CN107101868B - 一种高通量锻造热模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种高通量锻造热模拟装置及方法，属于材料研发及加工领域。包括液压机、锻造上模、锻造室、行程导杆、整体式隔热装置、阶梯式样品台、电阻加热及温控系统、气流冷却及控制系统、压力传感器、位移传感器和压力位移数据采集处理系统。阶梯式样品台上排列放置成分不同、大小相同的样品，通过电阻加热及温控系统控制各个试样的目标加热温度，按照预先设定的压下行程和行程速率进行锻造热模拟实验。通过压力位移数据采集处理系统得到每个样品的应力应变曲线，对样品进行检测，高通量表征不同锻造工艺参数对材料组织、性能的影响，为材料锻造模拟提供大量的基础数据，验证材料锻造模拟结果，快速筛选最优试样及其最佳锻造工艺参数，缩短材料研发周期，降低研发成本。

Description

一种高通量锻造热模拟装置及方法

技术领域

本发明属于材料研发及加工领域，特别是涉及一种高通量锻造热模拟装置及方法。

技术背景

先进材料是科技创新、经济社会发展和提高全球竞争力的核心。当前，先进材料的开发致力追求一种高效、低成本的研究方法，其中材料基因工程提供了一种材料计算模拟、高通量制备与表征和材料信息学/数据库相融合的协同创新研发理念。当前，由于受到计算能力、理论模型和基础数据的限制，大多数计算结果的准确性还远不能达到实验结果水平，难以满足实用的要求。因此，在由传统实验方法向新型预测方法的过渡中，高通量实验发挥着重要作用。

材料高通量实验是在短时间内完成批量样品的制备与表征，其核心思想是将传统材料研究中的顺序迭代改为并行处理，以提高材料研究效率。经过几十年的发展，作为材料基因组计划三大要素之一的材料高通量制备与表征技术已经取得了较大的发展，并被证明可有效的加速材料研发和应用进程。高通量实验不仅可以为材料模拟计算提供大量的基础数据，使材料数据库得到充实，还可以为材料模拟计算提供实验验证，使计算模型得到优化、修正。更为重要的是，材料高通量实验可快速提供有价值的研究成果，加速材料的筛选和优化。

锻造是一种广泛应用的材料加工工艺，其中镦粗是锻造中最常见的变形方式。合金成分、锻造变形量、变形温度等参数对合金的动态回复和动态再结晶有显著影响。通过Gleeble试验机压缩热模拟实验可以代替普通锻造镦粗热模拟实验，从而得到材料的应力应变等基础数据，但Gleeble试验机一次只能做一个压缩热模拟实验、效率较低，无法满足高通量热压缩模拟要求。本发明提供一种高通量锻造热模拟装置及方法，利用该装置和方法可以一次批量完成不同锻造工艺参数下的锻造热模拟实验，得到多个样品不同工艺条件下的应力应变曲线。该方法可以为材料锻造模拟提供大量基础数据，也可以验证材料锻造模拟结果，实现快速筛选最优试样及其最佳锻造工艺参数，从而大大缩短材料研发周期，降低研发成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高通量锻造热模拟装置及方法，可以一次批量完成不同锻造工艺参数下锻造实验，不仅可为材料锻造模拟提供基础数据，还可以验证材料锻造模拟结果，从而快速筛选最优试样及其锻造工艺参数。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种高通量锻造热模拟装置，其特征在于，包括液压机、锻造上模、锻造室、行程导杆、整体式隔热装置、阶梯式样品台，电阻加热及温控系统、气流冷却及控制系统、压力传感器、位移传感器和压力位移数据采集处理系统。锻造室内置阶梯式样品台，每行样品采用整体式隔热装置分隔开，这样方便控制温度和气流冷却，电阻加热及温控系统给样品提供热源，气流冷却及控制系统给样品冷却。

优选地，所述液压机采用2000KN四柱液压机，可以设定上滑块压下行程和压下速率。

优选地，所述锻造室内置阶梯式样品台、整体式隔热装置、电阻加热及温控系统、气流冷却及其控制系统，设计四个行程导杆，锻造室设置在液压机工作台上，锻造上模固定在液压机滑块上，在行程导杆的引导下运动。

优选地，所述阶梯式样品台放在锻造室内，同时与基座相固定。阶梯式样品台上，样品可以同时放置多行，每行可以放置多个，样品台每行的高度呈阶梯式均匀分布(相邻样品台高度差为1mm)。

