CN105154800A - 人字形通道模具温挤压制备钛合金纳米材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人字形通道模具温挤压制备钛合金纳米材料方法，本发明的特点是通过人字形中心轴线旋转人字形模具120°后再进行后续道次挤压，可实现钛合金材料的反复塑性变形，最终累积大变形，获得纳米钛合金材料，在每道次挤压过程中，通过改变人字形模具旋转的方向，可以实现钛合金剧烈塑性变形的均匀变形，晶粒尺寸均匀，细化后的纳米晶粒晶界角度大的等轴晶粒，使块体纳米钛合金的力学性能得到进一步提高，保证高密度的前提下兼有高的强度和良好的韧性。

Description

人字形通道模具温挤压制备钛合金纳米材料的方法

技术领域

本发明涉及一种制备大块钛合金纳米材料的新方法及模具，尤其是涉及一种人字形通道模具的等横截面侧向连续挤压模具。

背景技术

钛是一种银白色的过渡金属，其特征为重量轻、强度高、具金属光泽，亦有良好的抗腐蚀能力（包括海水、王水及氯气）。由于其稳定的化学性质，良好的耐高温、耐低温、抗强酸、抗强碱，以及高强度、低密度，被美誉为“太空金属”。在金属元素中，钛的比强度很高。它是一种高强度但低质量的金属，而且具有相当好的延展性（尤其是在无氧的环境下）。钛的表面呈银白色金属光泽。它的熔点相当地高（超过1,649摄氏度），所以是良好的耐火金属材料。目前，钛合金主要应用于航空航天领域，同时，钛合金在医用材料领域方面的需求量也越来越大，随着科学技术的不断发展，工业界对钛合金材料的力学性能要求越来越高，尤其是近年来复合材料的快速发展对钛合金研究提出了巨大的挑战，因此，开发具有高的硬度和强韧度的钛合金是材料学界的目标。

传统的摆碾成形、锻造、拉拔、轧制、旋转锻造、扭转变形、静液挤压等形变强化是提高钛合金材料强度并保证一定韧性的有效方法，而且还可有效细化晶粒。但是通过上述方法获得的材料的织构具有流线型，细化后的晶粒具有方向性，且为小角度晶界。由于钛合金是难变形材料，因此获得材料的塑性较差，因此，必须寻求新的技术和工艺方法，进一步提高钛合金材料力学性能，保证高密度的前提下兼有高的强度和良好的韧性。

采用本发明一种人字形通道模具温挤压制备钛合金纳米材料的方法，可以对难变形的钛合金进行大的塑性变形，同时通过不断旋转人字形通道模具，可实现钛合金材料的反复塑性变形，同时通过改变旋转人字形通道的方向，可以实现钛合金剧烈塑性变形的变形均匀程度，最终获得变形累积量大，晶粒尺寸均匀，细化后的纳米晶粒晶界角度大的等轴纳米晶粒，使块体纳米钛合金的力学性能得到进一步提高，保证高密度的前提下兼有高的强度和良好的韧性。

发明内容

本发明的目的是：针对上述存在的技术问题，提供一种通过不断旋转人字形通道模具能够对难变形的钛合金进行大的塑性变形实现钛合金材料的晶粒等轴纳米化，使块体纳米钛合金有高的密度，同时有高的强度和良好的韧性。该人字形通道模具能通过旋转人字形通道模具通道实现连续挤压，可实现纳米钛合金材料制备的自动化。

本发明专利的技术方案是：本发明是人字形通道模具温挤压制备钛合金纳米材料的方法，包括坯料的准备过程和人字形通道模具温挤压旋转成形过程，两个相应的阶段。

钛合金坯料的化学成分及质量分数为：Al：7.5%-9.75%，V：1.5%-2.5%，余量为Ti。钛合金坯料的准备过程主要包括钛合金挤压坯料的切割制备、材料软化退火、喷丸表面处理工艺和水洗工艺；温挤压过程是通过人字形通道模具温挤压，对难变形的钛合金进行挤压，同时通过人字形中心轴线旋转人字形模具120°后再进行后续道次挤压，可实现钛合金材料的反复塑性变形，最终累积大变形，获得纳米钛合金材料；在每道次挤压过程中，通过改变人字形模具旋转的方向，可以实现钛合金剧烈塑性变形的均匀变形，晶粒尺寸均匀，可获得细化后等轴纳米晶粒材料；同时采用具有补偿空间的模具结构，通过背压顶杆对毛坯施加背压，可避免毛坯头部产生高低不平的现象。同时对人字形通道模具施加预应力，保证挤压顺利进行，通过提高人字形通道模具寿命。

（b）在每道次挤压过程中，通过改变人字形通道模具旋转的方向，可以实现钛合金剧烈塑性变形的均匀变形，晶粒尺寸均匀，可获得细化后等轴纳米晶粒材料，使块体纳米钛合金的力学性能得到进一步提高，保证高密度的前提下兼有高的强度和良好的韧性，采用此种方案，通过旋转人字形通道模具温挤压成形方法可反复挤压钛合金坯料，同时采用背压顶杆能保证钛合金挤压件不仅横截面尺寸不变，同时挤压件几何形状也不会改变。该新工艺可以实现钛合金材料晶粒的纳米等轴化。

