CN113083933B - 大规格超细晶各向同性板材制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大规格超细晶各向同性板材制备方法，包括以下步骤：S1、组装各向同性板材制备装置，其包括顺序设置的板坯传送机构、加热机构、轴向包络机构和精整切边机构；S2、锻件设计：S3、板坯设计；S4、模具设计：步骤S1中用于板材传送的上夹持模和下夹持模，其工作表面为锯齿形，锯齿形方向垂直于板坯进给方向；S5、将板坯送入各向同性板材制备装置中，完成制备。本发明能够将轧制所得各向异性板坯制备成各向同性板材，同时获得超细晶组织，大幅提升板材力学性能。

Description

大规格超细晶各向同性板材制备方法

技术领域

本发明涉及板材制备领域，更具体地说，涉及一种大规格超细晶各向同性板材制备方法。

背景技术

大规格板材是用于制造飞机、火箭、高铁、武器等各类装备板类构件的重要原材料，其主要制备方法为轧制工艺。采用轧制工艺制备大规格板材过程中，轧辊仅作单一方向滚动对钢材进行单向轧制，因此金属沿轧制方向的变形量明显大于沿宽度方向的变形量，所制备出大规格板材存在显著的各向异性。采用轧制工艺制备的各向异性板坯成形板类构件时，板坯的各向异性特征不仅明显降低了板坯的可成形性能，而且显著增大了板类构件成形精度的控制难度。并且，采用各向异性板坯所成形的板类构件同样具有明显的各向异性，严重削弱了板类构件的服役性能。然而，目前关于大规格超细晶各向同性板材的有效制备方法十分欠缺，如何制备各向同性大规格板材已经成为高端板材制备领域亟待解决的关键技术难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种大规格超细晶各向同性板材制备方法，能够将轧制所得各向异性板坯制备成各向同性板材，同时获得超细晶组织，大幅提升板材力学性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种大规格超细晶各向同性板材制备方法，包括以下步骤：

S1、组装各向同性板材制备装置，其包括顺序设置的板坯传送机构、加热机构、轴向包络机构和精整切边机构；所述板材传送机构包括上夹持模和下夹持模，所述上夹持模和下夹持模均可沿竖直方向运动，同时可沿板坯长度方向移动；所述加热机构为具有矩形通孔的腔体结构，腔体内设有用于板材加热的热源和测温热电偶；所述轴向包络机构包括包络锥模和固定模，包络锥模可绕自身轴线和过其锥点的竖直方向作同速同向转动，同时可沿竖直方向作进给运动，固定模位置始终保持不变；

S2、锻件设计：在目标各向同性板材宽度方向的两端设计具有斜度的纵向飞边，飞边厚度不大于目标各向同性板材厚度，飞边与目标各向同性板材上表面间夹角为93～95°；

S3、板坯设计：用于制备大规格超细晶各向同性板材的板坯是通过轧制工艺所得的各向异性厚板，板坯长度方向为轧制方向，板坯厚度为目标各向同性板材厚度m的β倍，β≥2；

S4、模具设计：步骤S1中用于板材传送的上夹持模和下夹持模，其工作表面为锯齿形，锯齿形方向垂直于板坯进给方向；用于轴向包络成形的包络锥模为带有锥面的方形构件，包络锥模的工作型面为锥面，其锥角为γ，包络锥模的模体为方形体，其边长为b×sin(γ/2)，其中b为目标各向同性板材宽度；固定模为上端面带有宽槽型腔的方形体，宽槽型腔的最小宽度g＝b+2f，其中f为纵向飞边厚度，宽槽型腔深度大于2m，宽槽型腔侧壁与底部的夹角为93～95°；精整切边机构中的切边台和压紧模均为矩形台，其长度为1.5b，宽度为b，切边动模由2个矩形块组成，切边动模沿平行于板坯进给方向安装在切边台两侧；

S5、将板坯送入各向同性板材制备装置中，完成制备。

上述方案中，所述步骤S5进一步包括：

S51、将步骤S3所设计的板坯放在板坯传送机构的上夹持模和下夹持模之间，驱动上夹持模和下夹持模沿竖直方向作相对运动，夹紧板坯，上夹持模和下夹持模对板坯的压力p＞F/μ，其中F为轴向包络时板坯长度方向变形力；

