CN111097806A - 一种制备超细晶铝及铝合金的复合大塑性变形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种制备超细晶铝及铝合金的复合大塑性变形方法，属于材料塑性加工技术领域。本发明所述方法包括等通道转角挤压和多向压缩，先进行4道次等通道转角挤压，获得组织不均匀的超细晶材料，再进行2道次多向压缩，使组织变得均匀，并且使材料晶粒进一步细化，获得组织均匀、各向异性良好的超细晶材料；本发明在制备超细晶材料的过程中加工次数少，有效地提高了工作效率，降低了成本，有利于规模化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备超细晶铝及铝合金的复合大塑性变形方法，适用于制备块体超细晶铝及铝合金，属于材料塑性加工技术领域。
背景技术
大塑性变形技术(Severe Plastic Deformation)是近年迅速发展起来的塑性变形加工技术，比如等通道转角挤压、多向压缩、累积叠轧、高压扭转等等，因其可以制备出超细晶材料，被国内外学者广泛研究。由于采用单独的大塑性变形方法制备超细晶材料有诸多问题，比如加工道次多、材料容易出现开裂、晶粒细化不均匀等，难以制备出性能优异的超细晶材料。由于等通道转角挤压技术相比于其他大塑性变形技术更为成熟，发展最迅速，因此有学者提出将等通道转角挤压技术与其他大塑性变形技术组合起来制备超细晶材料，比如将等通道转角挤压技术与高压扭转组合，将等通道转角挤压技术与冷轧组合，还有学者提出多向压缩与等通道转角挤压交替进行，即进行一道次多向压缩再进行一道次等通道转角挤压，以此循环。这些方法虽然可以制备出性能优异的超细晶材料，但是其成本过高，工艺流程复杂，难以进行工业化生产。
等通道转角挤压技术虽然可以制备出超细晶材料，但是需要的加工次数很多，而且其制备的超细晶材料内部组织不均匀，各向异性差；多向压缩过程中变形量大，所需成本较高，而且加工次数过多很容易造成材料开裂。
发明内容
为了克服现有技术制备超细晶材料的缺点，本发明的目的在于提供一种制备超细晶铝及铝合金的复合大塑性变形方法，先将材料进行4道次等通道转角挤压，再进行2道次多向压缩，即等通道转角挤压与多向压缩组合法，具体包括以下步骤：
(1)将铝及铝合金材料进行等通道转角挤压变形，挤压1道次之后将试样沿高度方向旋转90°进入下一道次，第2道次挤压完成之后再将试样旋转90°进入下一道次，即每挤压1道次便将试样旋转90°，总共挤压4道次；由于挤压过程中试样的横截面保持不变，因此一道次挤压完成之后可直接进入下一道次。
(2)将经过4道次等通道转角挤压的样品放入多向压缩模具中进行多向压缩，1道次多向压缩完成后取出试样进行第2道次多向压缩；多向压缩2道次完成之后可以得到超细晶材料。
优选的，本发明步骤(1)等通道转角挤压变形的挤压速度为0.5mm/s。
优选的，本发明步骤(2)多向压缩的压缩速度为0.5mm/s。
进一步的，本发明步骤(1)、(2)两种大塑性变形技术的组合可以制备出组织均匀，性能优异的超细晶铝及铝合金，并且适用于其他可以通过冷变形加工的材料，如铁、铜等金属及其合金。
本发明所述方法中可根据实际需要选择原材料的尺寸，块体材料长和宽相等，高度大于长度；据材料尺寸设计模具尺寸，其中等通道转角挤压的模具内角Φ为90°，外角Ψ为30°；模具通道长度为材料高度的3-5倍，等通道转角挤压模具与多向压缩模具内通道的横截面积与被加工材料的横截面积相同。
本发明所述等通道转角挤压中模具内角和外角为现有技术的常规参数。
本发明所述多向压缩中试样挤压过程中的旋转角度为现有技术的常规参数。
本发明的优点和有益效果是：
(1)本发明提出了一种制备超细晶铝及铝合金的复合大塑性变形方法，有效地解决了现有大塑性变形技术制备超细晶材料的不足，并且实施过程简单。
(2)本发明能够在较少加工道次制备出组织均匀，性能优异的超细晶铝及铝合金，并且适用于铁、铜等金属及其合金，其中多向压缩过程可以使材料组织变得均匀，并使晶粒进一步细化，制备出性能优异的超细晶材料。
(3)本发明所使用的模具简单方便，挤压过程中样品形状不会发生改变，可以进行多道次的挤压，并且可以根据材料的尺寸形状设计不同的模具，有利于规模化生产。
(4)本发明提出的6道次复合大塑性变形方法，可针对材料不同的使用要求，适当的增加或减少道次，以便于获得更好的使用性能或者进一步节约成本。
附图说明
图1为实施例1中原始晶粒尺寸图；
图2为经复合大塑性变形之后1060铝合金各道次的晶粒尺寸分布图；图中(a)为1道次，(b)为2道次，(c)为3道次，(d)为4道次，(e)为5道次，(f)为6道次。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
