CN114749506B - 一种梯度结构棒材及其制备装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种梯度结构棒材及其制备装置和方法。用于将横截面为椭圆形的棒材加工成截面为圆形的棒材；包括夹持单元，扭转单元，给进单元和控制单元；夹持单元用于将待加工的金属棒材的两端夹紧固定；给进单元用于带动扭转单元沿棒材轴线进给；扭转单元包括带有中心供棒材穿过通孔的扭转盘，设置在扭转盘表面的多个辊筒，相对辊筒之间的距离可调，相对辊筒之间的最大距离小于椭圆形待加工棒材的长轴。本发明通过对棒材施加径向应变差，利用大塑性变形使棒材表面晶粒细化，同时通过控制辊筒与转轴的距离，使加工后的圆棒横截面积与初始棒材横截面积相当，保证棒材心部应变量较小并保持粗晶状态，最终获得晶粒沿径向梯度分布的梯度结构金属棒材。
Description
技术领域
本发明属于材料制备领域，具体涉及一种梯度结构棒材及其制备装置和方法。
背景技术
在工程应用中，金属材料的强度与韧性的取舍问题长期困扰着实际应用。传统金属材料在强度和塑性上呈现出“强度升高，塑性下降”的倒置关系，极大的限制了金属材料的应用范围。梯度金属材料的研究提供了一种新型的材料设计思路。研究表明，通过引入具有非均匀分布特点的梯度结构，可以在提升材料强度的同时保持其原有塑性，为拓宽金属材料的应用带来了一缕新的曙光。
例如，西北有色金属研究院赵永庆等人(Gradient nanostructure,phasetransformation,amorphization and enhanced strength-plasticity synergy of puretitanium manufactured by ultrasonic surface rolling,Journal of MaterialsProcessing Technology，2022，299，117322)报道了一种通过超声波表面滚压纯钛产生的梯度纳米结构对强塑性的协同增强作用，在提高强度的同时，保持足够的塑性，拉伸强度源于表面纳米梯度结构，而心部较软的粗晶可以抑制表层软化，由此保持材料塑性。该方法虽然实现了梯度结构棒材的有效制备，但是存在以下问题：(1)梯度结构深度较浅(约为350μm，不到工件半径的4％)，导致其强化效果并不显著(强度提升不足25％)；(2)超声滚压头与工件的接触面积小，且需要循环多次加工，加工时间长，加工尺寸小，制备成本较高。
上述缺点也常见于其它的表面机械加工法，如表面研磨、表面喷丸等。表面机械加工法所加工尺寸局限于厚度小于4mm的薄板、直径小于8mm的细棒，远小于实际工程所需结构材料，同时梯度层厚度也局限于几十至几百微米，对于大尺寸工件，梯度层对力学性能的贡献十分有限。除表面机械加工法制备梯度材料外，表面热处理工艺也常用于表面梯度结构的制备，它可以在短时间内有效获得梯度结构，成本较低，但由于金属材料极佳的导热性，难以对梯度结构实现定量精确控制。
基于工程实际大尺寸构件强韧性性能的改善，我们迫切需要在现有的梯度结构材料设计理念基础上，开发能制备厚度可控的大厚度梯度层金属材料的新方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种梯度结构棒材及其制备装置和方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种梯度结构棒材制备装置，用于将横截面为椭圆形的棒材加工成截面为圆形的棒材；包括夹持单元，扭转单元，给进单元和控制单元；
所述夹持单元包括两组，用于将待加工的金属棒材的两端夹紧固定；
所述给进单元用于带动扭转单元沿棒材轴线进给；
扭转单元设置在给进单元上，扭转单元包括带有中心供棒材穿过通孔的扭转盘，设置在扭转盘表面的多个辊筒，相对辊筒之间的距离可调，相对辊筒之间的最大距离小于椭圆形待加工棒材的长轴；
控制单元驱动进给单元沿棒材轴线运动，同时驱动多个辊筒转动，完成一道次后，通过调整辊筒与扭转盘轴心的间距，椭圆形棒材的长短轴比不断减小，最终得到截面为规则圆形的棒材。
