CN106140950B - 一种高压扭转叠加制造方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压扭转叠加制造方法及装置。本发明以薄圆盘或圆环工件为原材料，进行高压扭转变形的同时不断叠加新工件，并通过进一步的高压扭转变形，实现工件之间接触面的冶金结合而不断叠加成为更厚的块体，即实现工件厚度方向的增量效果，直至加工出满足需求的大尺寸块体，获得的大块体金属工件是真正冶金学意义上的整体。该方法克服了现有HPT技术所加工工件厚度过薄的技术缺陷，与此同时，兼具了HPT可加工材料范围广、晶粒细化效果好、所需变形温度低，以及ECAP/BP‑ECAP加工工件尺寸大等技术优点。

Description

一种高压扭转叠加制造方法及装置

技术领域

本发明涉及材料加工工程领域，具体是一种通过高压扭转剧烈塑性变形和增量加工概念相结合的方法实现大块体超细晶、纳米晶金属材料制备的叠加制造方法及装置，主要应用于各种金属及合金材料，以实现这些材料在高静水压力的塑性变形和增量加工，从而控制和优化其组织结构，提高其性能。

背景技术

剧烈塑性变形(severe plastic deformation，简称SPD)方法是一系列具有大变形量的塑性加工技术的总称。SPD方法细化晶粒效果明显，可以将材料内部组织细化到亚微米级、纳米级甚至非晶态[R. Z. Valiev. Nature materials. 2004 (3): 511-516.;R.Z. Valiev, A. K. Mukherjee.Scripta mater. 2001(44): 1747–1750.]。与其它纳米晶金属材料的制备技术相比，SPD技术可以获得内部无污染，致密性高的块体成品，这对于纳米晶金属材料性能的本征研究以及工业应用均有重要意义。

近年来，采用SPD方法制备块体纳米结构材料的技术受到了材料科学领域专家、学者们的普遍关注。与此同时，大量的研究推动SPD技术在制备块体超细晶、纳米晶材料方面的不断发展。俄罗斯Ufa航空技术大学的R.Z. Valiev领导的研究小组认为，采用SPD方法制备超细晶材料应满足多项条件[R.Z. Valiev, R.K. Islamgaliev, IV. Alexandrov.Progress in Materials Science.2000(45): 103-189.]，主要包括：大塑性变形量、相对低的变形温度和变形材料内部高的静水压力。在这一原则指导下，人们提出并开发了各种SPD工艺和方法。

等径角变形 (equal-channel angular pressing，简称ECAP)和高压扭转 (high-pressure torsion，简称HPT)是最典型的SPD方法，在原理上均属等量加工范畴。ECAP技术如图1所示，采用该技术进行超细晶金属加工处理具有巨大潜力。但是，对于一些难加工合金（如镁合金等），进行ECAP经常发生开裂，如果提高变形温度，一方面会影响模具寿命，另一方面又会影响晶粒细化效果，变形温度不可能无限制地提高。而且ECAP为实现大的累积塑性变形，需要多道次加工，操作复杂。背压ECAP(back pressure equal-channel angularpressing，简称BP-ECAP)即在模具出口通道施加背压的ECAP技术，如图2所示，可以在一定程度上缓解难变形金属ECAP的开裂问题，从而改善材料的微观组织和机械性能；但是施加的背压有限，静水压力一般维持在几百兆帕[R. YE. Lapovok. Journal of materialsscience. 2005 (40) :341-346.]。施加的背压太高则由于摩擦力和模具强度等因素而无法实现ECAP。HPT技术如图3所示，是最符合前文中提到的SPD方法制备超细晶材料应满足的多项条件。在现有的SPD技术之中，HPT技术晶粒细化能力最强。然而，HPT所能加工的试样厚度方向尺寸很小[A. P. Zhilyaev, T. G. Langdon. Progress in Materials Science.2008 (53) :893-979.]，所加工的盘状试样，厚度往往仅有1mm甚至更薄。总地来说，典型的两类剧烈塑性变形技术各有特点，且均存在不足之处，其中ECAP及BP-ECAP技术能够制备板材或大块体材料，但由于变形过程中静水压力相对不足，在加工难变形金属时存在样品开裂或变形温度过高影响晶粒细化效果的问题。HPT技术最符合SPD方法制备超细晶材料应满足的多项条件，变形时能够产生几GPa甚至十几GPa的高静水压力，能够实现难变形金属相对较低温度下的剧烈塑性变形，克服了ECAP等的技术缺陷，因此细化晶粒效果最好。但与此同时，HPT技术本身的高压力特征造成了样品尺寸过薄过小的技术缺陷，这大大限制了HPT所制备样品的应用范围和前景。

鉴于上述SPD技术在静水压力、可加工材料范围、晶粒细化效果以及样品尺寸等多方面或其中某一方面存在的问题，能否把增材加工、制造技术的概念迁移过来，将传统的剧烈塑性变形技术从等量加工扩展至增量加工范畴，从而克服多种常见剧烈塑性变形方法的技术缺陷？

