CN111647839B - 一种电弧喷涂制备异构材料的方法及系统 - Google Patents

一种电弧喷涂制备异构材料的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于异构材料制备领域，具体涉及一种电弧喷涂制备异构材料的方法及系统。将具有不同析出行为的高韧材料A和高强材料B交错喷涂在高韧棒材A上，然后通过旋锻变形使两种材料之间实现冶金结合，最后通过固溶时效处理调控析出相，得到多尺度析出强化的高强高韧异构材料。本发明利用两种或多种具有不同时效行为的合金在相同温度条件下产生多尺度析出的特点，对基体的微观结构进行调控，获得三维方向可控的多尺度析出的高强高韧异构合金棒材。

Description

一种电弧喷涂制备异构材料的方法及系统
技术领域
本发明属于异构材料制备领域，具体涉及一种电弧喷涂制备异构材料的方法及系统。
背景技术
随着汽车业、航天航空以及其他制造业对轻量化和高燃料利用率等要求的不断提高，人们对材料的强韧性提出了更高的要求，但是，金属材料强度提高的同时缺陷密度也会大大增加，而高密度的缺陷将会导致材料延展性的下降，这也导致结构材料的应用受到限制。近期提出了一种新型的高强高韧材料-异构材料，它在微观尺度上兼具软硬两相，利用软硬相之间的背应力强化，兼得强度和塑性。
经过检索发现，中国发明专利CN110802125A介绍了一种高强度镁合金的制备方法。该发明特点为：(1)镁合金中加入一种或多种稀土元素，通过弥散和固溶方式强化基体；(2)进行多道次的孔型轧制，且每道次轧制后，棒材旋转90°。该方法在提高棒材强度的同时也显著改善了棒材的各向异性。但是，该技术也存在以下问题：(1)挤压所需的变形力较大，因此镁合金和模具之间的摩擦力较大，模具磨损严重；(2)频繁更换不同规格的模具并进行多道次轧制，工序复杂，生产成本高，生产效率低。
进一步检索发现，马盈等人在《Hot Working Technology》热加工工艺，2020， 10(3)：41-43上发表的“挤压ZAT522镁合金的组织与力学性能研究”一文中，介绍了一种挤压制备ZAT522镁合金的方法。该方法的特点为：(1)通过挤压变形细化晶粒，同时产生大量细小的析出相，获得优异的力学性能；(2)制备工艺简单，生产成本较低。但是，该方法的局限性在于：(1)通过挤压变形难以获得均匀分布的析出相；(2)挤压所需变形力较大，镁合金和模具之间摩擦力较大，使得模具磨损加快。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电弧喷涂制备异构材料的方法及系统，该方法将高韧材料A和高强材料B交错喷涂在高韧棒材A上，然后通过旋锻变形使两种材料之间实现良好的冶金结合，最后通过固溶时效处理调控析出相，得到一种多尺度析出强化的高强高韧异构合金棒材。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种电弧喷涂制备异构材料的方法，将具有不同析出行为的高韧材料A和高强材料B交错喷涂在高韧棒材A上，然后通过旋锻变形使两种材料之间实现冶金结合，最后通过固溶时效处理调控析出相，得到多尺度析出强化的高强高韧异构材料。
进一步的，将具有不同析出行为的高韧材料A和高强材料B交错喷涂在高韧棒材A上具体为：交替喷涂高韧性材料A以及高强度材料B，在径向上形成异种合金交错排列的结构，控制喷枪的路径，沿轴向形成糖葫芦状的异构棒材。
进一步的，所述糖葫芦状的异构棒材经过旋锻变形之后形成规则的异构棒材。
进一步的，所述方法具体包括如下步骤：
步骤(1)：预处理；对所选取的棒材A表面进行打磨和清洗，去除表面的油污和氧化层，并准备若干的喷涂丝材A和丝材B；
