CN113234904B - 一种梯度材料的高通量制备方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种梯度材料的高通量制备方法及装置，高通量制备方法，包括如下步骤；步骤S1：开启加热电阻丝，加热到预设温度时，通过压头将坯料压入锥形台模具；步骤S2：停止加热；步骤S3：开启冷却水，坯料从上到下的冷却速度逐渐加快，从而使压入的坯料产生温度梯度分布且可准确调控；步骤S4：冷却到预定温度时，退出冲压压头,通过顶出杆顶出坯料；步骤S5：从而获得晶粒梯度分布以及第二相梯度分布的组织；本发明的高通量制备方法，有效实现了金属材料的梯度热变形及梯度热处理，可高效获得具有晶粒梯度分布、第二相梯度分布及性能梯度分布的金属材料，实现了金属样品的高通量制备加工，具有效率高、成本低的优点。

Description

一种梯度材料的高通量制备方法及装置
技术领域
本发明涉及材料加工技术领域，具体为一种梯度材料的高通量制备方法及装置。
背景技术
传统的端淬梯度热处理时无法引入变形储存能，不能为再结晶晶粒形核提供形核驱动力，所以对晶粒尺寸分布产生的影响较小，主要对第二相的尺寸产生影响，且仅能获得热处理工艺-组织-性能间的关系；而且，传统热压缩、热挤压方法在挤压的过程中，无法获得具有晶粒梯度分布、第二相梯度分布及性能梯度分布的金属材料；同时，在制备的过程中，模具内部会产生一定碎屑，清洁不便，因此，设计一种梯度材料的高通量制备方法及装置是很有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种梯度材料的高通量制备方法及装置，有效实现了金属材料的梯度热变形及梯度热处理，可高效获得具有晶粒梯度分布、第二相梯度分布及性能梯度分布的金属材料，实现了金属样品的高通量制备加工，具有效率高、成本低的优点。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种梯度材料的高通量制备方法，包括如下步骤；
步骤S1：开启加热电阻丝，加热到预设温度时，通过压头将坯料压入锥形台模具后，产生梯度热变形，变形储存能即晶粒形核驱动力也呈梯度分布，通过控制模具尺寸控制梯度热变形量的大小及分布；
步骤S2：当坯料压入锥形台模具后，关闭加热电阻丝，停止加热，此时冲压压头并不退出，以防止坯料上端热扩散而产生冷却；
步骤S3：开启冷却水，使从上到下的冷却水通道里水的流速依次加快、流量以此加快，且流速、流量可调，坯料从上到下的冷却速度逐渐加快，从而使压入的坯料产生温度梯度分布且可准确调控；
步骤S4：当冷却到预定温度时，退出冲压压头、锥形台模具底部模座与喷头，进入顶出杆，通过顶出杆从锥形台模具底部顶出坯料；
步骤S5：从而获得上端晶粒大、下端晶粒下的晶粒梯度分布以及上端析出第二相少且尺寸大、下端析出第二相多且尺寸小的第二相梯度分布的组织，同时，性能也呈梯度分析。
作为本发明进一步的方案：所述锥形台模具上端直径与下端直径之比范围为5:1至10:1、高为10cm到100cm，坯料加热时间范围为10min-3h；坯料加热温度范围为200℃-1300℃；冷却时间范围为10min-3h。
一种梯度材料的高通量制备装置，包括承重底架、机箱、加工台、凹模组件、动力组件、冲压压头、防水槽、安装隔板和清洁组件，所述承重底架的顶部端面中央固定安装有机箱，所述机箱的顶部端面中央固定安装有加工台，所述加工台的顶部端面中央设置有凹模组件，所述机箱的内部中央通过螺栓固定安装有安装隔板，所述安装隔板的端面设置有清洁组件，且清洁组件与凹模组件连接，所述加工台的顶部端面一侧设置有动力组件，且动力组件的一侧连接安装有冲压压头；
所述凹模组件包括压铸座、锥形台模具、物料槽、第一加热层、水冷层、下料凸台和下料板，所述压铸座固定安装在加工台的顶部端面中央，所述压铸座的端面中央安装有锥形台模具，所述锥形台模具的端面中央开设有物料槽，所述锥形台模具的内部另一侧设置有水冷层，所述锥形台模具的底部下方设置有下料凸台，且下料凸台的端面中央安装有下料板。