通常来讲，工业材料的机械或物理性能在加工、制造过程中逐步增强，而材料的物质质量在加工制造过程中却变化不一。传统工业体系的三个基本环节包括原材料采掘冶炼与粗加工、精加工和产品制造及装配，按照在任一加工环节中材料质量的变化可将具体的加工环节定义为减量加工、等量加工和增量加工。若从原材料到最终产品这一完整过程中的质量变化来看，又可将工业制造分为三种模式，减材制造、等材制造和增材制造。增材制造技术是指基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系。增量加工或者增材制造，是区别于利用车削铣磨等传统减量加工方法，或者铸造、锻造、挤压、轧制、ECAP或HPT以及其它等量加工方法的制造技术，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果，是基于材料累加原理的材料加工过程，实际上是以点、线、面为基本加工单位堆积出零件。基于不同的分类原则和理解方式，增材制造技术还有快速原型、快速成形、快速制造、3D打印等多种称谓，其内涵仍在不断深化，外延也不断扩展，这里所说的“增材制造”与“快速成形”、“快速制造”意义相同。增材制造技术不需要传统的刀具和夹具以及多道加工工序，在一台设备上可快速精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现了零件“自由制造”，容易实现三维数字化制造，响应速度快加工效率高，尤其适合难加工材料、复杂结构零件的研制生产，而且产品结构越复杂，其制造速度的作用就越显著；而增量加工对原材料利用率高，符合绿色加工理念。

现下时髦的包括3D打印技术在内的多种增材制造（快速成形）技术往往基于激光束、电子束或者电化学等提供能量，以熔化沉积、气相沉积或者液相沉积等方式实现材料累加。其主流工艺多为选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)和电子束熔化(Electron Beam Melting,EBM)等，金属原材料通过高能热源，经过熔化、堆积以及再凝固的过程实现增材加工制造[Yasa E, Kruth and J. Deckers J Cirp Annals:Manufacturing Technology, 2011, (1):263-266.]。这就必然使得其微观组织结构及成分分布等内部特征较之原材料发生很大变化，是在增材制造这一工艺过程中重新形成的。这就对增材制造技术在成形及微观组织结构控制等多方面同时提出很高的工艺要求。对于某些金属原材料，3D打印甚至无法完成“单质打印”，还需要一些添加粘结剂，打印出的产品是一个金属与粘结剂的混合物，而不是冶金学意义上的一个整体。

除了上述以金属粉末或者金属窄带材、线材为原材料的3D打印增材制造技术外，一种利用超声波焊接原理实现金属箔或薄板叠加制造技术—超声波叠合（UltrasonicConsolidation，简称UC）技术[White D. Advanced Materials and Processes, 2003,161:64-65; Janaki Ram G, Yang Y, Stucker B. Journal of Manufacturing Systems,2006, 25:221-238]，UC整合了超声焊接和数控轮廓铣削的叠加制造技术。如图4所示，该技术使用超声振动头将一定厚度的金属薄片焊接到基体上，然后使用铣刀沿截面轮廓将该层面不需要的材料去除，铣削掉的薄片被立刻吹离加工区域，即加工出叠加过程中的一层，往复进行即可实现三维实体制造。一般认为在超声波叠合过程中的初始阶段，利用高频振动波传递到金属表面，切向高频振动去除上层金属与基体金属接触面的氧化物，并在接触压力的作用下，使粗糙表面的突出部分产生反复的微焊和破坏的过程而使接触面积增大，在交界面产生塑性变形，使两个金属表面相互摩擦，接触区温度升高（但往往低于再结晶温度），相互接近到原子引力能够发生作用的距离时，即形成冶金结合。美国Solidica公司于2000年推出了商品化的UC设备，可实现超声波固结的金属薄片，包括铝、钛合金、不锈钢等，薄片厚度约0.1mm。这种技术的技术优点是：能够实现冶金结合，加工块体三维实体；加工过程材料不熔融，温升往往低于再结晶温度，不产生铸造缺陷，不减弱金属特性；环保、安全；同时，该技术也存在明显的缺点：首先超声波影响区有限，所叠合的金属薄片厚度非常小，0.1mm左右；其次，UC设备核心部件超声震动压头，须同时具备优异韧性（声波传递过程中机械损耗小）和超高硬度（耐磨性），选材范围很受限制；再次，UC适用的被加工材料有限，被加工材料强度、硬度必须小于压头，使得目前该工艺仅应用于铝、钛及其合金的叠合；此外，脆性材料在该工艺下容易产生裂纹等加工缺陷；最后，该方法虽然能够实现金属材料的冶金结合，但是被没有带来金属材料显著的细晶化，材料机械性能和物理性能没有得到明显提升。

虽然UC工艺存在一些缺点，但是这类能够实现金属材料冶金结合的工艺都将为金属增材制造提供借鉴。同样具有借鉴意义的工艺包括金属爆炸焊接，金属摩擦焊等。

以摩擦焊接为例，摩擦焊接是一种锻造焊接过程。在压力作用下，两个管件表面之间发生摩擦，摩擦力产生热量形成焊缝。母材与焊料之间的相对运动或摩擦要持续进行，直到产生足够的热量为止。之后，停止摩擦，两部分便在足够的作用力下锻接在一起，形成焊缝[Uday, M.B, Fauzi A, et al. Science and Technology of Welding and Joining,2010, (7):534-558.]。摩擦焊靠滑动摩擦生热来升温，温度往往高于工件的再结晶温度甚至达到熔点，然后轴向加压流变，产生（包括熔焊、热锻在内的）接头。摩擦焊的压力要靠要焊合的材料的轴向强度来施加，所施加压力不可能高于要焊合工件的轴向强度。依靠工件轴向由远至焊口处的温度梯度，保证在焊口高温处达到的流变强度使其产生热塑流变实现焊合。焊口附近的高温使得其组织往往是凝固态组织或热锻压的再结晶组织。相比剧烈塑性变形获得的超细晶组织，其焊口附近力学性能较弱。