步骤(2)：电弧喷涂：将预处理后的棒材和丝材在电弧喷涂装置上安装固定，驱动棒材A转动，在棒材A表面交替喷涂高韧性材料A以及高强度材料B，在径向上形成异种合金交错排列的结构；喷涂时控制喷枪的路径，沿轴向形成糖葫芦状的异构棒材；
步骤(3)：旋锻变形：对电弧喷涂获得的异构棒材进行预热，将预热后的棒材放入旋锻装置中，对棒材施以多道次的热旋锻变形，使两种材料在大压力变形的作用下实现冶金结合；
步骤(4)：固溶时效处理：将旋锻后制成的棒材样品进行真空固溶处理，经时效析出形成硬质相，最终获得高强高韧的异构材料。
进一步的，所述步骤(1)中的预处理参数为：棒材A的直径为5～10mm，丝材A和丝材B的直径为2.0～2.5mm；
所述步骤(2)的高韧性材料A的热喷涂工艺参数为：电弧电压35～39V，喷涂电流1～240A，喷涂距离1～200mm；高强度材料B的热喷涂工艺参数为：电弧电压30～35V，喷涂电流1～200A，喷涂距离1～200mm；
所述步骤(3)中的旋锻变形工艺参数为：材料预热在真空炉中进行，预热时间为1～2h，预热温度为200～300℃；抽真空至10～100Pa，充入Ar至旋锻模具内压强与大气压相近；旋锻的工艺参数为：进料速度为0.1～5m/min，单道次变形量为10～30％，总变形量为10～60％；
所述步骤(4)固溶时效处理的工艺参数为：固溶温度控制在200～400℃，固溶时间控制在1～100h；时效温度控制在100～200℃，时效时间控制在1～100h。
一种电弧喷涂制备异构材料的系统，包括：
喷涂装置：用于将具有不同析出行为的合金丝材交替喷涂到棒材上，所述棒材的材质与合金丝材中的高韧性的一种材质相同；
旋锻装置：包括多个旋锻模具，所述多个旋锻模具对棒材施加锻压力的同时进行旋转，实现对棒材的旋锻变形，生成异质棒材样品；
热处理装置：用于对异质棒材样品进行固溶时效处理，析出形成硬质相，得到多尺度析出强化的高强高韧异构合金棒材。
进一步的，所述喷涂装置包括主轴箱，三爪卡盘，尾架，顶尖，材料箱，导轨Ⅰ，导轨Ⅱ，夹具和喷枪；
所述三爪卡盘与主轴箱连接，用于夹持棒材A，所述尾架设置在导轨Ⅱ上，且尾架上的顶针抵住棒材A另一端，主轴箱的主轴带动棒材A的喷涂过程中转动；
所述棒材A的一侧或者两侧设有导轨Ⅰ，夹持有喷枪的两个夹具在喷涂过程中沿导轨Ⅰ运动，从而在棒材A表面形成交替分布的涂层。
进一步的，所述热处理装置包括真空炉和油浴炉。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明的电弧喷涂操作难度低，均可实现自动化，其中喷涂过程的表面预处理工序操作简单，易于实现机械化，生产效率高；
(2)本发明可以制备出径向上软硬两相交替分布，轴向上波纹状分布的异构棒材，实现材料强度和韧性协同提高，同时可供选用的材料A/B的范围广泛，包括大多数金属及其合金，能够在一定程度上满足特殊工业应用的需求；
(3)本发明可以根据实际需求调控合金的种类、配比量、排列层数等，具有极大的微观结构设计指向性和灵活性；
(4)本发明采用电弧喷涂的方法制备异构棒材，所得的异构层致密、均匀；
(5)本发明的热喷涂工艺一般不受被喷涂工件的尺寸和形状、施工场所等的限制，操作流程简单、灵活、便捷、适应性强。
附图说明
图1为本发明的电弧喷涂装置的示意图；其中图(a)为主视图，图(b)为俯视图。
图2为电弧喷涂后材料示意图；其中图(a)为径向剖面图，图(b)为轴向剖面图，图(c)为三维图。
图3为旋锻变形的加工流程图和旋锻后材料图；其中图(a)为旋锻模具侧视图，图(b)为旋锻模具剖视图，图(c)为旋锻变形后材料的轴向微观结构图。