作为本发明进一步的方案：所述加工台的顶部端面设置有防水槽，且防水槽位于压铸座的外侧。
作为本发明进一步的方案：所述锥形台模具的内部一侧设置有第一加热层，所述冲压压头的内部设置有第二加热层，所述第一加热层和第二加热层的内部均设置有加热电阻丝。
作为本发明进一步的方案：所述清洁组件包括电动气缸、升降活塞杆、冷却水箱、第一循环冷却管、第一流量泵、第二循环冷却管、第二流量泵、伸缩软管、定位架和清洁喷头,所述电动气缸固定安装在安装隔板的端面中央，所述电动气缸的内部插接安装有升降活塞杆，且升降活塞杆的顶部穿过压铸座与下料板连接，所述升降活塞杆的内侧顶部固定安装有定位架，所述定位架的底部固定安装有伸缩软管，所述伸缩软管的外壁四周均固定安装有清洁喷头，且清洁喷头的一端穿过升降活塞杆的外壁与外界连通，所述安装隔板的顶部端面一侧固定安装有冷却水箱，所述冷却水箱的一侧连接安装有第一流量泵，所述第一流量泵的一侧连接安装有第二循环冷却管，所述冷却水箱的顶部一侧连接安装有第一循环冷却管，且第二循环冷却管和第一循环冷却管均与水冷层连通。
作为本发明进一步的方案：所述水冷层的内部开设有冷却水通道，所述第二循环冷却管和第一循环冷却管的一端分别与冷却水通道的两端连接。
作为本发明进一步的方案：所述升降活塞杆的顶部一端固定安装有顶料杆，且顶料杆的顶部一端与下料板的底部端面固定连接。
作为本发明进一步的方案：所述动力组件包括竖梁架、固定顶板、电源箱、防护管套、缸体支架、斜撑架、液压缸和液压杆，所述竖梁架通过螺栓固定安装在加工台的顶部端面一侧，所述竖梁架的顶部端面通过螺栓固定安装有固定顶板，所述固定顶板的顶部端面一侧固定安装有电源箱，所述电源箱的一侧设置有防护管套，所述固定顶板的顶部端面中央固定安装有缸体支架，所述缸体支架的端面中央固定安装有液压缸，所述液压缸的外壁四周均固定安装有斜撑架，且斜撑架的顶部一端与固定顶板的底部端面固定连接，所述液压缸的底部一端设置有液压杆，且液压杆的底部一端与冲压压头固定连接。
本发明的有益效果：
1、本发明的高通量制备方法，与端淬梯度热处理相比，具有明显先进性，本发明有效实现了金属材料的梯度热变形及梯度热处理，可高效获得具有晶粒梯度分布、第二相梯度分布及性能梯度分布的金属材料，通过一次实验及一个样品便可高效获得工艺-组织-性能间的关系；同时，实现了金属样品的高通量制备加工，具有效率高、成本低的优点。
2、本发明的高通量制备装置，结构简单，操作便捷；在使用时，能够具有良好的热处理效果；而且，清洁效果好，能够对凹模内壁进行清洁，有效提高了杂质的清洁方便性；同时，具有良好的冷却速率，有利于提高金属坯料的成型质量。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明高通量制备装置整体结构示意图；
图2为本发明高通量制备装置整体主视图；
图3为本发明高通量制备装置整体剖视图；
图4为本发明高通量制备装置机箱的剖视图；
图5为本发明高通量制备装置凹模组件的剖视图；
图6为本发明高通量制备装置第一局部剖视图；
图7为本发明高通量制备装置第二局部剖视图；
图中：1、承重底架；2、机箱；3、加工台；4、凹模组件；5、动力组件；6、冲压压头；7、防水槽；8、安装隔板；9、清洁组件；41、压铸座；42、锥形台模具；43、物料槽；44、第一加热层；45、水冷层；46、下料凸台；47、下料板；51、竖梁架；52、固定顶板；53、电源箱；54、防护管套；55、缸体支架；56、斜撑架；57、液压缸；58、液压杆；91、电动气缸；92、升降活塞杆；93、冷却水箱；94、第一循环冷却管；95、第一流量泵；96、第二循环冷却管；97、第二流量泵；98、伸缩软管；99、定位架；910、清洁喷头。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-7所示，一种梯度材料的高通量制备方法，包括如下步骤；