优选地，所述整体式隔热装置采用纳米微孔隔热板(最高使用温度1100℃)，将每个样品分隔成一个个独立的空间。

优选地，所述电阻加热及温控系统集合了电阻加热和温控系统，分别给每个样品提供热源，并控制温度。

优选地，所述气流冷却及控制系统集合了气流冷却系统和控制系统，控制系统通过调节气体流量控制样品的冷却速度。

优选地，所述压力传感器设有64个，分别安置在锻造上模，用于测量每个样品对应上模的压力。

所述位移传感器安置在锻造上模用于测量整个上模的位移量。

所述压力位移数据采集处理系统用于记录传感器测得的压力和位移，并将位移和压力一一对应生成应力应变曲线。

本发明还提供了一种高通量锻造热模拟方法，其特征在于，所述高通量锻造热模拟方法包括以下步骤：

步骤一：将锻造上模固定在液压机的滑块上，将锻造室固定在液压机工作台上，使得锻造上模可以在行程导杆的引导下上下移动。

步骤二：将同一成分、同样大小的样品排列放置在锻造室的阶梯式样品台上，通过整体式隔热装置将每行样品分开，每行样品的加热互不影响；

步骤三：通过电阻加热及温控系统，设置阶梯式样品台的每行样品的目标锻造温度。开通电源，系统启动，按照设置升温速率加热，直至加热到目标温度，保温时间相同；

步骤四：对锻造上模和锻造室进行定位，设置锻造上模的压下行程和行程速率，开启压力位移数据采集处理系统；

步骤五：保温结束后，断电，开启锻造程序，按照预先设定的压下行程和行程速率进行锻造热模拟实验；

步骤六：锻造热模拟实验结束后，断电，开启气流冷却及控制器系统，使样品快速冷却到室温，取出样品，锻造热模拟实验结束；

步骤七：通过压力位移数据采集处理系统得到每个样品的应力应变曲线；

步骤八：将同一行的样品用环氧树脂镶样，经过砂纸研磨和金刚石抛光膏抛光后，利用金相显微镜进行样品检测，从而高通量表征不同锻造工艺参数对样品组织、性能的影响。

优选地，所述环氧树脂的主要成分是纯环氧树脂和胶黏剂。

本发明的积极进步效果在于，本发明同时将多个样品放在锻造室的阶梯式样品台上，每行样品都与阶梯式样品台基座固定组合成一个整体，便于锻造后的高通量表征。每行或者每列的样品中，必有一个锻造工艺参数值是相同的，每个样品都拥有独立的温控系统及冷却控制系统，且采用整体式隔热装置，形成一个个相对封闭的独立空间，彼此之间互不影响。通过温控系统调控锻造温度和阶梯式样品台，进而一次性进行多个工艺参数条件下样品的锻造实验，得到多个样品的应力应变曲线，可用于快速筛选最优样品及锻造工艺参数。

附图说明

图1是本发明高通量锻造装置示意图，图中1.锻造上模，2.锻造室，11.压力位移数据采集处理系统，12.液压机。

图2是高通量锻造装置中锻造室的结构示意图。

图3是高通量锻造装置中锻造室的结构剖面图。

其中3.行程导杆，4.整体式隔热装置，5.试样，6.阶梯式样品台，7.电阻加热及温控系统，8.气流冷却及控制系统。

图4是高通量锻造上模的结构示意图，其中9压力传感器，10位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图给出发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。本发明高通量锻造热模拟方法包括以下步骤：

步骤一：将锻造上模固定在液压机的滑块上，将锻造室固定在液压机工作台上，使得锻造上模可以在行程导杆的引导下上下移动。

步骤二：将同一成分、同样大小的试样排列放置在锻造室的阶梯式样品台上，通过整体式隔热装置将各个试样分开，每个试样的加热和冷却互不影响；

步骤三：通过电阻加热及控温系统，设置样品台每行试样的目标加热温度(1050℃、1000℃、900℃、800℃等)，保温时间相同；

步骤四：开通电源，开始按照控温程序加热，直至加热到目标温度，保温一定时间(比如1min)；

步骤五：对锻造上模和锻造室进行定位(比如锻造上模下表面距离最近的试样50mm)，根据试样最大压下量(比如最大压下量9mm)，设定锻造上模的压下行程和行程速率；同时开启压力位移数据采集处理系统；