作为本发明的一种改进，坯料出口采用背压顶杆，在挤压机或液压机上通过人字形通道模具反复选择挤压成形，最终获得具有纳米等轴组织的大块钛合金材料。

采用此种方案，不仅有利于保证钛合金纳米材料的几何尺寸和形状精度，同时预应力夹紧装置能提高模具的使用寿命，而且可实现钛合金纳米材料制备的自动化。

本发明的有益效果是：在挤压过程中通过旋转人字形通道模具，可实现钛合金材料的反复塑性变形，实现钛合金晶粒纳米化，同时通过改变旋转人字形通道的方向，可以实现保证钛合金晶粒呈等轴分布，因此，细化后的钛合金是纳米晶粒，而且是晶界角度大的等轴纳米晶粒。人字形通道模具通道之间的夹角为120°，能够有效降低挤压载荷，既实现了块状钛合金的纳米化，又提高了模具的使用寿命，拓宽了剧烈塑性变形制备纳米材料的领域。

附图说明

下面是结合附图和实施例对本发明的具体实施方案进行详细地说明。

图1是本发明人字形通道模具温挤压示意图；

图2为本发明人字形通道模具温挤压模具及附属装置图。

上述图中的标记为：

图1为本发明人字形通道模具温挤压示意图的1.凸模，2.挤压件毛坯，3.旋转凹模，4.预应力夹具，5.顶杆，6.背压顶杆，7.预应力夹具底座。

图2为本发明人字形通道模具温挤压模具及附属装置图的1.旋转螺杆，2.固定预应力夹板，3.背压顶杆，4.旋转凹模，5.挤压件毛坯，6.上模板，7.凸模垫板，8.凸模固定板，9凸模，10.固定螺钉，11.方块螺母。

具体实施方式

图1是本发明人字形通道模具温挤压示意图：1.初始状态：将处理好的钛合金坯料放入人字形通道模具型腔；2.挤压一次：凸模下行，当凸模和坯料接触挤压开始，通过人字形通道模具温挤压，同时背压杆在水平模具通道型腔对坯料实施背压后随凸模上行时回位，凸模完成一个行程，将凸模上行，同时顺时针旋转人字形通道模具；3.人字形模具旋转120°后：可实现钛合金材料的第二次塑性变形。

图2是本发明的人字形通道模具温挤压模具及附属装置：1.将处理好的钛合金坯料放入人字形通道模具型腔；2.凸模下行，当凸模和坯料接触挤压开始，通过人字形通道进行温挤压，同时背压杆在水平模具通道型腔对坯料实施背压后随凸模上行时回位；3.凸模完成一个行程，将凸模上行，同时顺时针旋转人字形通道模具，可实现钛合金材料的第二次塑性变形，此时凸模完成第二个行程，同时背压杆在水平模具通道型腔对坯料实施背压后随凸模上行时回位；4.凸模完成第二个个行程，再将凸模上行，同时逆时针旋转人字形通道模具，可实现钛合金材料的第三次塑性变形，同时背压杆在水平模具通道型腔对坯料实施背压后随凸模上行时回位；5.凸模完成第三个个行程，再将凸模上行，同时顺时针旋转人字形通道模具，可实现钛合金材料的第四次塑性变形，同时背压杆在水平模具通道型腔对坯料实施背压后随凸模上行时回位；6.最终取出钛合金挤压件。

本发明加工工艺过程：1.首先进行钛合金挤压坯料的切割制备；2.材料软化退火、喷丸表面处理工艺和水洗工艺；3.温挤压过程是通过人字形通道模具温挤压，对难变形的钛合金进行温挤压，同时通过不断旋转人字形通道模具，可实现钛合金材料的反复塑性变形，挤压过程中使用润滑剂是二硫化钼与石蜡的混合物，混合比例为2:1。

本发明所采用的凹模连续通道结构，均可采用现有技术，本发明并不局限于上述所列举的具体实施形式，凡本领域技术人员不经过创造性劳动所能得到的改进，均属于本发明的保护范围内。

本发明所需设备为机械挤压机或液压机。

Claims (2)

1.人字形通道模具温挤压制备钛合金纳米材料方法，可以对难变形的钛合金进行大的塑性变形，其特征是：钛合金坯料的化学成分及质量分数为：Al：7.5%-9.75%，V：1.5%-2.5%，余量为Ti，通过人字形中心轴线旋转人字形模具120°后再进行后续道次挤压，可实现钛合金材料的反复塑性变形，最终累积大变形，获得纳米钛合金材料，在每道次挤压过程中，通过改变人字形模具旋转的方向，可以实现钛合金剧烈塑性变形的均匀变形，晶粒尺寸均匀，可获得细化后等轴纳米晶粒材料。

2.根据权利要求1所述的人字形通道模具温挤压制备钛合金纳米材料方法，其特征是:人字形模具型腔共有三处通道，在挤压过程中除挤入和挤出两条通道外，其它一处通道采用普通顶杆密封通道。