对于金属增材制造或叠加制造，能否通过其他手段取代热源，同时又保证实现良好冶金结合？剧烈塑性变形方法将是最有希望的途径。剧烈塑性变形加工出来的微纳米材料的扩散激活能要低于粗晶态的材料，这是因为细晶材料中晶界密度相对较高，为原子扩散提供了更充足的通道，因此将更加有利于界面处的原子扩散，促进界面冶金结合的产生。同时通过剧烈塑性变形技术加工出的金属层叠材料，由于细晶强化的作用，既有比粗晶材料更高的强度，同时也能保证冶金界面足够高的结合强度，因而使材料整体的性能更加优异。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高压扭转叠加制造方法及装置。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种高压扭转叠加制造方法，步骤如下：

a. 首先选择加工对象，为圆盘工件(4)或圆环工件(9) 为；模具由上模、下模构成，合模后模腔的截面形状与工件的端面形状完全吻合，为圆形或圆环形，模腔的深度可变；

b. 将工件放入由上模、下模合模所构成的模腔中；

c. 在上下模之间施加轴向载荷，载荷传递至工件，在模腔约束作用下，工件内部产生高静水压力，与此同时，使上下模绕其共有中心轴发生相对转动，实现工件的高压扭转变形；

d. 将模腔深度增加一个工件厚度，在之前放入工件的上端面叠放一个新的工件，重复步骤c，新放入工件发生高压扭转变形的同时，叠放工件之间的接触面完全冶金结合，变成为增加一个工件厚度的更厚工件，实现高压扭转复合；

e. 不断重复步骤d，获得一个整体的圆棒工件或圆管工件，实现高压扭转叠加制造。

一种高压扭转叠加制造装置，包括具有恒压功能的压力机、上模（1），下模，上模（1）固定在压力机上底板上，上模与压力机中轴线同轴，下模放置于压力机下底板上，并与压力机中轴线同轴，上、下模在承受轴向载荷的同时能够绕其共有中心轴发生相对转动；加工对象为圆盘工件（4）时，下模分为刚性环套（2）和下压头（3）两部分，下压头（3）为圆柱状，同轴置于刚性环套（2）内，圆盘工件（4）与刚性环套（2）内孔、下压头（3）三者直径相同；加工对象为圆环工件（9）时，下模包括刚性环套（6）、下压头（7），刚性环套（6）内还要同轴放置一个刚性芯轴（8），相应地下压头（7）为圆管状，其端面形状与圆环工件（9）的端面形状吻合，圆环工件（9）的外径与刚性环套（6）的内径相同，圆环工件（9）的内径与刚性芯轴（8）的直径相同；上模、下模完全合模所构成的闭合模腔的截面形状与工件的端面形状完全吻合，为圆形或者圆环形；下压头（3）或（7）可沿模腔轴线上下移动，从而改变模腔深度。

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）本发明为叠加塑性加工（属增量加工范畴），这明显不同于以往轧制、挤压、拉拔、锻压以及现有的剧烈塑性变形技术如ECAP以及HPT等，这些技术加工前后材料形状或者性能发生显著改变，但材料未有明显增减，属“等量加工”技术范畴。本发明将传统HPT技术与层状复合技术相结合，这种塑性加工技术对金属材料进行剧烈塑性变形，获得具有超细晶/纳米晶多晶组织的同时，再对这些圆盘（环）工件进行高压和剪切变形条件下的叠加复合加工，复合界面实现冶金结合而成为整体，从而实现增量塑性加工的目的，从而兼具现有不同SPD技术各自在组织控制（如HPT的显著晶粒细化能力）、工件尺寸大（如ECAP的能加工大块体工件）等方面优点；技术难度与传统HPT技术相当，由于能够增量加工尺寸更大的块体超细晶、纳米晶甚至非晶材料，该技术的自动化、规模化、工业化应用前景更加显著。

（2）包括金属3D打印技术在内的多种增材制造（快速成形）技术，往往经过熔化再凝固的过程，最终获得凝固态组织。而本发明能获得具有剧烈塑性变形组织的金属产品，众所周知，剧烈塑性变形获得的超细晶/纳米晶金属材料往往具有较有优异的力学性能和物理性能，是金属材料强韧化的有效手段，因此本专利技术在叠加制造的同时金属材料的综合性能显著提高；

（3）可加工材料范围广，原材料可采用各种纯金属或者合金，对材料初始状态要求不高，可以是铸态、凝固态、冷变形态、热加工态等，经过本发明技术加工后，最终都将获得剧烈塑性变形组织，因此也可以采用事先经过HPT等剧烈塑性变形的金属材料作为原材料，如果选择经过相似变形参数下饱和变形量HPT工艺获得的金属作为原材料，本叠加制造工艺将不会明显改变其组织结构或弱化其性能。

附图说明

图1是等径角挤压(ECAP)技术原理示意图。

图2是背压ECAP(BP-ECAP)技术原理示意图。

图3是高压扭转(HPT)技术原理示意图,从左到右依次为无约束、半约束和全约束HPT。

图4是超声波叠合（Ultrasonic Consolidation，简称UC）技术原理示意图。

图5和图6是本发明高压扭转叠加制造技术原理示意图，分别对应圆盘工件和圆环工件的叠加制造。

图7是本发明高压扭转叠加制造具体实施例所采用装置原理示意图。

图8是右（左）手定律确定螺杆螺旋线旋向的原理示意图。张开右手，除拇指外的四指并拢伸直，并与螺杆旋进方向一致，如果看到的螺纹右边高左边低，即与右手拇指朝向一致，则为右旋，右旋螺杆顺时针转动时，螺杆会朝旋进方向移动；左旋则反之。