步骤S1：开启加热电阻丝，加热到预设温度时，通过压头将坯料压入锥形台模具42后，产生梯度热变形，变形储存能即晶粒形核驱动力也呈梯度分布，通过控制模具尺寸控制梯度热变形量的大小及分布；
步骤S2：当坯料压入锥形台模具42后，关闭加热电阻丝，停止加热，此时冲压压头6并不退出，以防止坯料上端热扩散而产生冷却；
步骤S3：开启冷却水，使从上到下的冷却水通道里水的流速依次加快、流量以此加快，且流速、流量可调，坯料从上到下的冷却速度逐渐加快，从而使压入的坯料产生温度梯度分布且可准确调控；
步骤S4：当冷却到预定温度时，退出冲压压头6、锥形台模具42底部模座与喷头，进入顶出杆，通过顶出杆从锥形台模具42底部顶出坯料；
步骤S5：从而获得上端晶粒大、下端晶粒下的晶粒梯度分布以及上端析出第二相少且尺寸大、下端析出第二相多且尺寸小的第二相梯度分布的组织，同时，性能也呈梯度分析。
一种梯度材料的高通量制备装置，包括承重底架1、机箱2、加工台3、凹模组件4、动力组件5、冲压压头6、防水槽7、安装隔板8和清洁组件9，承重底架1的顶部端面中央固定安装有机箱2，机箱2的顶部端面中央固定安装有加工台3，加工台3的顶部端面中央设置有凹模组件4，机箱2的内部中央通过螺栓固定安装有安装隔板8，安装隔板8的端面设置有清洁组件9，且清洁组件9与凹模组件4连接，加工台3的顶部端面一侧设置有动力组件5，且动力组件5的一侧连接安装有冲压压头6；
凹模组件4包括压铸座41、锥形台模具42、物料槽43、第一加热层44、水冷层45、下料凸台46和下料板47，压铸座41固定安装在加工台3的顶部端面中央，压铸座41的端面中央安装有锥形台模具42，锥形台模具42的端面中央开设有物料槽43，锥形台模具42的内部另一侧设置有水冷层45，锥形台模具42的底部下方设置有下料凸台46，且下料凸台46的端面中央安装有下料板47；
加工台3的顶部端面设置有防水槽7，且防水槽7位于压铸座41的外侧，能够有效对清洗水流进行围堵，方便清洁；
锥形台模具42的内部一侧设置有第一加热层44，冲压压头6的内部设置有第二加热层，以实现等温压缩；第一加热层44和第二加热层的内部均设置有加热电阻丝，方便进行电热加工；
清洁组件9包括电动气缸91、升降活塞杆92、冷却水箱93、第一循环冷却管94、第一流量泵95、第二循环冷却管96、第二流量泵97、伸缩软管98、定位架99和清洁喷头910,电动气缸91固定安装在安装隔板8的端面中央，电动气缸91的内部插接安装有升降活塞杆92，且升降活塞杆92的顶部穿过压铸座41与下料板47连接，升降活塞杆92的内侧顶部固定安装有定位架99，定位架99的底部固定安装有伸缩软管98，伸缩软管98的外壁四周均固定安装有清洁喷头910，且清洁喷头910的一端穿过升降活塞杆92的外壁与外界连通，安装隔板8的顶部端面一侧固定安装有冷却水箱93，冷却水箱93的一侧连接安装有第一流量泵95，第一流量泵95的一侧连接安装有第二循环冷却管96，冷却水箱93的顶部一侧连接安装有第一循环冷却管94，且第二循环冷却管96和第一循环冷却管94均与水冷层45连通，通过清洁组件能够方便进行清洁以及下料；
水冷层45的内部开设有冷却水通道，第二循环冷却管96和第一循环冷却管94的一端分别与冷却水通道的两端连接，方便冷却水流进行输送；
升降活塞杆92的顶部一端固定安装有顶料杆，且顶料杆的顶部一端与下料板47的底部端面固定连接，方便进行顶料；
动力组件5包括竖梁架51、固定顶板52、电源箱53、防护管套54、缸体支架55、斜撑架56、液压缸57和液压杆58，竖梁架51通过螺栓固定安装在加工台3的顶部端面一侧，竖梁架51的顶部端面通过螺栓固定安装有固定顶板52，固定顶板52的顶部端面一侧固定安装有电源箱53，电源箱53的一侧设置有防护管套54，固定顶板52的顶部端面中央固定安装有缸体支架55，缸体支架55的端面中央固定安装有液压缸57，液压缸57的外壁四周均固定安装有斜撑架56，且斜撑架56的顶部一端与固定顶板52的底部端面固定连接，液压缸57的底部一端设置有液压杆58，且液压杆58的底部一端与冲压压头6固定连接，便于为冲压压头6提供冲压动力；
