CN108315676A - 一种背压与电脉冲复合的超细晶材料深冷制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超细晶材料制备技术领域，尤指一种背压与电脉冲复合的超细晶材料深冷制备装置，该装置主要包括挤压头、模具主体、背压活塞、加载筒、脉冲电源。材料处于超低温状态进行塑形变形，晶粒的再结晶过程受到抑制，经过多次深冷变形，形成超细晶粒，强度大幅提高。塑性变形时施加一定背压，材料剧烈变形中的内部微观缺陷受到抑制，提高材料强度的同时抗疲劳与耐腐蚀性能有所提升。塑性变形的同时在变形方向上施加电脉冲，提升材料在低温变形时的塑性，减小变形抗力，使材料的加工次数增加，强度与塑性得到提高和改善，最终制备出高性能超细晶材料。

Description

一种背压与电脉冲复合的超细晶材料深冷制备装置

技术领域

本发明涉及超细晶材料制备技术领域，尤其是一种背压与电脉冲复合的超细晶材料深冷制备装置。

背景技术

制备超细晶金属材料的手段有等径角挤压、累积叠轧、多向压缩、高压扭转、反复弯折等等，目前制约以上加工手段应用的因素主要是加工硬化问题。随着累积变形量增大，晶粒细化，强度大幅提高，而韧性则急剧下降，限制了加工次数以及晶粒细化程度，并造成材料成品的可加工性不足。已有研究表明，金属变形时施加电流，电流促进位错的运动，减小变形抗力，减小金属加工硬化现象带来的影响，材料的成形性能大大提高。

室温及温态状态下多向压缩、等通道挤压等加工方式的晶粒细化程度随着加工次数的增加，细化速度趋缓，动态回复与位错增殖趋于动态平衡，进一步减小晶粒尺寸存在困难。由于材料发生剧烈的塑性流动，内部流变的不协调容易产生微观孔隙与缺陷，材料的抗疲劳与耐腐蚀性能欠佳。

发明内容

为了克服上述技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种背压与电脉冲复合的超细晶材料深冷制备装置，可以连续多次加工，抑制超细晶粒再结晶，增大材料的塑性，大幅增加材料的可加工性，使材料最终同时获得高强度与高塑性，抗疲劳与耐腐蚀性能提高。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种背压与电脉冲复合的超细晶材料深冷制备装置，该装置主要包括挤压头、模具主体、背压活塞、加载筒。其特征在于，模具主体与加载筒通过4个螺栓固定，两个背压活塞从两侧对坯料施加挤压，挤压力是由碟簧的压缩运动获得的，挤压力的反作用力由螺纹头提供，通过调节套筒、两个碟簧活塞、多个碟簧，最终传导到背压活塞，螺纹头与加载筒通过螺纹连接。挤压槽正面使用盖板密封，盖板与模具主体通过4个预紧螺栓紧固，背压活塞同时与脉冲电源相连。具体操作步骤如下：

第一步：长方体形状的铝合金材料经退火处理后作为坯料，其横截面为正方形，边长为10～30mm，长度为15～50mm；

第二步：将坯料浸泡液氮中，均匀冷却至-196℃；

第三步：将坯料装入挤压槽，与槽底接触，分别预紧螺纹头，使碟簧紧密接触，并使碟簧压缩一定行程，预紧力变化范围为10～150kN；

第四步：插入挤压头，使挤压头下端与坯料上表面接触，挤压头在外力作用下向下运动，加载速度范围为0.5～115mm/min，坯料与背压活塞接触的部分在挤压头作用下发生塑形流动，推动背压活塞向模具主体外侧运动，直到竖直的坯料变形成为横卧的长方体为止，变形期间温度控制在-196℃至-100℃之间，并持续通过背压活塞对坯料施加电脉冲，脉冲电源的电压为12～24V，电源峰值电流为10～200A，频率为100～300Hz，脉冲宽度为10～60μs；

第五步：完成一次变形后将固定盖板的预紧螺栓卸下，将坯料取出，放入液氮中浸泡，均匀冷却至-196℃；

第六步：将盖板装上，拧紧预紧螺栓，预紧扭矩为120～180N·m，将冷却后的坯料相对前一次加工完成后的姿态，旋转90度装入再进行压缩变形，竖直的坯料变形成为横卧的长方体形状；

重复第五、六步若干次，直到平均晶粒尺寸达到0.1～1μm，最终获得高强度超细晶材料成品。

与现有技术相比，采用背压与电脉冲复合的超细晶材料深冷制备装置，材料强度与塑性均得到提高，材料韧性与可加工性改善，有利于后续加工。微观孔隙与缺陷大幅减少，材料抗疲劳与耐腐蚀性能大幅改善，提高材料服役的可靠性。

附图说明

图1是本发明的主视图；

图2是本发明的左视图。

图中：1、螺纹头；2、加载筒；3、调节套筒；4、碟簧活塞；5、碟簧；6、螺栓；7、垫圈；8、模具主体；9、挤压头；10、预紧螺栓；11、盖板；12、坯料；13、背压活塞；14、脉冲电源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步说明。