进一步的，所述辊筒为圆柱形，辊筒和待加工的棒材为线接触，辊筒的数量为3-5个。
进一步的，每一组夹持单元包括上下设置的夹持弧形板和设置在夹持弧形板之间的紧固胶圈，紧固胶圈直接和待加工棒材直接接触。
进一步的，扭转单元还包括扭转盘固定底座，扭转盘设置在扭转盘固定底座上，给进单元还包括滑轨，扭转盘固定底座在滑轨上滑动设置。
进一步的，扭转盘上设有多个用于安装辊筒的辊筒转轴，辊筒转轴在扭转盘上的位置可调。
一种采用上述的装置制备梯度结构棒材的方法，采用装置将横截面为椭圆的金属棒材的两端固定，控制单元驱动进给单元进给，驱动辊筒转动，辊筒对棒材施加的力由沿棒材的切向力和指向棒材轴心的力组成，从而实现对棒材长轴部位的加工；完成一道次后，将相对辊筒之间的距离逐步调小，每调整一次距离、对应一道次加工，重复上述步骤得到圆形棒材。
进一步的，所述方法具体包括如下步骤：
步骤(1)：棒材预处理：根据加工材料的塑性变形能力及所需梯度层厚度选取不同长短轴比的椭圆形金属棒材，在再结晶温度上下进行均匀化处理，获得匀质结构的金属椭圆形棒材；
步骤(2)：扭转变形：将预处理后的椭圆形金属棒送入扭转盘中进行扭转变形，紧固金属棒两端，并驱动扭转盘均匀旋转；
步骤(3)：扭转盘循环进给：扭转盘开始旋转后，启动给进装置，使转盘在材料表面轴向运动，运行数次循环，确保椭圆长轴半径辊压至辊筒与轴心间距；
步骤(4)：调整辊筒与扭转盘轴心的距离：通过垫片和螺丝限制辊筒轴的位置，从而改变辊筒至扭转盘轴心的距离，重复步骤(2)-(3)，采用逐级变形的方式最终得到规则的圆棒。
进一步的，金属棒才的材质为钛、铝或铜。
进一步的，步骤(1)中椭圆形棒材的长短轴比为1.2～2.0；
步骤(2)中扭转变形的参数为：辊筒的转动速率为3～10rpm，个数为3～5个，扭转盘的转动速率为10～50rpm；
步骤(3)中循环进给扭转盘的参数为：扭转盘给进速度为0.03～0.3m/min，循环次数为2～10次；步骤(3)中扭转盘循环进给时，通入润滑油，实现降温和润滑的作用；
步骤(4)的改变辊筒与扭转盘轴心的距离的工艺参数为：距离的减小量不应过大，单道次应在短轴长度的5～20％。
一种梯度结构棒材，采用上述的方法制备。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明通过辊筒辊压加工装置在椭圆形棒材表面施加垂直于长轴的剪切应力，使棒材截面逐渐变形为圆形，使棒材外侧产生大塑性变形而使晶粒大幅细化，改变初始椭圆形棒材的长短轴比可以制备不同厚度梯度层的梯度结构金属棒材，且梯度层厚度大，对于塑性较好的材料梯度层可至圆棒半径的30％以上，在二维方向上获得软硬区域，实现材料强度和塑性协同提高。具有极大的微观结构设计指向性和灵活性，可根据需要调整材料选择，如工业纯钛、铜、铝及塑性较好的合金。
(2)与传统表面加工机械工艺的滚球/滚轮的点接触加工相比，辊筒加工装置的面接触形式具有更高的加工效率，对于大尺寸工件而言，加工效率的提升可使成本显著降低。
(3)传统的表面滚压加工装置通过滚压棒材表面，引入大量位错和梯度结构强化材料，但这一方法导致材料截面积的减小，导致长度增加，因此材料心部受到轴向拉应力，降低材料塑性。本发明通过夹持部件限定棒材长度恒定，在棒材截面由椭圆形过渡至圆形过程中，使截面积保持不变，由此达到保持心部区域不产生变形或变形量较小，心部维持未加工态材料的优良塑性；
(4)辊筒数量设置为3～5个，采用较多或较少的辊筒数量容易导致加工变形量的减小或加工效率的降低。
附图说明
图1为本发明的扭转装置示意图，其中Ⅰ为夹持工作段，Ⅱ为扭转工作段。
图2为本发明夹持工作段的结构示意图。
图3为本发明扭转工作段的结构示意图。
图4为本发明的扭转加工流程图；其中(a)为变形前样品示意图，(b)变形过渡状态初期，(c)变形过渡状态初期，(d)为变形后在设备中的状态示意图。
图5为本发明的材料微观结构的示意图；其中(a)为扭转加工前材料微观示意图，(b)为扭转加工后材料微观示意图。
