⅱ，在绝缘垫Ⅱ顶面固接负电极片，在负电极片表面安装金属片Ⅱ；试样台的轴心线也设有通孔；在通孔内也安装套有陶瓷环的导线，该导线一端穿过绝缘垫Ⅱ与负电极片相连，另一端与脉冲电流电源的负极相连。

所述推杆垂直插入上密封罩，在上密封罩顶端设有插入管，推杆穿过插入管后进入上密封罩，在插入管内部置入石墨填料进行密封。

在所述模拟装置上安装位移传感器，位移传感器的铁芯安装在推杆上，位移传感器外壳安装在上密封罩外端面上。

在下密封罩的底部固接底座，在底座内开设冷却水通道。

所述从气体入口进入气氛保护空间的气体为氩气。

工作过程大致如下：

工作时，将一个金属片试件置于推杆底端，利用法兰和螺栓悬挂装置进行连接固定，保持该金属片处于最下方并与正电极片紧密贴合；将另一个金属片试件安装在试样台的负电极片顶面。根据工艺要求，设定加热段I和加热段II的工作温度，在氩气保护气氛下，推入分段电阻加热器隔热板，形成两个独立的加热空间，并利用温度监控装置和热电偶对各自炉膛温度实时监测和精确控制。将两种金属组元试件分别加热至设定温度并保温一定时间后，关闭电阻加热器，将隔热板打开。启动脉冲电流源，驱动压头和推杆向试样台的方向运动，通过位移传感器控制移动的距离，将初始温度不同的两金属组元试件压缩变形至设定压下量，两组元金属接触变形时形成电流回路，实现双金属异温复合界面的电流强化复合效果。通过改变两种金属的厚度或加热温度或变形压下量、脉冲电流的频率、强度等工艺参数，实现双金属层状复合板异温电流强化复合工艺过程模拟，结合复合界面的微观显微观察和强度测试，为双金属层状复合板异温电流强化复合工艺参数优化提供低成本、快捷有效的试验平台。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、可直观了解双金属层状复合板异温电流强化复合工艺在实验过程中的下压位移量、加热温度、下压强度、电流脉冲强度等参数，便于研究异温电流强化复合工艺的合理性能和发展方向；

2、操作简单、安全可靠、分段加热温度可控、异温电流强化效果好。

附图说明

图1是本发明在加热阶段的剖面图。

图2是本发明在压下变形阶段的剖面图。

图3是本发明在压下变形阶段的两种金属片压合部分的放大图。

附图标号：1-压头、2-位移传感器、3-推杆、4-柔性石墨填料、5-隔热材料、6-热电偶、7-加热段I、8-控温装置、9-上密封罩、10-隔热板、11-下密封罩、12-加热段II、13-气体入口、14-底座、15-O型密封圈、16-球面垫、17-试样台、18-绝缘垫Ⅱ、19-负电极片、20-金属片Ⅱ、21-金属片Ⅰ、22-正电极片、23-绝缘垫Ⅰ、24-螺栓、25-脉冲电流电源、26-气体出口、27-导线、28-陶瓷环、29-加热电源线、30-测温热电偶接线、31-冷却水通道、32-陶瓷绝缘套、33-螺母。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1和图2所示的本发明的剖面图中，本发明所述模拟装置包括筒式分段电阻加热器、脉冲电流电源和控温装置；

所述筒式分段电阻加热器是由上密封罩9和下密封罩11通过螺栓连接组成的筒状结构，内部腔体形成气氛保护空间；上下密封罩之间设有可推拉的隔热板10，可形成两个独立的加热空间；所述上、下密封罩为钢制材料制成，外壁设有一层隔热材料5，在隔热材料上安装热电偶6；在上密封罩外壁设有加热段Ⅰ7，并从上密封罩上部开设气体出口26；在下密封罩外壁设有加热段Ⅱ12，并从下密封罩底部开设气体入口13；在筒式分段电阻加热器的外部设有控温装置，所述控温装置8分别与加热段Ⅰ、加热段Ⅱ和热电偶连接；控温装置的加热电源线29与加热段连接，测温热电偶接线30与热电偶连接。

在上密封罩的顶端垂直插入一根推杆3，推杆顶端通过法兰Ⅰ连接压头1，压头顶端与压力机动梁相连；推杆底端连接法兰Ⅱ，法兰Ⅱ底面固接绝缘垫Ⅰ23，绝缘垫Ⅰ底面固接正电极片22，正电极片底面设有金属片Ⅰ21，金属片Ⅰ周向均布通孔，该金属片Ⅰ与法兰Ⅱ通过套有陶瓷绝缘套32的螺栓24悬挂相连，且金属片Ⅰ与正电极片紧密贴合；沿推杆轴心线设有通孔，在通孔内安装套有陶瓷环28的导线27；所述导线一端从推杆顶部侧面引出与脉冲电流电源25的正极相连，另一端穿过推杆底端的法兰、绝缘垫Ⅰ与正电极片相连；