S52、驱动上夹持模和下夹持模沿板坯长度方向作进给运动，推动板坯向加热机构中运动，进给距离为S，且S小于包络锥模的模体边长；启动加热机构中的热源，对板坯进行局部加热，加热的板坯长度为S；通过测温热电偶实时测量板坯温度，直至板坯升温至可锻温度后，再次驱动板坯传送机构将板坯从加热机构推送至轴向包络机构的固定模内；

S53、立即驱动包络锥模作旋转运动，同时沿竖直方向作进给运动，对板坯进行多周期轴向包络；在包络锥模的包络作用下，板坯同时发生厚度方向减薄变形、长度方向延伸变形和宽度方向展宽变形，金属大幅切向流动使得板坯所有方向上织构趋向于同一织构带，同时板坯晶粒在多道次剧烈塑性变形作用下发生显著细化，获得超细晶各向同性板材；

S54、轴向包络完成后，将已变形板材推入精整切边机构内，驱动压紧模沿竖直方向向下运动，将已变形板材压紧在切边台上，并对其进行精整；之后驱动切边动模向上作进给运动，切除已变形板材两端的纵向飞边；

S55、循环执行步骤S51、步骤52、步骤S53和步骤54，沿板坯长度方向对板坯进行逐步的分区轴向包络变形，直至获得目标大规格超细晶各向同性板坯产品；在轴向包络成形2个相邻板坯区时，包络锥模必须改变旋转方向，确保2个相邻板坯区交接部位的金属不发生扭曲变形。

上述方案中，步骤S4中，对板坯进行轴向包络变形时，板材传送机构的上夹持模和下夹持模处于对板坯加载状态，同时精整切边机构中切边台和压紧模处于对板坯加载状态，确保轴向包络过程中板坯不发生转动。

上述方案中，所述精整切边机构包括切边台、压紧模和切边动模，所述切边台固定不动，压紧模和切边动模均可沿竖直方向运动。

实施本发明的大规格超细晶各向同性板材制备方法，具有以下有益效果：

1、本发明通过对轧制板坯进行轴向包络变形，迫使金属发生大切向变形，能够显著降低轧制板坯的各向异性，实现各向同性板坯的有效制备。

2、本发明通过轴向包络工艺向板坯内引入多道次大塑性变形，能够显著细化晶粒，获得超细晶板材，从而显著提升板材的综合力学性能。

3、本发明通过局部塑性变形的逐渐累积和扩展实现大规格板材的整体塑性变形，因此本发明能够制备出大规格的超细晶各向同性板材。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为大规格超细晶各向同性板材制备装置示意图；

图2为大规格超细晶各向同性板材锻件示意图；

图3为制备大规格超细晶各向同性板材的板坯传送机构示意图；

图4为制备大规格超细晶各向同性板材的轴向包络机构示意图；

图5为制备大规格超细晶各向同性板材的精整切边机构示意图；

图6为轴向包络成形2个相邻板坯区的包络锥模旋转方向示意图；

图7为本发明所制备大规格超细晶各向同性板材晶粒细化效果示意图；

图8为本发明所制备大规格超细晶各向同性板材织构变化示意图；

图9为原始板坯和采用本发明所获得板材沿不同方向上的抗拉强度对比图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本实例目标是制备宽度b＝1000mm，厚度m＝5mm的大规格各向同性板坯。制备该大规格各向同性板坯的主要步骤为：

S1、设计各向同性板材制备装置：用于大规格超细晶各向同性板材制备的装置由板坯传送机构1、加热机构2、轴向包络机构3和精整切边机构4组成，如图1所示。板材传送机构由上夹持模5和下夹持模6组成，用于推动板坯进给，上夹持模5和下夹持模6均可沿竖直方向运动，同时可沿板坯长度方向移动。加热机构为具有矩形通孔的腔体结构，腔体内设有用于板材加热的热源和测温热电偶。轴向包络机构由包络锥模7和固定模8组成，包络锥模7可绕自身轴线和过其锥点的竖直方向作同速同向转动，同时可沿竖直方向作进给运动，固定模8位置始终保持不变。精整切边机构由切边台9、压紧模10和切边动模11组成，切边台9固定不动，压紧模10和切边动模11均可沿竖直方向运动。