图9是5N超高纯铝（99.999% wt.）退火态（200℃1小时）组织，平均晶粒尺寸~200μm，晶界平直。

图10是5N超高纯铝（99.999% wt.）经过超过25圈饱和HPT加工后，又经过3圈（720°）HPT叠加制造后，某一界面附近组织示意图。

图11是5N超高纯铝（99.999% wt.）经过超过25圈饱和HPT加工后，又经过5圈HPT叠加制造后，某一界面附近组织示意图。

图12是5N超高纯铝（99.999% wt.）退火态（200℃1小时）组织，经过1/2圈（180°）高压扭转复合后，两圆盘接触面附近组织示意图。

图13是5N超高纯铝（99.999% wt.）退火态（200℃1小时）组织，经过1圈（360°）高压扭转复合后，两圆盘接触面附近组织示意图。

具体实施方式

本发明借鉴增材制造、增量加工的概念，开发了一种基于高压扭转的叠加制造方法。该高压扭转叠加制造方法将常规HPT技术与层状复合技术相结合，继承了HPT静水压力高、晶粒细晶效果显著等技术优点，同时利用高压和剪切变形实现金属间的冶金结合，以薄圆盘或圆环工件为原材料，进行高压扭转变形的同时不断叠加新工件，并通过进一步的高压扭转变形，实现工件之间接触面的冶金结合而不断叠加成为更厚的块体，也即实现工件厚度方向的增量效果，直至加工出满足需求的大尺寸块体，而且获得的大块体金属工件是真正冶金学意义上的整体。这种方法克服了现有HPT技术所加工工件厚度过薄的技术缺陷。与此同时，高压扭转叠加制造技术在加工过程中实现了被加工金属材料在高静水压力下剧烈的剪切塑性变形，其高压扭转技术特征使之克服了ECAP等技术在较低温度对难变形金属进行大变形量加工时工件开裂，升高变形温度后又无法获得细小晶粒的技术缺陷。也就是说该技术兼具了HPT可加工材料范围广、晶粒细化效果好、所需变形温度低，以及ECAP/BP-ECAP加工工件尺寸大等技术优点，同时又克服了它们的主要技术缺陷，这是现有等量加工范畴内的剧烈塑性变形技术所不具备的。该叠加制造技术基于高压扭转技术，体现了常规高压扭转（HPT）方法获得的超细晶/纳米晶薄片材—所有的组织结构和成分分布等物理特征。而现有以金属为原材料的增材制造、叠加加工技术工艺，有些需要辅以粘结剂，加工出的工件属于复合材料，并不是冶金学意义上的均质合金材料；有些需要高能热源（激光、电子束等）使金属原材料经过熔化、堆积以及再凝固的过程实现，这对原材料组织结构、成分分布等的显著影响，无论金属原材料是何种状态，最终的成品件往往是凝固态。这种方式加工出的凝固态成品，由于成型过程中各种材料因素和工艺因素等的影响，可能包含各种冶金缺陷（如裂纹、变形、气孔、组织不均匀等）。而本发明高压扭转叠加制造技术，获得的通常是剧烈塑性变形超细晶组织，力学性能较凝固态成品往往显著提高。

本方法的技术核心是利用高压和塑性变形实现金属界面的冶金结合。由于被加工材料受到模具的约束，其压力达到GPa量级以上，远高于要复合的材料工件自身的强度，这种高压和剧烈塑性变形有利于界面处加工硬化层及氧化层的破碎，从而露出未被氧化的内层金属，新鲜金属在高压和剧烈剪切变形作用下最终实现冶金结合，不需要类似于摩擦焊的显著温度梯度来保证流变集中在界面附近。

为了实现上述目的，本发明一种高压扭转叠加制造方法包括如下步骤：

1）首先选择加工的工件与HPT的类似，为圆盘工件，在进行高压扭转叠加制造之前，对工件进行清洁，去脂去污，并用钢刷等对圆盘工件的上下端面进行毛化处理，增大表面粗糙度同时破坏原有氧化层。

2）在具有恒压保压功能压力机的上、下底板上分别安装上模和下模；其中上模包括与圆盘状工件上表面直接接触的上压头及其与压力机上底板连接的附属连接件，上压头与圆盘状工件的接触面经过毛化处理，以增大与工件接触时的摩擦力；下模包括刚性环套，其中间孔同轴放置下压头，下压头与工件的接触面同样经过毛化处理，下压头通过独立机构控制其在刚性环套中间孔中可沿轴线上下移动，并在承受来自工件的轴向载荷或扭矩（进行高压扭转）时，与刚性环套的绕轴转动、轴向运动状态始终保持相同，使得下压头在高压扭转变形时不与刚性环套发生相对转动或沿轴向移动，而是支撑工件底部；上下模之一可绕中心轴转动。

3）加工开始前将两个圆盘工件放入刚性环套中孔，工件与环套孔二者直径相同，利用独立机构调整下压头位置，使得下压头上端面沉入刚性环套的深度为0.1~1.9倍圆盘工件厚度为宜。

4）压力机下压使上下模完成合模，合模后，将模具中工件看做一个整体，其上下端面分别与模具的上下压头毛化面接触。进一步施加轴向压力，在工件轴向产生1~15GPa的正压力，并保持不变；使可转动模具在工件受压的同时发生转动，转动角度或圈数不受限，可根据加工需要改变。在模具的上下压头毛化面摩擦力作用下，工件发生高压扭转变形。