图4为本发明的热处理示意图以及热处理后材料的微观结构示意图；其中，图(a)为固溶处理示意图，图(b)为时效处理示意图，图(c)为固溶处理后材料的微观结构示意图，图(d)为时效处理后材料的微观结构示意图。
附图标记说明：
1-主轴箱，2-三爪卡盘，3-尾架，4-顶尖，5-材料箱，6-导轨Ⅰ，7-导轨Ⅱ， 8-夹具，9-喷枪，10-升降台，11-旋锻模具，12-真空热处理炉，13-油浴炉，14- 温度计，15-高韧材料A，16-高强材料B。
图1中A-夹具移动方向，B-棒材旋转方向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明的目的在于提供一种通过电弧喷涂、旋锻变形和热处理制备异构材料的方法，该方法是将高韧材料A和高强材料B交错喷涂在高韧棒材A上，然后通过旋锻变形使两种材料之间实现良好的冶金结合，最后通过固溶时效处理调控析出相，得到一种多尺度析出强化的高强高韧异构合金棒材。
实现本发明的技术方案包括以下步骤：
第一步，预处理：对所选取的棒材A表面进行打磨和清洗，去除表面的油污和氧化层，并准备若干的喷涂丝材A和丝材B。
第二步，电弧喷涂：将预处理后的棒材和丝材在电弧喷涂装置上安装固定，驱动三爪卡盘2夹紧棒材，同时启动旋转电机，使主轴带动棒材转动，夹具8 沿导轨移动的同时交替喷涂高韧性材料A以及高强度材料B，在径向上形成异种合金交错排列的结构；喷涂时注意控制喷枪的路径，沿轴向形成糖葫芦状的异构棒材。
第三步，旋锻变形：对电弧喷涂获得的棒材进行预热，将预热后的棒材放入旋锻设备中并启动电源，对棒材施以多道次的热旋锻变形，使两种材料在大压力变形的作用下实现良好的冶金结合；
第四步，固溶时效处理：将旋锻后制成的异质棒材样品进行真空固溶处理，经时效析出形成硬质相，最终获得高强高韧的异构棒材。
进一步的，所述步骤一中的预处理参数为：棒材A的直径为5～10mm，丝材 A和丝材B的直径为2.0～2.5mm。
进一步的，所述步骤二的高韧材料A的热喷涂工艺参数为：电弧电压35～39V，喷涂电流1～240A，喷涂距离1～200mm；高强材料B的热喷涂工艺参数为：电弧电压30～35V，喷涂电流1～200A，喷涂距离1～200mm。
进一步的，所述步骤三中的旋锻变形工艺参数为：材料预热在真空热处理炉 12中进行，预热时间为1～2h，预热温度为200～300℃；抽真空至10～100Pa，充入Ar至模具内压强与大气压相近；旋锻的工艺参数为：进料速度为0.1～5m/min，单道次变形量为10～30％，总变形量为10～60％。
进一步的，所述步骤四固溶时效处理的工艺参数为：固溶温度控制在 200～400℃，固溶时间控制在1～100h；时效温度控制在100～200℃，时效时间控制在1～100h。
实施例1
本发明的采用电弧喷涂制备异构材料的方法如下：
(1)选取一根长度为1m，直径为8mm的Mg-3Gd棒材和两卷直径分别为 2mm的Mg-10Gd、Mg-3Gd丝材，分别进行表面处理，去除材料表面的油污和氧化膜，打磨至暴露出光亮金属。
(2)将处理好的Mg-3Gd棒材固定在喷涂装置上，Mg-3Gd丝材和Mg-10Gd 丝材分别连接装置左右的喷枪9，驱动主轴带动棒材旋转的同时，喷枪水平向右移动，主轴转速为300rpm，夹具移动速度为2m/min，先驱动第一喷枪水平向右连续喷涂形成1.5mm厚度的Mg-10Gd涂层，再驱动第二喷枪在Mg-10Gd涂层上连续喷涂相同厚度的Mg-3Gd涂层，进行4次交替喷涂；然后改变喷涂方式，第五次喷涂时，每向右喷涂50mm后停止喷涂50mm；第6次喷涂时每喷涂45mm 后停止喷涂55mm；以此类推，第8次喷涂时每喷涂35mm停止喷涂65mm，交替喷涂过程中保证表面光滑。形成图1所示糖葫芦状棒材。