一种制备超细晶材料的复合大塑性变形方法，具体包括以下步骤：
本实施例中所采用的等通道转角挤压模具和多向压缩模具均为现有技术中的常规模具，其中等通道转角挤压的模具内角Φ为90°，外角Ψ为30°，两个模具内通道横截面与原材料的横截面相同，为10mm×10mm，模具材料采用9CrSi。
(1)制备原材料：选取1060铝合金为原材料，其化学成分如表1所示；将1060铝合金加工成10mm×10mm×20mm的长方体。
表1 1060铝合金的化学成分
| element | Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Zn | Ti | Al |
| Content(％) | 0.2 | 0.1 | 0.02 | 0.02 | 0.01 | 0.01 | 0.005 | Bal. |
(2)等通道转角挤压变形：挤压设备为液压式万能试验机；在等通道转角挤压模具内腔涂上适量机油作为润滑剂，将试样放入模具通道内进行挤压，挤压速度为0.5mm/s，1道次挤压完成后脱模取出样品，由于模具内通道横截面与原材料的横截面相同，因此挤压完成后材料的形状没有发生变化，直接将试样旋转90°进行第2道次挤压，第2道次挤压完成后将试样旋转90°进行第3道次挤压，第3道次挤压完成后将试样旋转90°进行第4道次挤压，第4道次挤压完成后正好为一个循环，等通道转角挤压阶段结束。
(3)多向压缩变形：挤压设备为液压式万能试验机；在多向压缩模具内腔涂上适量机油作为润滑剂，将已经过4道次等通道转角挤压的试样放入模具内进行压缩，压缩速度为0.5mm/s，1道次多向压缩完成后取出样品进行第2道次多向压缩，第2道次多向压缩完成后得到超细晶材料。
采用EBSD技术观察复合大塑性变形技术之后铝合金试样的晶粒尺寸大小，图1所述为试样的原始晶粒尺寸图，从图中可以看出试样的晶粒尺寸较大，图2为经复合大塑性变形之后试样各道次的晶粒尺寸图，从图中可以看出，在前4道次等通道转角挤压过程中，随着挤压道次的进行，小晶粒的比例逐渐升高，第4道次等通道转角挤压完成后，大晶粒仍然占有一定比例，晶粒大小分布不均匀，如图2-(a)、(b)、(c)、(d)所示；随着第5、6道次多向压缩的进行，晶粒进一步变得细小，大晶粒被细化，在第6道次多向压缩完成之后，晶粒变得细小均匀且接近于等轴状，如图2-(f)所示。
晶粒粒度分布范围统计：采用EBSD技术测得的数据统计晶粒粒度分布范围；如表2所示为经过复合大塑性变形各道次之后晶粒粒度的分布范围，由表中数据可以看出，原始试样大晶粒所占比例很高，在前4道次等通道转角挤压过程中，大晶粒所占比例减少，开始出现小晶粒，且随着挤压道次的增加，小晶粒所占比例增多，第4道次等通道转角挤压之后，小于1μm的晶粒所占比例为31.52％，1～5μm的晶粒所占比例为55.87％，5～10μm的晶粒所占比例为11.46％，大于10μm的晶粒所占比例为1.15％，因此4道次等通道转角挤压之后仍然有部分大晶粒未细化，晶粒大小不均匀；随着第5道次多向压缩的进行，小晶粒所占比例进一步增多，第5道次多向压缩之后，小于1μm的晶粒所占比例达到了63.05％，第6道次多向压缩之后，小于1μm的晶粒比例达到了86.51％，其余13.49％都是1～5μm范围内的晶粒，都为小晶粒。因此经过6道次复合大塑性变形之后，所有晶粒都被细化。因此在前4道次等通道转角挤压完成后得到了组织不均匀的超细晶材料，再进行2道次多向压缩使组织变得均匀，并且使材料晶粒进一步细化，得到了组织均匀、各向异性良好的超细晶材料，且材料不存在开裂的情况。
表2 复合大塑性变形各道次的晶粒粒度分布范围
Claims (3)
1.一种制备超细晶铝及铝合金的复合大塑性变形方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)将铝及铝合金进行等通道转角挤压变形，挤压1道次之后将试样沿高度方向旋转90°进入下一道次，第2道次挤压完成之后再将试样旋转90°进入下一道次，即每挤压1道次便将试样旋转90°，总共挤压4道次；
(2)将经过4道次等通道转角挤压的样品放入多向压缩模具中进行多向压缩，1道次多向压缩完成后取出试样进行第2道次多向压缩；多向压缩2道次完成之后可以得到超细晶材料。
2.根据权利要求1所述制备超细晶铝及铝合金的复合大塑性变形方法，其特征在于：步骤(1)等通道转角挤压变形的挤压速度为0.5mm/s。
3.根据权利要求1所述制备超细晶铝及铝合金的复合大塑性变形方法，其特征在于：步骤(2)多向压缩的压缩速度为0.5mm/s。
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