5）完成一定量的高压扭转变形（比如20圈）后，两个圆盘状工件的微观组织结构演变达到饱和，并且其接触面实现完全冶金结合，原先的两个叠放圆盘变成一个厚度更厚的圆盘（考虑到会有金属从模具间隙流出形成飞边，冶金结合后的圆盘厚度将比初始圆盘的2倍厚度略小），这个过程称之为高压扭转复合。

6）将下压头相对于刚性环套下移一个圆盘工件厚度，再放入一个符合步骤1）条件的圆盘工件，进行高压扭转加工，使新放入工件的组织结构演变达到饱和，同时，新放入的工件与之前已完成叠加制造工件的接触面在高压和剪切变形下实现冶金结合。

7）重复进行步骤6），圆盘工件逐层叠加，通过接触面的冶金结合实现增量加工，被加工材料从一个个圆盘状工件叠加成冶金学意义上的一个整体圆棒状工件，圆棒工件厚度不断增加，直至尺寸符合使用要求；整个过程是重复进行的高压扭转复合，称之为高压扭转叠加制造；

进一步地，该高压扭转叠加制造装置根据所选择的高压扭转变形约束状态可选用不同形状的上压头（参考说明书附图3）。上述步骤1）~7）选用了半约束的方案，如图5所示，上压头采用凹孔状，孔深以0.1~1.9倍圆盘工件厚度为宜。如果采用无约束或全约束的方案，则上压头形状可为平头状（无约束）或凸台状（全约束），并将上述步骤3）中下压头上端面沉入刚性环套的深度分别调整为0~1倍或2~3倍圆盘工件厚度为宜。

进一步地，该高压扭转叠加制造方法除了采用圆盘工件作为原材料获得棒材外，也可将圆环工件作为原材料加工出管材，如果采用圆环工件，上、下压头需根据工件形状稍作改变。如果选用半约束的方案，如图6所示，上压头修改为具有与工件内外径一致的环形凹槽，槽深以0.1~1.9倍圆盘工件厚度为宜；如果采用无约束或全约束的方案，则上压头形状可为平头（无约束）或与工件内外径一致的环形凸台（全约束），并将上述步骤3）中下压头上端面沉入刚性环套的深度分别调整为0~1倍或2~3倍圆盘工件厚度为宜；并且下压头采用与环形工件内外径一致的环形压头，刚性环套中间孔需要同轴放置刚性芯轴，从而构成与圆环工件尺寸吻合的环形模腔。

进一步地，该高压扭转叠加制造方法对圆盘工件的初始状态没有要求，原材料的加工工艺可以是热加工（铸造、锻造）、冷变形（挤压、冲压、ECAP等）或热处理（退火、淬火等）态的。如果采用上述状态的金属作为原材料，每次高压扭转复合时的扭转圈数需要足够多（比如，超过20圈），在实现接触面完全冶金结合的同时，获得均匀细小的饱和晶粒尺寸（与经过相同变形量加工的HPT组织一致）；原材料也可以采用实现经过饱和HPT加工的圆盘工件，此时，每次高压扭转复合的扭转圈数不需要太多，因为原材料的微观组织已经是经过饱和HPT加工的均匀细小的超细晶/纳米晶组织，仅需要实现冶金结合所需的变形量。

进一步地，所述上、下压头整体选择强度或者韧性较高的材质，比如工具钢；或者其基体选择韧性较高的材质，比如中碳钢或者工具钢，而其与圆盘工件接触的部位选择硬质合金或者钢结硬质合金，镶嵌于上下压头的基体上；

进一步地，所述上或下模通过推力轴承可转动安装于压力机上下底板上；

进一步地，所述技术中关于方位“上”、“下”的描述仅仅是相对的概念，水平放置、倾斜或者颠倒放置，并不影响该技术原理的实现。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

选用5N超高纯铝（99.999% wt.）进行了室温高压扭转叠加加工。

如图7所示，首先圆盘工件52存放于原料预处理区51，在该区域完成热处理、表面清洁去脂、干燥、钢刷毛化、氧化层去除等预处理工序后的圆盘工件54进入送料装置53等待，上模56与压力机上底板相连，将压力机的垂直压载P传递给正在进行高压扭转叠加加工的圆盘工件55，上模56与刚性环套57以及已经完成叠加加工的圆棒工件50对圆盘工件55实现如图3中的HPT半约束，所述刚性环套57为内外双层甚至多层预应力套筒结构，内层选择硬度和韧性都较高的材质，比如工具钢；外层选择韧性较高的材质，比如中碳钢或者工具钢；与此同时由于在压力作用下螺杆58能够“自锁”，其上的下压头59对已经完成叠加加工的圆棒工件50底部形成支撑，上、下压头与工件的接触面经过毛化处理，约束的存在以及接触面上的巨大摩擦力，使得圆盘工件55内部产生1~15GPa的静水压力；圆盘工件55的上端面与经过毛化处理的上压头在摩擦力的作用下呈粘着状态，从而保持相同的运动趋势；同理，圆棒工件50的下端与下压头保持相同的运动趋势，此时，转动上模具或者下模具，圆盘工件55的上端面与圆棒工件50的下端面之间将产生相对扭转；设备对圆盘工件55的加压会受到其与刚性环套57内壁摩擦力的影响，导致传递至圆棒工件50高度方向中部的压力明显低于圆盘工件55和圆棒工件50与上、下压头接触的“端部”位置；由于在压力作用下圆棒工件50的侧壁被刚性环套57内壁约束，因此不仅是其下端面，而是几乎整个圆棒工件50都将与包括下压头在内的下模具保持相同的运动趋势，圆棒工件50的其它部分所分担的扭转变形很少；这种扭转变形或压力分布的不均匀就是所谓的边界效应或边缘效应；高压及剪切变形在边缘效应的影响下，将集中在圆盘工件55及圆棒工件50上端附近，这种效应的存在导致扭转变形和高压都集中在圆盘工件55及其与圆棒工件50的接触面附近，这些区域所发生的变形与常规HPT时的剪切变形类似，在高静水压力和剪切变形作用下圆盘工件55及圆棒工件50的接触面实现冶金结合成为一体，构成新的圆棒工件50，较之前的圆盘工件在高度方向近似增加了一个圆盘工件的厚度，从而实现叠加制造。加工后的整个工件的材料，其微观组织结构和成分分布将具有HPT所加工材料的显著特征。