附图标记说明：
1-金属棒材，2-辊筒，3-滑动导轨，4-控制柜，5-夹持弧形板，6-扭转盘，7-辊筒固定螺丝，8-辊筒转轴，9-扭转盘固定底座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1-5所示，一种制备梯度结构金属棒材的加工装置和方法，包括夹持单元、扭转单元、给进单元。
图1为加工装置示意图，其中夹持单元位于装有电机和电线等物品的控制柜上方分居两侧，包括紧固胶圈和夹持弧形板5、控制柜4。紧固胶圈直接与待加工样品接触，起到固定材料的作用，以便于材料的扭转加工(如图2所示)；所述扭转单元包括辊筒2、扭转盘6、固定螺丝7、辊筒转轴8和扭转盘固定底座9组成，扭转盘6内部放置待加工样品，通过在近转轴外侧处添加垫片，配合螺丝实现对辊筒转轴与扭转盘轴心的间距的调控(如图3所示)；(如图4所示)；
下面结合实施例对本发明做进一步详述
实施例1
(1)棒材预处理：选取TA2型纯钛椭圆形棒材，长轴为23.5mm，短轴为17mm，长度为0.5m，在650℃保护气氛下保温2h，均匀化处理。
(2)扭转变形：将椭圆形钛棒置入扭转盘，首尾用弧形夹持板固定。打开扭转盘及辊筒开关，辊筒的转动速率设定为5rpm，扭转盘的转动速率设为30rpm，辊筒转轴与扭转盘轴心的间距设为22.1mm。
(3)扭转盘循环进给：开启扭转盘给进装置，给进速率设为0.05m/min，使扭转盘沿棒材轴向往复运动5个周期。
(4)调整辊筒与扭转盘轴心的距离：完成扭转加工后，调整辊筒转轴与扭转盘轴心的间距，逐级设置为21mm和20mm，重复步骤2和3。最后取出加工的纯钛棒材，去除表面的油污和氧化膜，切除首尾结合不好的部分。
实施例2
(1)棒材预处理：选取TA1型纯钛椭圆形棒材，长轴为36mm，短轴为24mm，长度为0.5m，在650℃保护气氛下保温2h，均匀化处理。
(2)扭转变形：将处理好的椭圆形钛棒置入扭转盘，首尾用弧形夹持板固定。打开扭转盘及辊筒开关，辊筒的转动速率设定为5rpm，扭转盘的转动速率设为30rpm，辊筒转轴与扭转盘轴心的间距设为34.5mm。
(3)扭转盘循环进给：开启扭转盘给进装置，给进速率设为5cm/min，使扭转盘沿棒材轴向往复运动5个周期。
(4)调整辊筒与扭转盘轴心的距离：完成扭转加工后，调整辊筒转轴与扭转盘轴心的间距，逐级设置为33.1mm，31.8mm，30.6mm和29.4mm重复步骤2和3。最后取出加工的纯钛棒材，去除表面的油污和氧化膜，切除首尾结合不好的部分。
实施例3
(1)棒材预处理：选取6061型铝合金椭圆形棒材，长轴为23.5mm，短轴为17mm，长度为0.5m，在450℃保护气氛下保温30min，均匀化处理。
(2)扭转变形：将椭圆形铝合金棒置入扭转盘，首尾用弧形夹持板固定。打开扭转盘及辊筒开关，辊筒的转动速率设定为5rpm，扭转盘的转动速率设为30rpm，辊筒转轴与扭转盘轴心的间距设为22.1mm。
(3)扭转盘循环进给：开启扭转盘给进装置，给进速率设为0.05m/min，使扭转盘沿棒材轴向往复运动5个周期。
(4)调整辊筒与扭转盘轴心的距离：完成扭转加工后，调整辊筒转轴与扭转盘轴心的间距，逐级设置为21mm和20mm，重复步骤2和3。最后取出加工的铝合金棒材，去除表面的油污和氧化膜，切除首尾结合不好的部分。
实施例4
(1)棒材预处理：选取纯铜椭圆形棒材，长轴为36mm，短轴为24mm，长度为0.5m，在270℃保护气氛下保温2h，均匀化处理。
(2)扭转变形：将处理好的椭圆形铜棒置入扭转盘，首尾用弧形夹持板固定。打开扭转盘及辊筒开关，辊筒的转动速率设定为5rpm，扭转盘的转动速率设为30rpm，辊筒转轴与扭转盘轴心的间距设为34.5mm。
(3)扭转盘循环进给：开启扭转盘给进装置，给进速率设为5cm/min，使扭转盘沿棒材轴向往复运动5个周期。
(4)调整辊筒与扭转盘轴心的距离：完成扭转加工后，调整辊筒转轴与扭转盘轴心的间距，逐级设置为33.1mm，31.8mm，30.6mm和29.4mm重复步骤2和3。最后取出加工的纯铜棒材，去除表面的油污和氧化膜，切除首尾结合不好的部分。