锥形台模具42上端直径与下端直径之比范围为5:1至10:1、高为10cm到100cm，坯料加热时间范围为10min-3h；坯料加热温度范围为200℃-1300℃；冷却时间范围为10min-3h。
其中在本实施例中锥形台模具42上端直径与下端直径之比范围为5:1、高为10cm，坯料加热时间范围为10min；坯料加热温度范围为200℃；冷却时间范围为10min。
本发明的工作原理：使用时，通过承重底架1能够对机箱2进和加工台3进行支撑，在加工台3的顶部，通过凹模组件4便于放置坯料，将坯料放置在压铸座41顶部锥形台模具42端面的物料槽43内，通过动力组件5能够为冲压压头6提供冲压动力，并通过安装隔板8端面的清洁组件9能够方便进行后续冷却、下料以及清洁处理；开启锥形台模具42内部第一加热层44以及冲压压头6内部第二加热层的加热电阻丝，加热到预设温度后，固定顶板52顶部的液压缸57工作，使得液压缸57通过液压杆58能够推动冲压压头6下移，使得冲压压头6将坯料压入锥形台模具或锥形台模具42后，产生梯度热变形，变形储存能，即晶粒形核驱动力也呈梯度分布，通过控制模具尺寸控制梯度热变形量的大小及分布；当坯料压入锥形台模具42后，关闭加热电阻丝，停止加热，此时冲压压头6并不退出，以防止坯料上端热扩散而产生冷却；开启冷却水，第一流量泵95工作，能够将冷却水箱93内部的冷却水通过第二循环冷却管96和第一循环冷却管94输送到水冷层45内部的冷却通道内，使从上到下的冷却水通道里水的流速依次加快、流量以此加快，且通过第一流量泵95将流速、流量进行调节，坯料从上到下的冷却速度逐渐加快，从而使压入的坯料产生温度梯度分布且可准确调控；当冷却到预定温度时，通过液压杆58能够将冲压压头6退出、锥形台模具42底部模座与喷头，安装隔板8一侧的电动气缸91工作，电动气缸91推动升降活塞杆92上移，在移动的过程中，升降活塞杆92能够通过顶出杆将下料板47从下料凸台46端面顶出，通过顶出杆和下料板47从锥形台模具42底部顶出坯料；在顶出的过程中，第二流量泵97工作，第二流量泵97将冷却水箱93内部的冷却水通过伸缩软管98输送到升降活塞杆92的内部，通过定位架99外侧的清洁喷头910能够喷洒，从而能够对物料槽43的内壁进行冲洗，通过防水槽7能够对水流进行限位；通过竖梁架51能够对固定顶板52进行支撑，使得固定顶板52通过缸体支架55和斜撑架56能够对液压缸57具有稳定的支撑效果，通过电源箱53和防护管套54方便为液压缸57提供动力。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (2)

1.一种梯度材料的高通量制备方法，其特征在于，包括如下步骤；
步骤S1：开启加热电阻丝，加热到预设温度时，通过压头将坯料压入锥形台模具(42)后，产生梯度热变形，变形储存能，即晶粒形核驱动力也呈梯度分布，通过控制模具尺寸控制梯度热变形量的大小及分布；
步骤S2：当坯料压入锥形台模具(42)后，关闭加热电阻丝，停止加热，此时冲压压头(6)并不退出，以防止坯料上端热扩散而产生冷却；
步骤S3：开启冷却水，使从上到下的冷却水通道里水的流速依次加快、流量以此加快，且流速、流量可调，坯料从上到下的冷却速度逐渐加快，从而使压入的坯料产生温度梯度分布且可准确调控；
步骤S4：当冷却到预定温度时，退出冲压压头(6)、锥形台模具(42)底部模座与喷头，进入顶出杆，通过顶出杆从锥形台模具(42)底部顶出坯料；
步骤S5：从而获得上端晶粒大、下端晶粒下的晶粒梯度分布以及上端析出第二相少且尺寸大、下端析出第二相多且尺寸小的第二相梯度分布的组织，同时，性能也呈梯度分析。
