CN112626430A - Hcp结构金属塑性变形方法及其在工业纯钛上的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种HCP结构金属的塑性变形方法，包括以下步骤：(1)将待塑性变形HCP结构金属外部包裹铝合金材料构成待塑性变形原料；(2)在外加载荷的作用下将待塑性变形原料进行冲击并挤压入模具通道；(3)之后由模具通道挤压出晶粒细化后的样品。本发明通过包裹的方法可以实现HCP结构金属，尤其是工业纯钛的ECAP变形，并且在高速加载下经历ECAP变形也取得良好的效果。本发明还公开了上述方法在工业纯钛上的应用。

Description

HCP结构金属塑性变形方法及其在工业纯钛上的应用
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种HCP结构金属塑性变形方法及其在工业纯钛上的应用。
背景技术
纯钛作为典型的密排六方结构金属，晶体结构对称性较低，拥有的滑移系统比立方结构金属少，但是其室温下塑性变形能力差。形变孪生作为工业纯钛塑性变形的变形方式之一，在协调纯钛塑性变形过程中起到了重要的作用。最近来大量学者利用ECAP法对工业纯钛发生剧烈剪切塑性变形来改变工业纯钛的微观性能，并研究工业纯钛在剪切变形下的主导孪生模式，以为超晶体。但是工业纯钛在室温下的ECAP冲击加载容易发生断裂失效，更多学者依赖提高变形温度来实现纯钛的完整变形，室温下的完整变形技术比较空白。但是随着变形温度的提高，在变形过程中会让材料进行一个回复再结晶的过程，回复再结晶不利于晶粒细化和孪晶的形成，往往不能确切的探索观察HCP结构材料微观结构的变化，同时在气炮上实现等通道转角挤压过程，设备条件往往比较困难实现加上温度装置，同时也会不利于晶粒细化和微观结构研究，通由于工业纯钛室温下变形比较困难，工业纯钛的室温ECAP变形更不容易进行。研究表明通过包裹的方法可以实现纯钛的ECAP变形，并且在高速加载下经历ECAP变形也取得良好的效果。
发明内容
本发明的主要目的在于提供HCP结构金属塑性变形方法及其在工业纯钛上的应用，以解决现有技术中HCP结构金属无法在常温下进行完整塑性变形的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种HCP结构金属的塑性变形方法，包括以下步骤：
(1)将待塑性变形HCP结构金属外部包裹铝合金材料构成待塑性变形原料；
(2)在外加载荷的作用下将待塑性变形原料进行冲击并挤压入模具通道；
(3)之后由模具通道挤压出晶粒细化后的样品。
进一步地，步骤(1)具体为：将所述待塑性变形HCP结构金属切割为圆棒状，所述铝合金材料为中部设有契合待塑性变形HCP结构金属的通道的柱状包裹体；将所述待塑性变形HCP结构金属嵌入至通道内实现铝合金材料包裹塑性变形HCP结构金属。
进一步地，步骤(2)具体为：准备施加冲击载荷的冲击设备，准备具有L型通道的模具；将待塑性变形原料静置于模具入口端，通过所述冲击设备对待塑性变形原料施加冲击载荷。
进一步地，所述冲击设备为ECAP气炮加载装置。
进一步地，步骤(2)-(3)包括：
S1、向ECAP气炮加载装置的高压室填充预定压力的气体；
S2、将ECAP气炮加载装置的炮管和靶室均抽真空；
S3、在待塑性变形原料的后方设置软回收装置；
S4、发射子弹并监测子弹撞击样品的撞击速度；
S5、通过软回收装置回收塑形变形后的样品。
工业纯钛的塑性变形方法，包括：
(1)将工业纯钛外部包裹铝合金材料构成待塑性变形原料；
(2)在外加载荷的作用下将待塑性变形原料进行冲击并挤压入模具通道；
(3)之后由模具通道挤压出晶粒细化后的样品。
进一步地，步骤(1)具体为：将所述工业纯钛切割为圆棒状，所述铝合金材料为中部设有契合工业纯钛的通道的柱状包裹体；将所述工业纯钛嵌入至通道内实现铝合金材料包裹工业纯钛。
进一步地，步骤(2)具体为：准备施加冲击载荷的冲击设备，准备具有L型通道的模具；将待塑性变形原料静置于模具入口端，通过所述冲击设备对待塑性变形原料施加冲击载荷。
进一步地，步骤(2)-(3)包括：
S1、向ECAP气炮加载装置的高压室填充预定压力的气体；
S2、将ECAP气炮加载装置的炮管和靶室均抽真空；
S3、在待塑性变形原料的后方设置软回收装置；
S4、发射子弹并监测子弹撞击样品的撞击速度；
S5、通过软回收装置回收塑形变形后的样品。
进一步地，步骤(2)中：在炮管中，子弹在压缩气体推动下加速，一定冲击ECAP模具中的冲杆，瞬时完成纯钛的等通道转角挤压变形，应变速率达到103-105S-1的撒旦。可见，本发明通过包裹的方法可以实现HCP结构金属，尤其是工业纯钛的ECAP变形，并且在高速加载下经历ECAP变形也取得良好的效果。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明EACP装置工作状态下的结构示意图。