步骤六：开启液压机电源，使得锻造上模按照设定的压下行程和行程速率运动。

步骤七：锻造热模拟实验结束后，通过气流冷却及控制系统，设置每行试样的气流系统的气流量(可以为4L/min、3L/min等)，开启气流冷却系统，每个试样独立冷却到室温。

步骤八：通过压力位移数据采集处理系统得到每个样品的应力应变曲线；

步骤九：试样完全冷却后，取出试样，用环氧树脂镶样，经过砂纸研磨和金刚石抛光膏抛光后，利用不同的实验设备(如金相显微镜)，从而高通量表征不同锻造工艺参数对样品组织、性能的影响。

本发明高通量锻造热模拟方法主要采用锻造上模1、锻造室2、行程导杆3、整体式隔热装置4、阶梯式样品台6、电阻加热及温控系统7、气流冷却及控制系统8、压力传感器9、位移传感器10、压力位移数据采集处理系统11、液压机12。阶梯式样品台由整体式隔热装置分隔成一个个独立的空间，每个空间分别放置一个试样，且每个空间都有各自独立电阻加热及温控系统，可以控制目标加热温度及保温时间。

所述阶梯式样品台，相邻两行之间的样品台高度差一样，同一行样品台高度一样。阶梯式样品台的控制工艺参数可以是试样变形温度、变形量、材料成分中的任何两个，可以方便一次性研究两个不同锻造工艺参数对样品组织、性能的影响。

所述整体式隔热装置采用纳米微孔隔热板，将样品分割成一个个相对封闭的独立空间，避免彼此之间温度的相互影响。

所述气流冷却及其控制系统集合了气流冷却系统和控制系统，控制系统通过调节气体流量控制样品的冷却速度。

所述压力传感器设有64个，分别安置在锻造上模，用于测量每个样品对应上模的压力。

所述位移传感器安置在锻造上模用于测量上模的位移量。

所述压力位移数据采集处理系统用于记录传感器测得的压力和位移，并将位移和压力一一对应生成应力应变曲线。

实施例一

本实施例以45钢为例来说明高通量锻造热模拟方法。本实施例的具体步骤如下：

A1，将锻造上模固定在液压机的滑块上，将锻造室固定在液压机工作台上，使得锻造上模可以在行程导杆的引导下上下移动。

B2，将同一成分64个大小为

的样品按照8×8排列放置在阶梯式样品台上，目标加热温度分别为750℃、800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃，均热保温时间相同都是1min。

C3，开通加热电源，加热到目标温度，均热保温1min，切断加热电源。

D4，对锻造上模和锻造室进行定位，使得锻造上模下表面距离最近的试样50mm，设置试样最大压下量9mm，则最小压下量为1mm，其中阶梯式样品台中相邻样品台高度差1mm，则锻造上模的压下行程为59mm，另外设定锻造上模行程速度为100mm/s；同时开启压力位移数据采集处理系统。

E5，开启压机电源，按照设定的压下行程和行程速度，运行压机。

F6，锻造结束后，将锻造上模向上移动一定距离，使样品自然冷却至室温。

G7，取出样品，锻造热模拟实验结束。

H8，通过压力位移数据采集处理系统得到不同样品的应力应变曲线，从而高通量表征不同压下量、不同变形温度对压力的影响。

实施例二

本实施例以加入不同Ce含量的5CrNiMo模具钢为例来说明高通量锻造热模拟方法。本实施例的具体步骤如下：

A1，将锻造上模固定在液压机的滑块上，将锻造室固定在液压机工作台上，使得锻造上模可以在行程导杆的引导下上下移动。

B2，准备64个大小为

的5CrNiMo模具钢样品，分成8组，每组样品的Ce含量不相同，质量分数分别为0.00％，0.05％，0.10％，0.15％，0.20％，0.25％，0.30％，0.35％。将这64个样品按8×8排列在锻造室的阶梯式样品台上，每列样品的成分相同。

C3，设置样品的锻造温度为1000℃，开通电源，每个样品独立温控系统分别加热至目标温度，保温时间相同且均为1min，切断加热电源。

D4，对锻造上模和锻造室进行定位，使得锻造上模下表面距离最近的试样50mm，设置试样最大压下量9mm，则最小压下量为1mm，其中阶梯式样品台中相邻样品台高度差1mm，则锻造上模的压下行程为59mm，另外设定锻造行程速度为100mm/s。