2.一种梯度材料的高通量制备装置，其特征在于，包括承重底架(1)、机箱(2)、加工台(3)、凹模组件(4)、动力组件(5)、冲压压头(6)、防水槽(7)、安装隔板(8)和清洁组件(9)，所述承重底架(1)的顶部端面中央固定安装有机箱(2)，所述机箱(2) 的顶部端面中央固定安装有加工台(3)，所述加工台(3)的顶部端面中央设置有凹模组件(4)，所述机箱(2)的内部中央通过螺栓固定安装有安装隔板(8)，所述安装隔板(8)的端面设置有清洁组件(9)，且清洁组件(9)与凹模组件(4)连接，所述加工台(3)的顶部端面一侧设置有动力组件(5)，且动力组件(5)的一侧连接安装有冲压压头(6)；
所述凹模组件(4)包括压铸座(41)、锥形台模具(42)、物料槽(43)、第一加热层(44)、水冷层(45)、下料凸台(46)和下料板(47)，所述压铸座(41)固定安装在加工台(3)的顶部端面中央，所述压铸座(41)的端面中央安装有锥形台模具(42)，所述锥形台模具(42)的端面中央开设有物料槽(43)，所述锥形台模具(42)的内部另一侧设置有水冷层(45)，所述锥形台模具(42)的底部下方设置有下料凸台(46)，且下料凸台(46)的端面中央安装有下料板(47)；
所述加工台(3)的顶部端面设置有防水槽(7)，且防水槽(7)位于压铸座(41)的外侧；
所述锥形台模具(42)的内部一侧设置有第一加热层(44)，所述冲压压头(6)的内部设置有第二加热层，所述第一加热层(44)和第二加热层的内部均设置有加热电阻丝；
所述清洁组件(9)包括电动气缸(91)、升降活塞杆(92)、冷却水箱(93)、第一循环冷却管(94)、第一流量泵(95)、第二循环冷却管(96)、第二流量泵(97)、伸缩软管(98)、定位架(99) 和清洁喷头(910),所述电动气缸(91)固定安装在安装隔板(8)的端面中央，所述电动气缸(91)的内部插接安装有升降活塞杆(92)，且升降活塞杆(92)的顶部穿过压铸座(41)与下料板(47)连接，所述升降活塞杆(92)的内侧顶部固定安装有定位架(99)，所述定位架(99)的底部固定安装有伸缩软管(98)，所述伸缩软管(98)的外壁四周均固定安装有清洁喷头(910)，且清洁喷头(910)的一端穿过升降活塞杆(92)的外壁与外界连通，所述安装隔板(8)的顶部端面一侧固定安装有冷却水箱(93)，所述冷却水箱(93)的一侧连接安装有第一流量泵(95)，所述第一流量泵(95)的一侧连接安装有第二循环冷却管(96)，所述冷却水箱(93)的顶部一侧连接安装有第一循环冷却管(94)，且第二循环冷却管(96)和第一循环冷却管(94)均与水冷层(45)连通；
所述水冷层(45)的内部开设有冷却水通道，所述第二循环冷却管(96)和第一循环冷却管(94)的一端分别与冷却水通道的两端连接；
所述升降活塞杆(92)的顶部一端固定安装有顶料杆，且顶料杆的顶部一端与下料板(47)的底部端面固定连接；
所述动力组件(5)包括竖梁架(51)、固定顶板(52)、电源箱(53)、防护管套(54)、缸体支架(55)、斜撑架(56)、液压缸(57)和液压杆(58)，所述竖梁架(51)通过螺栓固定安装在加工台(3)的顶部端面一侧，所述竖梁架(51)的顶部端面通过螺栓固定安装有固定顶板(52)，所述固定顶板(52)的顶部端面一侧固定安装有电源箱(53)，所述电源箱(53)的一侧设置有防护管套(54)，所述固定顶板(52)的顶部端面中央固定安装有缸体支架(55)，所述缸体支架(55)的端面中央固定安装有液压缸(57)，所述液压缸(57)的外壁四周均固定安装有斜撑架(56)，且斜撑架(56)的顶部一端与固定顶板(52)的底部端面固定连接，所述液压缸(57)的底部一端设置有液压杆(58)，且液压杆(58)的底部一端与冲压压头(6)固定连接。
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