S2、锻件设计：在目标各向同性板材宽度方向的两端设计具有一定斜度的纵向飞边，飞边厚度f＝5mm，不大于目标各向同性板材厚度，飞边与目标各向同性板材上表面间夹角为95°。

S3、板坯设计：用于制备大规格超细晶各向同性板材的板坯是通过轧制工艺或者挤压工艺所得的各向异性厚板，板坯长度方向为轧制方向或挤压方向。根据有限元仿真结果，确定板坯厚度为15mm时能够制备出各向同性板材，该厚度为目标各向同性板材厚度的3倍。

S4、模具设计：步骤S1中用于板材传送的上夹持模5和下夹持模6，其工作表面为锯齿形，锯齿形方向垂直于板坯进给方向，如图3所示。用于轴向包络成形的包络锥模7为带有锥面的方形构件，如图4所示。包络锥模7的工作型面为锥面，其锥角为γ＝176°，包络锥模7的模体为方形体，其边长为b×sin(γ/2)＝999.39mm。固定模8为上端面带有宽槽型腔的方形体，如图4所示。宽槽型腔的最小宽度由g＝b+2f计算为1010mm，宽槽型腔深度为15mm，大于2m，宽槽型腔侧壁与底部的夹角为95°；精整切边机构中的切边台9和压紧模10均为矩形台，如图5所示，其长度为1500mm，宽度为1000mm，切边动模11由2个矩形块组成，切边动模11沿平行于板坯进给方向安装在切边台9两侧，如图5所示。

S5、各向同性板材制备过程控制包括以下子步骤：

S51将步骤S3所设计的板坯放在板坯传送机构的上夹持模5和下夹持模6之间，驱动上夹持模5和下夹持模6沿竖直方向作相对运动，夹紧板坯，上夹持模5和下夹持模6对板坯的压力p＞F/μ，其中F为轴向包络时板坯长度方向变形力。

S52驱动上夹持模5和下夹持模6沿板坯长度方向作进给运动，推动板坯向加热机构中运动，进给距离为S＝950mm，小于包络锥模7的模体边长；启动加热机构中的热源，对板坯进行局部加热，加热的板坯长度为S；通过测温热电偶实时测量板坯温度，直至板坯升温至可锻温度后，再次驱动板坯传送机构将板坯从加热机构推送至轴向包络机构的固定模8内。

S53立即驱动包络锥模7作旋转运动，同时沿竖直方向作进给运动，对板坯进行多周期轴向包络；对板坯进行轴向包络变形时，板材传送机构的上夹持模5和下夹持模6处于对板坯加载状态，同时精整切边机构中切边台9和压紧模10处于对板坯加载状态，确保轴向包络过程中板坯不发生转动。在包络锥模的包络作用下，板坯同时发生厚度方向减薄变形、长度方向延伸变形和宽度方向展宽变形，金属大幅切向流动使得板坯所有方向上织构趋向于同一织构带，同时板坯晶粒在多道次剧烈塑性变形作用下发生显著细化，获得超细晶各向同性板材。

S54轴向包络完成后，将变形区推入精整切边机构内，驱动压紧模10沿竖直方向向下运动，将已变形板材压紧在切边台9上，并对其进行精整；之后驱动切边动模11向上作进给运动，切除已变形板材两端的纵向飞边。

S55循环执行步骤S51、步骤52、步骤S53和步骤54，沿板坯长度方向对板坯进行逐步的分区轴向包络变形，直至获得目标大规格超细晶各向同性板坯产品。在轴向包络成形2个相邻板坯区时，包络锥模7必须改变旋转方向，如图6所示，确保2个相邻板坯区交接部位的金属不发生扭曲变形。

图7为本发明所制备大规格超细晶各向同性板材晶粒细化效果示意图，图8为本发明所制备大规格超细晶各向同性板材织构变化示意图，图9为原始板坯和采用本发明所制备板材沿不同方向上的抗拉强度对比图。从图7、图8和图9可以看出，采用本发明的方法对轧制板坯处理后，板材平均晶粒尺寸由50μm以上细化至1μm左右，获得了超细晶组织，板材不同方向的变形织构都趋向于同一织构带，板材不同方向上的抗拉强度基本相等。上述结果说明，本发明的方法能够制备出大规格超细晶各向同性板材。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种大规格超细晶各向同性板材制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、组装各向同性板材制备装置，其包括顺序设置的板坯传送机构、加热机构、轴向包络机构和精整切边机构；所述板坯传送机构包括上夹持模和下夹持模，所述上夹持模和下夹持模均可沿竖直方向运动，同时可沿板坯长度方向移动；所述加热机构为具有矩形通孔的腔体结构，腔体内设有用于板材加热的热源和测温热电偶；所述轴向包络机构包括包络锥模和固定模，包络锥模可绕自身轴线和过其锥点的竖直方向作同速同向转动，同时可沿竖直方向作进给运动，固定模位置始终保持不变；