E5，开启压机电源，按照设定的压下行程和行程速度，运行压机。

F6，锻造结束后，将锻造上模向上移动一定距离，开启气流冷却系统，设置每行试样的气流系统的气流量为5L/min，使得样品迅速冷却至室温。

G7，取出样品，锻造热模拟实验结束。

H8，将这64个样品用环氧树脂镶样，经过砂纸研磨和金刚石抛光膏抛光处理后，利用金相显微镜观察显微组织，高通量表征不同压下量、不同成分对微观组织的影响。

本发明能够一次完成多个样品锻造工艺参数实验，可用于筛选最优样品及其锻造工艺参数。本发明将多个样品按矩阵式排列在锻造室的阶梯式样品台上，每个样品都与阶梯式样品台基座固定成一个整体，便于锻造后的高通量表征。每行或者每列的样品中，必有一个锻造工艺参数是相同的(其中，样品台是阶梯式的，每行的样品的变形量是一样的，相邻两行之间样品变形量差值是一样的)。每个样品都拥有独立温控系统和冷却系统，且采用隔热板分隔开，形成一个个封闭的空间。可以一次性完成多个样品锻造工艺参数实验，实现高通量锻造成形，并通过压力、位移传感器及其数据采集处理系统生成每个样品的应力应变曲线，可用于筛选最优样品及其锻造工艺参数。

以上所述的具体实施例，对本发明要解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高通量锻造装置，其特征在于包括液压机、锻造上模、锻造室、行程导杆、整体式隔热装置、阶梯式样品台，电阻加热及温控系统、气流冷却及控制系统、压力传感器、位移传感器和压力位移数据采集处理系统；锻造室内置阶梯式样品台，每行样品采用整体式隔热装置分隔开，这样方便控制温度和冷却，电阻加热及温控系统给样品提供热源，气流冷却及控制系统给样品冷却；锻造室内置阶梯式样品台、整体式隔热装置、电阻加热及温控系统、气流冷却及控制系统，设计四个行程导杆，锻造室设置在液压机工作台上，锻造上模固定在液压机滑块上，在行程导杆的引导下运动；

阶梯式样品台上，样品同时放置多行，每行放置多个，样品台每行的高度呈阶梯式均匀分布，相邻样品台高度差为1mm；

阶梯式样品台放在锻造室内，同时与基座相固定；

整体式隔热装置采用纳米微孔隔热板，将每个样品分隔成一个个独立的空间，纳米微孔隔热板最高使用温度1100℃。

2.如权利要求1所述的高通量锻造装置，其特征在于，电阻加热及温控系统分别给每个样品提供热源，并控制温度。

3.如权利要求1所述的高通量锻造装置，其特征在于，气流冷却及控制系统集合了气流冷却系统和控制系统，控制系统通过调节气体流量控制样品的冷却速度。

4.如权利要求1所述的高通量锻造装置，其特征在于，压力传感器设有64个，分别安置在锻造上模，用于测量每个样品对应上模的压力。

5.如权利要求1所述的高通量锻造装置，其特征在于，位移传感器安置在锻造上模用于测量整个上模的位移量。

6.如权利要求1所述的高通量锻造装置，其特征在于，压力位移数据采集处理系统用于记录传感器测得的压力和位移，并将位移和压力一一对应生成应力应变曲线。

7.一种采用权利要求1所述装置高通量锻造热模拟方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一：将锻造上模固定在液压机的滑块上，将锻造室固定在液压机工作台上，使得锻造上模可以在行程导杆的引导下上下移动；

步骤二：将同一成分、同样大小的样品排列放置在锻造室的阶梯式样品台上，通过整体式隔热装置将每行样品分开，每行样品的加热互不影响；

步骤三：通过电阻加热及温控系统，设置阶梯式样品台的每行样品的目标锻造温度；开通电源，系统启动，按照设置升温速率加热，直至加热到目标温度，保温时间相同；

步骤四：对锻造上模和锻造室进行定位，设置锻造上模的压下行程和行程速率，开启压力位移数据采集处理系统；

步骤五：保温结束后，断电，开启锻造程序，按照预先设定的压下行程和行程速率进行锻造热模拟实验；

步骤六：锻造热模拟实验结束后，断电，开启气流冷却及控制系统，使样品快速冷却到室温，取出样品，锻造热模拟实验结束；

步骤七：通过压力位移数据采集处理系统得到每个样品的应力应变曲线；

步骤八：将同一行的样品用环氧树脂镶样，经过砂纸研磨和金刚石抛光膏抛光后，利用金相显微镜进行样品检测，从而高通量表征不同锻造工艺参数对样品组织、性能的影响。

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