一种背压与电脉冲复合的超细晶材料深冷制备装置，该装置主要包括挤压头9、模具主体8、背压活塞13、加载筒2。其特征在于，模具主体8与加载筒2通过4个螺栓6固定，两个背压活塞13从两侧对坯料12施加挤压，挤压力是由碟簧5的压缩运动获得的，挤压力的反作用力由螺纹头1提供，通过调节套筒3、两个碟簧活塞4、多个碟簧5，最终传导到背压活塞13，螺纹头1与加载筒2通过螺纹连接。挤压槽正面使用盖板11密封，盖板11与模具主体8通过4个预紧螺栓10紧固，背压活塞13同时与脉冲电源14相连。具体操作步骤如下：

第一步：长方体形状的铝合金材料经退火处理后作为坯料12，其横截面为正方形，边长为10～30mm，长度为15～50mm；

第二步：将坯料12浸泡液氮中，均匀冷却至-196℃；

第三步：将坯料12装入挤压槽，与槽底接触，分别预紧螺纹头1，使碟簧5紧密接触，并使碟簧5压缩一定行程，预紧力变化范围为10～150kN；

第四步：插入挤压头，使挤压头9下端与坯料12上表面接触，挤压头9在外力作用下向下运动，加载速度范围为0.5～115mm/min，坯料12与背压活塞13接触的部分在挤压头作用下发生塑形流动，推动背压活塞13向模具主体8外侧运动，直到竖直的坯料变形成为横卧的长方体为止，变形期间温度控制在-196℃至-100℃之间，并持续通过背压活塞13对坯料12施加电脉冲，脉冲电源14的电压为12～24V，电源峰值电流为10～200A，频率为100～300Hz，脉冲宽度为10～60μs；

第五步：完成一次变形后将固定盖板11的预紧螺栓10卸下，将坯料12取出，放入液氮中浸泡，均匀冷却至-196℃；

第六步：将盖板11装上，拧紧预紧螺栓10，预紧扭矩120～180N·m，将冷却后的坯料12相对前一次加工完成后的姿态，旋转90度装入再进行压缩变形，竖直的坯料12变形成为横卧的长方体形状；

重复第五、六步若干次，直到平均晶粒尺寸达到0.1～1μm，最终获得高强度超细晶材料成品。

在制备操作前需对螺栓6做预紧处理，预紧扭矩范围在150N·m至180N·m之间，螺栓6与垫圈7配合使用，提高预紧性能。

改变碟簧5的数量，可获得不同背压活塞挤压力数值。根据碟簧5数量的不同，调节套筒3的长度进行修改，以适应装配要求。

背压活塞13为导电材料，模具主体8和盖板11选用氧化锆增韧氧化铝陶瓷，为绝缘体。碟簧活塞4为绝缘材料。脉冲电源14、背压活塞13、坯料12构成电流回路，达到对坯料12施加电脉冲的目的。

每次坯料12装入模具主体8前，可涂抹二硫化钼润滑脂提高润滑性，减少坯料12与模具主体8的摩擦力，提高材料表面的平整度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种背压与电脉冲复合的超细晶材料深冷制备装置，该装置主要包括挤压头、模具主体、背压活塞、加载筒、脉冲电源，其特征在于，模具主体与加载筒通过4个螺栓固定，两个背压活塞从两侧对坯料施加挤压，挤压力是由碟簧的压缩运动获得的，挤压力的反作用力由螺纹头提供，通过调节套筒、两个碟簧活塞、多个碟簧，最终传导到背压活塞，螺纹头与加载筒通过螺纹连接，挤压槽正面使用盖板密封，盖板与模具主体通过4个预紧螺栓紧固，背压活塞同时与脉冲电源相连。

2.根据权利要求1所述的背压与电脉冲复合的超细晶材料深冷制备装置，其特征在于，具体操作步骤如下：

第一步：长方体形状的铝合金材料经退火处理后作为坯料，其横截面为正方形，边长为10～30mm，长度为15～50mm；

第二步：将坯料浸泡液氮中，均匀冷却至-196℃；

第三步：将坯料装入挤压槽，与槽底接触，分别预紧螺纹头，使碟簧紧密接触，并使碟簧压缩一定行程，预紧力变化范围为10～150kN；

第四步：插入挤压头，使挤压头下端与坯料上表面接触，挤压头在外力作用下向下运动，加载速度范围为0.5～115mm/min，坯料与背压活塞接触的部分在挤压头作用下发生塑形流动，推动背压活塞向模具主体外侧运动，直到竖直的坯料变形成为横卧的长方体为止，变形期间温度控制在-196℃至-100℃之间，并持续通过背压活塞对坯料施加电脉冲，脉冲电源的电压为12～24V，电源峰值电流为10～200A，频率为100～300Hz，脉冲宽度为10～60μs；

第五步：完成一次变形后将固定盖板的预紧螺栓卸下，将坯料取出，放入液氮中浸泡，均匀冷却至-196℃；

第六步：将盖板装上，拧紧预紧螺栓，预紧扭矩为120～180N·m，将冷却后的坯料相对前一次加工完成后的姿态，旋转90度装入再进行压缩变形，竖直的坯料变形成为横卧的长方体形状；

重复第五、六步若干次，直到平均晶粒尺寸达到0.1～1μm，最终获得高强度超细晶材料成品。