图2为本发明的外铝合金包裹工业纯钛的结构示意图。
图3为本发明中原始工业纯钛的EBSD图。
图4为本发明中原始工业纯钛的KAM图。
图5为本发明中待塑性变形原料加载之后所得工业纯钛的KAM图。
图6为本发明中待塑性变形原料加载之后所得工业纯钛的EBSD图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：
本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。
此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。“ECAP”为等通道转角挤压
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种HCP结构金属的塑性变形方法，包括以下步骤：
(1)将待塑性变形HCP结构金属外部包裹铝合金材料构成待塑性变形原料；
(2)在外加载荷的作用下将待塑性变形原料进行冲击并挤压入模具通道；
(3)之后由模具通道挤压出晶粒细化后的样品。
进一步地，步骤(1)具体为：将所述待塑性变形HCP结构金属切割为圆棒状，所述铝合金材料为中部设有契合待塑性变形HCP结构金属的通道的柱状包裹体；将所述待塑性变形HCP结构金属嵌入至通道内实现铝合金材料包裹塑性变形HCP结构金属。
进一步地，步骤(2)具体为：准备施加冲击载荷的冲击设备，准备具有L型通道的模具；将待塑性变形原料静置于模具入口端，通过所述冲击设备对待塑性变形原料施加冲击载荷。
进一步地，所述冲击设备为ECAP气炮加载装置。
进一步地，步骤(2)-(3)包括：
S1、向ECAP气炮加载装置的高压室填充预定压力的气体；
S2、将ECAP气炮加载装置的炮管和靶室均抽真空；
S3、在待塑性变形原料的后方设置软回收装置；
S4、发射子弹并监测子弹撞击样品的撞击速度；
S5、通过软回收装置回收塑形变形后的样品。
工业纯钛的塑性变形方法，包括：
(1)将工业纯钛外部包裹铝合金材料构成待塑性变形原料；
(2)在外加载荷的作用下将待塑性变形原料进行冲击并挤压入模具通道；
(3)之后由模具通道挤压出晶粒细化后的样品。
进一步地，步骤(1)具体为：将所述工业纯钛切割为圆棒状，所述铝合金材料为中部设有契合工业纯钛的通道的柱状包裹体；将所述工业纯钛嵌入至通道内实现铝合金材料包裹工业纯钛。
进一步地，步骤(2)具体为：准备施加冲击载荷的冲击设备，准备具有L型通道的模具；将待塑性变形原料静置于模具入口端，通过所述冲击设备对待塑性变形原料施加冲击载荷。
进一步地，步骤(2)-(3)包括：
S1、向ECAP气炮加载装置的高压室填充预定压力的气体；
S2、将ECAP气炮加载装置的炮管和靶室均抽真空；
S3、在待塑性变形原料的后方设置软回收装置；
S4、发射子弹并监测子弹撞击样品的撞击速度；
S5、通过软回收装置回收塑形变形后的样品。
进一步地，步骤(2)中：在炮管中，子弹在压缩气体推动下加速，一定冲击ECAP模具中的冲杆，瞬时完成纯钛的等通道转角挤压变形，应变速率达到103-105S-1的撒旦。可见，本发明通过包裹的方法可以实现HCP结构金属，尤其是工业纯钛的ECAP变形，并且在高速加载下经历ECAP变形也取得良好的效果。
如图1所示，本发明EACP装置工作状态下的结构示意图，包括冲杆1、模具2、L型模具通道21、光纤4、子弹5、O型线圈6、待塑性变形原料7；如图2所示，将所述工业纯钛71切割为圆棒状，所述铝合金材料72为中部设有契合工业纯钛的通道的柱状包裹体；将所述工业纯钛71嵌入至通道内实现铝合金材料包裹工业纯钛71，由此构成待塑性变形原料7。
实验过程为：
步骤(1)：将所述工业纯钛切割为圆棒状，所述铝合金材料为中部设有契合工业纯钛的通道的柱状包裹体；将所述工业纯钛嵌入至通道内实现铝合金材料包裹工业纯钛。
步骤(2)：准备施加冲击载荷的冲击设备，准备具有L型通道的模具；将待塑性变形原料静置于模具入口端，通过所述冲击设备对待塑性变形原料施加冲击载荷。
步骤(3)：之后由模具通道挤压出晶粒细化后的样品。
步骤(2)-(3)包括：
S1、向ECAP气炮加载装置的高压室填充预定压力的气体；
S2、将ECAP气炮加载装置的炮管和靶室均抽真空；
S3、在待塑性变形原料的后方设置软回收装置；
S4、发射子弹并监测子弹撞击样品的撞击速度；
S5、通过软回收装置回收塑形变形后的样品。