S2、锻件设计：在目标各向同性板材宽度方向的两端设计具有斜度的纵向飞边，飞边厚度不大于目标各向同性板材厚度，飞边与目标各向同性板材上表面间夹角为93～95°；

S3、板坯设计：用于制备大规格超细晶各向同性板材的板坯是通过轧制工艺所得的各向异性厚板，板坯长度方向为轧制方向，板坯厚度为目标各向同性板材厚度m的β倍，β≥2；

S4、模具设计：步骤S1中用于板材传送的上夹持模和下夹持模，其工作表面为锯齿形，锯齿形方向垂直于板坯进给方向；用于轴向包络成形的包络锥模为带有锥面的方形构件，包络锥模的工作型面为锥面，其锥角为γ，包络锥模的模体为方形体，其边长为b×sin(γ/2)，其中b为目标各向同性板材宽度；固定模为上端面带有宽槽型腔的方形体，宽槽型腔的最小宽度g＝b+2f，其中f为纵向飞边厚度，宽槽型腔深度大于2m，宽槽型腔侧壁与底部的夹角为93～95°；精整切边机构中的切边台和压紧模均为矩形台，其长度为1.5b，宽度为b，切边动模由2个矩形块组成，切边动模沿平行于板坯进给方向安装在切边台两侧；

S5、将板坯送入各向同性板材制备装置中，完成制备；

所述步骤S5进一步包括：

S51、将步骤S3所设计的板坯放在板坯传送机构的上夹持模和下夹持模之间，驱动上夹持模和下夹持模沿竖直方向作相对运动，夹紧板坯；

S52、驱动上夹持模和下夹持模沿板坯长度方向作进给运动，推动板坯向加热机构中运动，进给距离为S，且S小于包络锥模的模体边长；启动加热机构中的热源，对板坯进行局部加热，加热的板坯长度为S；通过测温热电偶实时测量板坯温度，直至板坯升温至可锻温度后，再次驱动板坯传送机构将板坯从加热机构推送至轴向包络机构的固定模内；

S53、立即驱动包络锥模作旋转运动，同时沿竖直方向作进给运动，对板坯进行多周期轴向包络；在包络锥模的包络作用下，板坯同时发生厚度方向减薄变形、长度方向延伸变形和宽度方向展宽变形，金属大幅切向流动使得板坯所有方向上织构趋向于同一织构带，同时板坯晶粒在多道次剧烈塑性变形作用下发生显著细化，获得超细晶各向同性板材；

S54、轴向包络完成后，将已变形板材推入精整切边机构内，驱动压紧模沿竖直方向向下运动，将已变形板材压紧在切边台上，并对其进行精整；之后驱动切边动模向上作进给运动，切除已变形板材两端的纵向飞边；

S55、循环执行步骤S51、步骤S52、步骤S53和步骤S54，沿板坯长度方向对板坯进行逐步的分区轴向包络变形，直至获得目标大规格超细晶各向同性板坯产品；在轴向包络成形2个相邻板坯区时，包络锥模必须改变旋转方向，确保2个相邻板坯区交接部位的金属不发生扭曲变形。

2.根据权利要求1所述的大规格超细晶各向同性板材制备方法，其特征在于，步骤S4中，对板坯进行轴向包络变形时，板坯传送机构的上夹持模和下夹持模处于对板坯加载状态，同时精整切边机构中切边台和压紧模处于对板坯加载状态，确保轴向包络过程中板坯不发生转动。

3.根据权利要求1所述的大规格超细晶各向同性板材制备方法，其特征在于，所述精整切边机构包括切边台、压紧模和切边动模，所述切边台固定不动，压紧模和切边动模均可沿竖直方向运动。

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