在下密封罩内部底面安装球面垫16，试样台17与球面垫配合，试样台与上密封罩内的推杆位置上下对应；在试样台的顶端固接绝缘垫Ⅱ18，在绝缘垫Ⅱ顶面固接负电极片19，在负电极片表面安装金属片Ⅱ20；试样台的轴心线也设有通孔；在通孔内也安装套有陶瓷环的导线，该导线一端穿过绝缘垫Ⅱ与负电极片相连，另一端与脉冲电流电源的负极相连。

所述推杆垂直插入上密封罩，在上密封罩顶端设有插入管，推杆穿过插入管后进入上密封罩，在插入管内部设有柔性石墨填料4进行密封。

在所述模拟装置上安装位移传感器2，位移传感器的铁芯安装在推杆上，位移传感器外壳安装在上密封罩外端面上。

在下密封罩的底部固接底座14，在底座内开设冷却水通道31，在底座与下密封罩的连接处设有O型密封圈15。

所述从气体入口进入气氛保护空间的气体为氩气。

实施例1：

本实施例以铜板和铝板的异温电流强化复合为例，具体说明本发明的使用方法。其中，铝板选用工业纯铝，铜板选用工业紫铜。工业纯铝片规格为Φ72mm×4mm圆形试样，并在直径Φ60处开有4个周向均布的Φ5mm通孔，用于螺栓悬挂固定；工业紫铜规格为Φ30mm×2mm圆形试样。控温装置采用CH401型双通道温控箱。

步骤1——工业纯铝片和工业紫铜片，采用丙酮溶液浸泡去除表面油污，在10％NaOH溶液中浸洗10分钟，去除试样表面氧化皮层，用无水乙醇洗净、烘干，保持界面光洁。

步骤2——工业纯铝片通过4根套有陶瓷绝缘套的螺栓悬挂在推杆末端法兰上，并与正电极片的下端面平面紧密接触，用螺母锁紧。套有陶瓷环的供电导线通过推杆中心的通孔与正电极片相连，另一端与脉冲电流电源的正电极相连。螺栓与推杆末端法兰孔预留较大间隙配合，保证试样压缩变形后推杆相对螺栓具有向下运动的自由度。工业紫铜片放置于负电极片的上端面上，与脉冲电流电源的负电极接通。

步骤3——往气体入口通入氩气，并从气体出口排出，2分钟后，将隔热板推入上密封罩下端面和下密封罩上端面之间的空夹层，接通加热段I和加热段II，进行加热，控制铝片温度为400℃，铜片温度为850℃。

步骤4——当铝片与铜片温度升至设定温度，关掉筒式分段加热器，启动脉冲电流电源，将隔热板抽出。压头受压力机驱动，以速度V向下运动距离S。S的算法如下：

S＝a-h₁-h₂+Δh

式中a为初始位置正电极片与负电极片的距离，为固定值180mm；式中h₁和h₂分别为铜片和铝片厚度；Δh为压下量。

本实施例中取压下量50％，通过位移传感器控制其向下运动距离S为177mm。当铜片和铝片接触时，脉冲电流导通形成回路，复合界面在高温压力和强脉冲电流共同作用下完成变形复合过程，最终制备成铜/铝复合试件。

步骤5——铜/铝复合试件随炉保温一段时间，驱动压头向上运动回归原位，将连接上密封罩和下密封罩的螺栓拧开，平稳地向上抬起上密封罩及其支撑的一系列构件(加热段I、隔热材料、柔性石墨填料等)，取出铜/铝复合试件。

通过改变两种金属的厚度、加热温度、变形压下量、脉冲电流的频率和强度等工艺参数，结合复合界面的微观显微观察和强度测试，寻求合理的铜/铝层状复合板异温电流强化复合工艺参数。

实施例2：

本实施例以钢板和铝板的异温电流强化复合为例，具体说明本发明的使用方法。

金属片I选用工业纯铝，金属片II选用Q235钢，工业纯铝片规格为Φ72mm×2mm圆形试样，并在直径Φ60处开有4个周向均布的Φ5mm通孔，用于螺栓悬挂固定；Q235钢片规格为Φ30mm×6mm圆形试样。控温装置采用CH401型双通道温控箱。

步骤1——工业纯铝和Q235钢片，采用丙酮溶液浸泡去除表面油污，Q235钢片在10％硝酸溶液中浸洗10分钟，铝片在10％NaOH溶液中浸洗10分钟，去除试样表面氧化皮层，洗净、烘干，保持界面光洁。