图7中， 50-已完成高压扭转叠加制造的圆棒工件，虚线示意给出堆叠的圆盘工件之间叠加制造前的接触面位置，变形后这些结合面产生冶金结合，使得堆叠的圆盘工件成为一个圆棒状的整体，因此，加工前圆盘工件的接触面在最终获得的圆棒工件中是难以分辨的；51-原料预处理区，该区域存放52-待复合加工的圆盘工件，并完成对待加工工件的表面清洁、干燥、钢刷毛化、氧化层去除等；53-送料装置，该装置可将54-完成表面预处理的圆盘工件传送至进行高压扭转变形的上模、下模之间的模腔，也就是目前55-正在进行高压扭转变形的圆盘工件以及50-已完成高压扭转叠加制造的圆棒工件所在位置；56-上模，包括与盘状工件上表面直接接触的上压头及其与压力机上底板连接的附属连接件；57-刚性环套，其中间孔同轴放置58-螺杆通过独立机构可控制旋上旋下，从而调整模腔高度方向的大小，58-螺杆在轴向压力作用下能够“自锁”，保证高压扭转变形时对工件底部的支撑，58-螺杆上端部装配有59-下压头，57-刚性环套（图中为双层预应力组合套筒结构）、58-螺杆、59-下压头等构成了下模具，下模具通过60-推力轴承等与压力机下底板相连，整体可以绕轴转动，其转动方向与右（左）手定律确定的螺杆旋向相反—如果螺杆为右旋螺杆，转动方向为左旋；如果螺杆左旋，则转动方向为右旋，从而保证进行高压扭转或增量高压扭转时58-螺杆所受的扭矩只能使螺杆有“旋上”的趋势；P为压力机产生的轴向压力；T为装置转动的扭矩；此外，从图7的局部放大图可以看出，56-上模、57-刚性环套以及50-已完成高压扭转叠加制造的圆棒状工件对55-正在进行高压扭转叠加制造变形的圆盘工件实现了半约束，h为圆盘工件厚度，t为半约束留下的间隙高度，间隙中填充了固体润滑剂，一方面可以减少圆盘工件受压后从约束间隙流出的“飞边”，另一方面减小发生高压扭转变形所需的扭矩T。

进一步地，根据现有经验，如果将所加工的原材料改成已经经过常规饱和变形量HPT加工的均匀超细晶材料，则可在后续的高压扭转复合及叠加制造时，选用与常规HPT一样的变形参数，并减少每次高压扭转复合加工时的高压扭转圈数，因为此时高压扭转仅是为了实现工件间的冶金结合，晶粒尺寸等在这一过程中已经不再进一步细化。

实施例一

该实施例选用的方案是首先将退火态粗晶（平均晶粒尺寸~200μm）高纯铝圆盘逐个进行超过25圈的高压扭转变形，获得平均晶粒尺寸~8μm的均匀细小组织结构。然后再将这些圆盘工件作为高压扭转叠加制造的原材料，进行高压扭转复合和叠加制造，每叠加一个圆盘工件，只需再进行5圈左右的高压扭转，最终获得冶金学意义上为一个整体的高纯铝棒状工件。

超高纯铝初始状态为退火态（200℃，1小时），如图9所示，平均晶粒尺寸~200μm，晶界平直，是典型的退火态组织。将其加工成直径30mm，高度1.2mm的圆盘，经过室温条件下，转动速度1rpm，静水压力2GPa的饱和HPT（转动超过25圈）后，工件厚度减薄至0.9~1mm，其稳定晶粒尺寸8μm左右，此时剪切试验测出的超高纯铝的剪切强度从退火态的20MPa提高近3倍，达到58MPa，将这种具有8μm平均晶粒尺寸的圆盘工件进行变形参数不变的HPT复合，经过3周（720°）HPT后界面附近组织如图10所示，平均晶粒尺寸保持在8μm，界面处大部分实现了冶金结合，仅能通过图10中间位置的一些断续的衬度差异分辨出原有接触面，此时剪切试验测出的界面处的剪切强度约为46MPa，稍低于超高纯铝基体的剪切强度；经过5周HPT后，界面附近组织如图11所示，原有界面完全消失，圆盘工件间通过完全冶金结合成为一体，其晶粒尺寸与3周HPT时一致，反映了高压扭转叠加加工微观组织结构的遗传性，此时剪切试验测得的界面处剪切强度达到~63MPa，与高纯铝基体材料剪切强度相当，这也佐证了界面处实现了冶金结合。通过该方法，经过99次叠加加工，每次叠加加工都经过超过5周HPT加工，成功将100个圆盘工件叠加加工制得了高度约89mm，直径30mm的棒状大块体工件，细化效果显著，平均晶粒尺寸小于10μm。