(3)将喷涂后的镁合金棒材放置于真空热处理炉12中，加热到150-250℃并保温30min，将预热后的棒材以0.5m/min的速率送入旋锻机，抽真空至 10～100MPa后充入惰性气体Ar至大气压，驱动旋锻机进行旋锻加工，分三道次逐级更换旋锻模具11，三道次的旋锻模具直径依次为18mm、15mm、12mm。
(4)取出旋锻加工后的镁合金棒材，去除表面油污并切除首尾结合较差的部分，对得到的棒材进行真空固溶处理和时效处理，固溶温度为400℃，时间为 10h，以消除加工变形对材料的影响。然后，对镁合金棒材进行时效处理，时效温度为200℃，时间为70h，最终获得具有不同析出相密度的异构镁合金材料。
获得的多尺度析出异构镁合金材料的微观结构如图4(d)所示，Mg-3Gd中的合金元素含量低，主要起固溶强化作用，在镁基体中几乎不产生析出强化相；而Mg-10Gd则具有明显的时效强化，镁基体产生高密度的纳米级析出相。时效后的两种合金中析出相密度不同，从而导致两种基体硬度差异较大，进而获得具有软硬两相，同时附加轴向层数异构的镁合金棒材。因此，本专利通过上述的电弧喷涂旋锻结合多尺度析出处理的方法，成功制得了具有多尺度析出强化效果的高强高韧镁合金异构材料。

Claims (3)

1.一种电弧喷涂制备异构材料的方法，其特征在于，将具有不同析出行为的高韧材料A和高强材料B交错喷涂在高韧棒材A上，然后通过旋锻变形使两种材料之间实现冶金结合，最后通过固溶时效处理调控析出相，得到多尺度析出强化的高强高韧异构材料；将具有不同析出行为的高韧材料A和高强材料B交错喷涂在高韧棒材A上具体为：交替喷涂高韧材料A以及高强材料B，在径向上形成异种合金交错排列的结构，控制喷枪的路径，沿轴向形成糖葫芦状的异构棒材；所述糖葫芦状的异构棒材经过旋锻变形之后形成规则的异构棒材。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤(1)：预处理；对所选取的棒材A表面进行打磨和清洗，去除表面的油污和氧化层，并准备若干的喷涂丝材A和丝材B；
步骤(2)：电弧喷涂：将预处理后的棒材和丝材在电弧喷涂装置上安装固定，驱动棒材A转动，在棒材A表面交替喷涂高韧材料A以及高强材料B，在径向上形成异种合金交错排列的结构；喷涂时控制喷枪的路径，沿轴向形成糖葫芦状的异构棒材；
步骤(3)：旋锻变形：对电弧喷涂获得的异构棒材进行预热，将预热后的棒材放入旋锻装置中，对棒材施以多道次的热旋锻变形，使两种材料在大压力变形的作用下实现冶金结合；
步骤(4)：固溶时效处理：将旋锻后制成的棒材样品进行真空固溶处理，经时效析出形成硬质相，最终获得高强高韧的异构棒材。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的预处理参数为：棒材A的直径为5～10mm，丝材A和丝材B的直径为2.0～2.5mm；
所述步骤(2)的高韧材料A的热喷涂工艺参数为：电弧电压35～39V，喷涂电流1～240A，喷涂距离1～200mm；高强材料B的热喷涂工艺参数为：电弧电压30～35V，喷涂电流1～200A，喷涂距离1～200mm；
所述步骤(3)中的旋锻变形工艺参数为：材料预热在真空炉中进行，预热时间为1～2h，预热温度为200～300℃；抽真空至10～100Pa，充入Ar至旋锻模具内压强与大气压相近；旋锻的工艺参数为：进料速度为0.1～5m/min，单道次变形量为10～30％，总变形量为10～60％；
所述步骤(4)固溶时效处理的工艺参数为：固溶温度控制在200～400℃，固溶时间控制在1～100h；时效温度控制在100～200℃，时效时间控制在1～100h。
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