步骤2——工业纯铝片通过4根套有陶瓷绝缘套的螺栓悬挂在推杆末端法兰上，并与正电极片的下端面平面紧密接触，用螺母锁紧。套有陶瓷环的供电导线通过推杆中心的通孔与正电极片相连，另一端与脉冲电流电源的正电极相连。螺栓与推杆末端法兰孔预留较大间隙配合，保证试样压缩变形后推杆相对螺栓具有向下运动的自由度。Q235钢片放置于负电极片的上端面上，与脉冲电流电源的负电极接通。

步骤3——往气体入口通入氩气，并从气体出口排出，2分钟后，将隔热板推入上密封罩下端面和下密封罩上端面之间的空夹层，接通加热段I和加热段II，进行加热，控制铝片温度为400℃，Q235钢片温度为1000℃。

步骤4——当铝片与Q235钢片温度升至设定温度，关掉筒式分段加热器，启动脉冲电流电源，将隔热板抽出。压头受压力机驱动，以速度V向下运动距离S。S的算法如下：

S＝a-h₁-h₂+Δh

式中a为初始位置正电极片与负电极片的距离，为固定值180mm；式中h₁和h₂分别为金属片I和金属片II厚度；Δh为压下量。

本实施例中取压下量50％，通过位移传感器控制其向下运动距离S为176mm。当Q235钢片和铝片接触时，脉冲电流导通形成回路，复合界面在高温压力和强脉冲电流共同作用下完成变形复合过程，最终制备成钢/铝复合试件。

步骤5——钢/铝复合试件随炉保温一段时间，压头向上运动回归原位，将连接上、下密封罩的螺栓拧开，平稳地向上抬起上密封罩及其支撑的一系列构件，取出钢/铝复合试样。

通过改变两种金属的厚度、加热温度、变形压下量、脉冲电流的频率和强度等工艺参数，结合复合界面的微观显微观察和强度测试，寻求合理的钢/铝层状复合板异温电流强化复合工艺参数。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种双金属层状复合板异温电流强化复合工艺物理模拟装置，其特征在于：所述模拟装置包括筒式分段电阻加热器、脉冲电流电源和控温装置；

所述筒式分段电阻加热器是由上密封罩和下密封罩通过螺栓连接组成的筒状结构，内部腔体形成气氛保护空间；上下密封罩之间设有可推拉的隔热板，可形成两个独立的加热空间；所述上、下密封罩为钢制材料制成，外壁设有一层隔热材料，在隔热材料上安装热电偶；在上密封罩外壁设有加热段Ⅰ，并从上密封罩上部开设气体出口；在下密封罩外壁设有加热段Ⅱ，并从下密封罩底部开设气体入口；在筒式分段电阻加热器的外部设有控温装置，所述控温装置分别与加热段Ⅰ、加热段Ⅱ和热电偶连接；控温装置的加热电源线与加热段连接，测温热电偶接线与热电偶连接；

在上密封罩的顶端垂直插入一根推杆，推杆顶端通过法兰Ⅰ连接压头，压头顶端与压力机动梁相连；推杆底端连接法兰Ⅱ，法兰Ⅱ底面固接绝缘垫Ⅰ，绝缘垫Ⅰ底面固接正电极片，正电极片底面设有金属片Ⅰ，金属片Ⅰ周向均布通孔，该金属片Ⅰ与法兰Ⅱ通过套有陶瓷绝缘套的螺栓悬挂相连，且金属片Ⅰ与正电极片紧密贴合；沿推杆轴心线设有通孔，在通孔内安装套有陶瓷环的导线；所述导线一端从推杆顶部侧面引出与脉冲电流电源的正极相连，另一端穿过推杆底端的法兰、绝缘垫Ⅰ与正电极片相连；

在下密封罩内部底面安装球面垫，试样台与球面垫配合，试样台与上密封罩内的推杆位置上下对应；在试样台的顶端固接绝缘垫Ⅱ，在绝缘垫Ⅱ顶面固接负电极片，在负电极片表面安装金属片Ⅱ；试样台的轴心线也设有通孔；在 通孔内也安装套有陶瓷环的导线，该导线一端穿过绝缘垫Ⅱ与负电极片相连，另一端与脉冲电流电源的负极相连。

2.根据权利要求1所述的双金属层状复合板异温电流强化复合工艺物理模拟装置，其特征在于：所述推杆垂直插入上密封罩，在上密封罩顶端设有插入管，推杆穿过插入管后进入上密封罩，在插入管内部设有柔性石墨填料进行密封。

3.根据权利要求1所述的双金属层状复合板异温电流强化复合工艺物理模拟装置，其特征在于：在所述模拟装置上安装位移传感器，位移传感器的铁芯安装在推杆上，位移传感器外壳安装在上密封罩外端面上。

4.根据权利要求1所述的双金属层状复合板异温电流强化复合工艺物理模拟装置，其特征在于：在下密封罩的底部固接底座，在底座内开设冷却水通道。