实施例二

该实施例选用简化工序的方案，直接将退火态粗晶（平均晶粒尺寸~200μm）高纯铝圆盘作为高压扭转叠加制造的原材料，进行高压扭转复合和叠加制造，每叠加一个圆盘工件，需要进行25圈左右的高压扭转，从而保证实现圆盘之间冶金结合的同时，其微观组织结构均匀而稳定，不随变形进一步发生而改变，最终获得平均晶粒尺寸小于10μm的冶金学意义上为一个整体的高纯铝棒状工件。

超高纯铝初始状态为退火态（200℃1小时），如图9所示，平均晶粒尺寸~200μm，晶界平直，是典型的退火态组织。将其加工成直径30mm，高度1.2mm的圆盘，这些圆盘不再逐个经过饱和变形量的HPT制成细晶圆盘，而是直接作为高压扭转叠加制造的原材料。首先对两个圆盘工件进行高压扭转复合，具体参数：室温，转动速度1rpm，静水压力2GPa，转动超过25圈，此时获得平均晶粒尺寸8μm左右的均匀稳定微观组织，原先叠放在一起的两个圆盘组织细化的同时，其接触面实现了完全冶金结合，变成一个厚度约2mm的圆盘，此时剪切试验测得的超高纯铝的剪切强度从退火态的20MPa提高近3倍，达到~60MPa，此时剪切试验测得的界面处的剪切强度达到~65MPa，与高纯铝基体材料剪切强度相当，这也佐证了界面处实现了冶金结合。每叠加一个圆盘工件均进行25圈的高压扭转，通过该方法，经过99次叠加加工，成功将100个圆盘工件叠加加工制得了高度约92mm，直径30mm的棒状大块体工件，细化效果显著，平均晶粒尺寸小于10μm，与实施例一获得的结果几乎没有差异。

在这一方案中，每叠加一个新的圆盘工件都要进行25圈的高压扭转，是为了保证工件不同位置的最终晶粒尺寸均匀细小（和图11微观组织类似），其实，在扭转的初始几圈，冶金结合已经完全发生。为了说明冶金结合在高压扭转复合的初始几圈快速发生并完成，这里对比了1/2圈和1圈高压扭转复合的两个超高纯铝圆盘工件接触面附近微观组织结构，高压扭转变形参数同实施例一相同，图12为经过1/2圈高压扭转复合的两个超高纯铝圆盘工件接触面附近组织示意图，界面还没有发生明显的冶金结合，界面以机械咬合为主，仍然存在100微米左右的粗大晶粒。而图13为经过1圈高压扭转复合的两个超高纯铝圆盘工件接触面附近组织示意图，晶粒发生了一定程度的细化，但还很不均匀，与图11所示均匀细小晶粒组织还有明显差距，但界面已经模糊难辨，冶金结合程度已经很高。

Claims (15)

1.一种高压扭转叠加制造方法，其特征在于步骤如下：

a. 首先选择加工对象，为圆盘工件(4) 或圆环工件(9) ；模具由上模、下模构成，合模后模腔的截面形状与工件的端面形状完全吻合，为圆形或圆环形，模腔的深度可变；

b. 将工件放入由上模、下模合模所构成的模腔中；

c. 在上下模之间施加轴向载荷，载荷传递至工件，在模腔约束作用下，工件内部产生高静水压力，其压力达到GPa 量级以上，与此同时，使上下模绕其共有中心轴发生室温相对转动，实现工件的室温高压扭转变形；

d. 将模腔深度增加一个工件厚度，在之前放入工件的上端面叠放一个新的工件，重复步骤c，新放入工件发生室温高压扭转变形的同时，叠放工件之间的接触面界面处加工硬化层及氧化层破碎，从而露出未被氧化的内层金属，新鲜金属在高压和剧烈剪切变形作用下最终实现完全冶金结合，变成为增加一个工件厚度的更厚工件，实现室温高压扭转复合；

e. 不断重复步骤d，获得一个整体的剧烈塑性变形超细晶组织圆棒工件或圆管工件，实现室温高压扭转叠加制造。

2.根据权利要求1所述的高压扭转叠加制造方法，其特征在于：步骤b中放入的工件个数为一个或两个。

3.根据权利要求1所述的高压扭转叠加制造方法，其特征在于：所述工件的厚度在0.1mm~5mm之间，材质为同种金属或合金。

4.一种实现权利要求1所述的高压扭转叠加制造方法的高压扭转叠加制造装置，其特征在于：包括具有恒压功能的压力机、第一上模（1），第一下模，第一上模（1）固定在压力机上底板上，第一上模（1）与压力机中轴线同轴，第一下模放置于压力机下底板上，并与压力机中轴线同轴，第一上模（1）、第一下模在承受轴向载荷的同时能够绕其共有中心轴发生相对转动；

加工对象为圆盘工件（4）时，第一下模分为第一刚性环套（2）和第一下压头（3）两部分，第一下压头（3）为圆柱状，同轴置于第一刚性环套（2）内，圆盘工件（4）与第一刚性环套（2）内孔、第一下压头（3）三者直径相同；

第一上模（1）、第一下模完全合模所构成的闭合模腔的截面形状与工件的端面形状完全吻合，为圆形；第一下压头（3）可沿模腔轴线上下移动，从而改变模腔深度；第一刚性环套（2）中间孔同轴放置螺杆（58），通过独立机构可控制旋上旋下，从而调整模腔高度方向的大小，螺杆（58）在轴向压力作用下能够“自锁”，保证高压扭转变形时对工件底部的支撑， 螺杆（58）上端部装配有第一下压头（3）。