本实验材料微热轧退火钛的工业纯钛，化学成分(质量分数)为：2.1％O、1.4％C、0.19％Al、0.02％Si、0.02％W,余量为Ti.初始试样为等轴单相a组织，平均晶粒尺寸为35微米。切割成纯钛直径为5mm的圆棒，铝合金外直径为7mm，内直径为5mm的圆环。D-ECAP的模具通道转角为90°。在ECAP气炮加载装置，在炮管中，铜金属子弹5在压缩氮气推动下加速，一定冲击ECAP模具2中的冲杆1，瞬时完成纯钛的等通道转角挤压变形，应变速率达到103-105S-1的撒旦，子弹5的速度通过磁测速系统测得。实验前将模具和试样涂上自制润滑剂以减小摩擦。本实验中采用的冲击速度为260m/s，试样被完整挤出，实现了工业纯钛动态等通道转角挤压变形。
取得的样品做电子背散射衍射分析(EBSD)，试样经过机械抛光，采用15ml高氯酸与135ml甲醇混合电解液进行电解抛光(电压15V，温度-30℃)，电解跑光后的样品经过超声清洗后，使用FEIQuanta250场发射扫描电子显微镜(SEM)进行测试。
如图3原始工业纯钛的EBSD图所示，可以看出原始工业纯钛的晶粒与取向。
如图4原始工业纯钛的KAM图所示，可以看出材料此状态下没有应力存在。
如图5、图6为本发明中待塑性变形原料加载之后所得工业纯钛的KAM图、EBSD图。可以看出通过包裹加载后，纯钛内部形成大量孪晶来协调变形。
可见，本发明通过包裹的方法可以实现HCP结构金属，尤其是工业纯钛的ECAP变形，并且在高速加载下经历ECAP变形也取得良好的效果。通过包覆手段，可以完整实现工业纯钛在常温下、气炮上实现等通道转角挤压。
以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。本发明的主要目的在于提供HCP结构金属塑性变形方法及其在工业纯钛上的应用，以解决现有技术中HCP结构金属无法在常温下进行完整塑性变形的问题。

Claims (10)

1.HCP结构金属的塑性变形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将待塑性变形HCP结构金属外部包裹铝合金材料构成待塑性变形原料；
(2)在外加载荷的作用下将待塑性变形原料进行冲击并挤压入模具通道；
(3)之后由模具通道挤压出晶粒细化后的样品。
2.如权利要求1所述的HCP结构金属的塑性变形方法，其特征在于，步骤(1)具体为：将所述待塑性变形HCP结构金属切割为圆棒状，所述铝合金材料为中部设有契合待塑性变形HCP结构金属的通道的柱状包裹体；将所述待塑性变形HCP结构金属嵌入至通道内实现铝合金材料包裹塑性变形HCP结构金属。
3.如权利要求1所述的HCP结构金属的塑性变形方法，其特征在于，步骤(2)具体为：准备施加冲击载荷的冲击设备，准备具有L型通道的模具；将待塑性变形原料静置于模具入口端，通过所述冲击设备对待塑性变形原料施加冲击载荷。
4.如权利要求3所述的HCP结构金属的塑性变形方法，其特征在于，所述冲击设备为ECAP气炮加载装置。
5.如权利要求1所述的HCP结构金属的塑性变形方法，其特征在于，步骤(2)-(3)包括：
S1、向ECAP气炮加载装置的高压室填充预定压力的气体；
S2、将ECAP气炮加载装置的炮管和靶室均抽真空；
S3、在待塑性变形原料的后方设置软回收装置；
S4、发射子弹并监测子弹撞击样品的撞击速度；
S5、通过软回收装置回收塑形变形后的样品。
6.工业纯钛的塑性变形方法，其特征在于，包括：
(1)将工业纯钛外部包裹铝合金材料构成待塑性变形原料；
(2)在外加载荷的作用下将待塑性变形原料进行冲击并挤压入模具通道；
(3)之后由模具通道挤压出晶粒细化后的样品。
7.如权利要求6所述的工业纯钛的塑性变形方法，其特征在于，步骤(1)具体为：将所述工业纯钛切割为圆棒状，所述铝合金材料为中部设有契合工业纯钛的通道的柱状包裹体；将所述工业纯钛嵌入至通道内实现铝合金材料包裹工业纯钛。
8.如权利要求6所述的工业纯钛的塑性变形方法，其特征在于，步骤(2)具体为：准备施加冲击载荷的冲击设备，准备具有L型通道的模具；将待塑性变形原料静置于模具入口端，通过所述冲击设备对待塑性变形原料施加冲击载荷。
9.如权利要求6所述的工业纯钛的塑性变形方法，其特征在于，步骤(2)-(3)包括：
S1、向ECAP气炮加载装置的高压室填充预定压力的气体；
S2、将ECAP气炮加载装置的炮管和靶室均抽真空；
S3、在待塑性变形原料的后方设置软回收装置；
S4、发射子弹并监测子弹撞击样品的撞击速度；
S5、通过软回收装置回收塑形变形后的样品。
10.如权利要求6所述的工业纯钛的塑性变形方法，其特征在于，步骤(2)中：在炮管中，子弹在压缩气体推动下加速，一定冲击ECAP模具中的冲杆，瞬时完成纯钛的等通道转角挤压变形，应变速率达到103-105S-1的撒旦。
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