Claims (10)
1.一种梯度结构棒材制备装置，其特征在于，用于将横截面为椭圆形的棒材加工成截面为圆形的棒材；包括夹持单元，扭转单元，给进单元和控制单元；
所述夹持单元包括两组，用于将待加工的金属棒材的两端夹紧固定；
所述给进单元用于带动扭转单元沿棒材轴线进给；
扭转单元设置在给进单元上，扭转单元包括带有中心供棒材穿过通孔的扭转盘(6)，设置在扭转盘表面的多个辊筒(2)，相对辊筒(2)之间的距离可调，相对辊筒之间的最大距离小于椭圆形待加工棒材的长轴；
控制单元驱动进给单元沿棒材轴线运动，同时驱动多个辊筒转动，完成一道次后，通过调整辊筒与扭转盘轴心的间距，椭圆形棒材的长短轴比不断减小，最终得到截面为规则圆形的棒材。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述辊筒为圆柱形，辊筒和待加工的棒材为线接触，辊筒的数量为3-5个。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，每一组夹持单元包括上下设置的夹持弧形板(5)和设置在夹持弧形板之间的紧固胶圈，紧固胶圈直接和待加工棒材接触。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，扭转单元还包括扭转盘固定底座(9)，扭转盘(6)设置在扭转盘固定底座(9)上，给进单元还包括滑轨，扭转盘固定底座在滑轨上滑动设置。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，扭转盘(6)上设有多个用于安装辊筒的辊筒转轴(8)，辊筒转轴(8)在扭转盘上的位置可调。
6.一种采用权利要求1-5任一项所述的装置制备梯度结构棒材的方法，其特征在于，采用装置将横截面为椭圆的金属棒材的两端固定，控制单元驱动进给单元进给，驱动辊筒转动，辊筒对棒材施加的力由沿棒材的切向力和指向棒材轴心的力组成，从而实现对棒材长轴部位的加工；完成一道次后，将相对辊筒之间的距离逐步调小，每调整一次距离、对应一道次加工，重复上述步骤得到圆形棒材。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤(1)：棒材预处理：根据加工材料的塑性变形能力及所需梯度层厚度选取不同长短轴比的椭圆形金属棒材，在再结晶温度上下进行均匀化处理，获得匀质结构的金属椭圆形棒材；
步骤(2)：扭转变形：将预处理后的椭圆形金属棒送入扭转盘中进行扭转变形，紧固金属棒两端，并驱动扭转盘均匀旋转；
步骤(3)：扭转盘循环进给：扭转盘开始旋转后，启动给进装置，使转盘在材料表面轴向运动，运行数次循环，确保椭圆长轴半径辊压至辊筒与轴心间距；
步骤(4)：调整辊筒与扭转盘轴心的距离：通过垫片和螺丝限制辊筒轴的位置，从而改变辊筒至扭转盘轴心的距离，重复步骤(2)-(3)，采用逐级变形的方式最终得到规则的圆棒。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，金属棒材的材质为钛、铝或铜。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(1)中椭圆形棒材的长短轴比为1.2～2.0；
步骤(2)中扭转变形的参数为：辊筒的转动速率为3～10rpm，个数为3～5个，扭转盘的转动速率为10～50rpm；
步骤(3)中循环进给扭转盘的参数为：扭转盘给进速度为0.03～0.3m/min，循环次数为2～10次；步骤(3)中扭转盘循环进给时，通入润滑油，实现降温和润滑的作用；
步骤(4)的改变辊筒与扭转盘轴心的距离的工艺参数为：距离的减小量不应过大，单道次应在短轴长度的5～20％。
10.一种梯度结构棒材，其特征在于，采用权利要求6-9任一项所述的方法制备。
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