5.根据权利要求4所述的高压扭转叠加制造装置，其特征在于：第一下压头（3）在承受来自工件的轴向载荷或扭矩，即在进行高压扭转时，与第一刚性环套（2）的绕轴转动、轴向运动状态始终保持相同，使得第一下压头（3）在高压扭转变形时不与第一刚性环套（2）发生相对转动或沿轴向移动，而是支撑工件底部。

6.根据权利要求4所述的高压扭转叠加制造装置，其特征在于：所述第一上模（1）与工件的接触面以及第一下压头（3）与工件的接触面经过毛化处理，以增大摩擦系数。

7.根据权利要求4所述的高压扭转叠加制造装置，其特征在于：所述第一上模（1）、第一下压头（3）整体可选择工具钢或硬质合金；或者，第一上模（1）、第一下压头（3）的基体选择中碳钢或者工具钢，而其与工件接触的部位选择硬质合金。

8.根据权利要求4所述的高压扭转叠加制造装置，其特征在于：

所述装置对所加工对象的约束情况为半约束情况时，第一上模（1）在其下端面几何中心有一凹槽，凹槽形状根据加工对象为圆盘工件对应圆形，圆形凹槽的直径尺寸与工件完全吻合；

所述装置对所加工对象的约束情况为无约束或全约束两种极端情况时，分别选择平头或有凸台的第一上模；对于有凸台的全约束第一上模（1），根据加工对象为圆盘工件，凸台形状为圆形，圆形凸台的直径尺寸与工件完全吻合。

9.根据权利要求8所述的高压扭转叠加制造装置，其特征在于：

半约束情况下，第一上模（1）的凹槽深度在0.1~1.9倍工件厚度；第一下压头（3）上端面的轴向位移上限为距第一刚性环套（2）上端面0.1~1.9倍工件厚度的位置；

无约束情况下，第一下压头（3）上端面的轴向位移上限为距第一刚性环套（2）上端面0~1倍工件厚度的位置；

全约束情况下，第一下压头（3）上端面的轴向位移上限为距第一刚性环套（2）上端面1~3倍工件厚度的位置。

10.一种实现权利要求1所述的高压扭转叠加制造方法的高压扭转叠加制造装置，其特征在于：包括具有恒压功能的压力机、第二上模（5），第二下模，第二上模（5）固定在压力机上底板上，第二上模（5）与压力机中轴线同轴，第二下模放置于压力机下底板上，并与压力机中轴线同轴，第二上模（5）、第二下模在承受轴向载荷的同时能够绕其共有中心轴发生相对转动；

加工对象为圆环工件（9）时，第二下模包括第二刚性环套（6）、第二下压头（7），第二刚性环套（6）内还要同轴放置一个刚性芯轴（8），相应地第二下压头（7）为圆管状，其端面形状与圆环工件（9）的端面形状吻合，圆环工件（9）的外径与第二刚性环套（6）的内径相同，圆环工件（9）的内径与刚性芯轴（8）的直径相同；

第二上模（5）、第二下模完全合模所构成的闭合模腔的截面形状与工件的端面形状完全吻合，为圆环形；第二下压头（7）可沿模腔轴线上下移动，从而改变模腔深度。

11.根据权利要求10所述的高压扭转叠加制造装置，其特征在于：第二下压头（7）在承受来自工件的轴向载荷或扭矩，即在进行高压扭转时，与第二刚性环套（6）及刚性芯轴（8）的绕轴转动、轴向运动状态始终保持相同，使得第二下压头（7）在高压扭转变形时不与第二刚性环套（6）及刚性芯轴（8）发生相对转动或沿轴向移动，而是支撑工件底部。

12.根据权利要求10所述的高压扭转叠加制造装置，其特征在于：所述第二上模（5）与工件的接触面以及第二下压头（7）与工件的接触面经过毛化处理，以增大摩擦系数。

13.根据权利要求10所述的高压扭转叠加制造装置，其特征在于：所述第二上模（5）、第二下压头（7）整体可选择工具钢或硬质合金；或者，第二上模（5）、第二下压头（7）的基体选择中碳钢或者工具钢，而其与工件接触的部位选择硬质合金。

14.根据权利要求10所述的高压扭转叠加制造装置，其特征在于：

所述装置对所加工对象的约束情况为半约束情况时，第二上模（5）在其下端面几何中心有一凹槽，凹槽形状根据加工对象为圆盘圆环工件对应环形，环形凹槽的内、外径尺寸与工件完全吻合；

所述装置对所加工对象的约束情况为无约束或全约束两种极端情况时，分别选择平头或有凸台的第二上模（5）；对于有凸台的全约束第二上模（5），根据加工对象为圆环工件，凸台形状为环形，环形凸台的内、外径尺寸与工件完全吻合。

15.根据权利要求14所述的高压扭转叠加制造装置，其特征在于：

半约束情况下，第二上模（5）的凹槽深度在0.1~1.9倍工件厚度；第二下压头（7）上端面的轴向位移上限为距第二刚性环套（6）上端面0.1~1.9倍工件厚度的位置；

无约束情况下，第二下压头（7）上端面的轴向位移上限为距第二刚性环套（6）上端面0~1倍工件厚度的位置；

全约束情况下，第二下压头（7）上端面的轴向位移上限为距第二刚性环套（6）上端面1~3倍工件厚度的位置。

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