CN116511274A - 脉冲电流辅助辊模热拉拔制备电弧增材用镁合金丝材的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种脉冲电流辅助辊模热拉拔制备电弧增材用镁合金丝材的装置及方法，属于镁合金丝材制备技术领域。该装置包括放线架、矫直器、管式加热炉、脉冲电源、辊模、拉丝机；所述辊模包括辊模架、辊轮组，所述辊模架包括压椭辊模架和压圆辊模架，所述压椭辊模架内有压椭辊轮组，压圆辊模架内有压圆辊轮组，所述压椭辊轮组和压圆辊轮组的辊轮通过耐高温陶瓷轴承固定在压椭辊模架和压圆辊模架上。该方法采用脉冲电流连接电极连接辊轮和脉冲电源，通过辊轮将脉冲电流传递到丝材，而且辊轮与丝材始终保持紧密接触，避免甚至消除了常规电致塑性拉拔时电极与丝材之间摩擦、打火对丝材表面质量的不利影响。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲电流辅助辊模热拉拔技术领域，具体涉及一种脉冲电流辅助辊模热拉拔制备电弧增材用镁合金丝材的装置及方法。
背景技术
电弧增材制造技术是一种无模具近净成形的技术，能够实现大型复杂构件的快速成形；镁合金密度低，在构件轻量化方面具有非常显著的优势。电弧增材制造镁合金兼具上述两方面优势，在航空、航天和交通运输领域有着广阔的应用前景。尤其是稀土镁合金，它具有良好的耐高温氧化性和良好的高温力学性能，具有高强度、良好的抗蠕变和良好的耐腐蚀等优点。然而，电弧增材制造所用的丝材原料直径一般为1.2mm。挤压、拉拔、中间退火工艺是常规的镁合金丝材加工方法，其原理是利用外力使镁合金在模具中流动并形成所需截面形状，同时通过适当的热处理消除工件形变强化效应，改善塑性变形能力，便于实施后继拉拔工序。但是，镁合金具有密排六方晶体结构，室温下滑移系开动数量少，加之稀土元素合金化显著提高合金的变形抗力，导致稀土镁合金室温拉拔存在变形量小、变形速率低以及频繁断丝等问题。
电辅助拉拔工艺是一种新型的金属丝材加工方法，通过在拉拔过程中施加脉冲电流，利用电致塑性效应来降低金属的变形抗力和残余应力，以提升金属的延展性和力学性能。这种工艺能够有效地解决一些难以变形的金属材料的加工问题，提高拉拔产品的质量和效率。但是，脉冲电流辅助拉拔过程中，镁合金丝材与电极接触存在相互摩擦，随着摩擦量增加导致二者发生不良接触，极易产生打火现象。尽管利用滚动式电极能够改善上述问题，但同时引起电极间距增加和电极与丝材呈点接触存在不稳定因素。所以，亟需开发大变形量、高变形速率的稀土镁合金丝材制备技术，以支撑电弧增材制造稀土镁合金构件日益增加的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种脉冲电流辅助辊模热拉拔制备电弧增材用镁合金丝材的装置及方法。该装置将稀土镁合金热变形、电致塑性加工和辊模拉拔相结合实现电弧增材制造用稀土镁合金丝材高效率制备。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种脉冲电流辅助辊模热拉拔制备电弧增材用镁合金丝材的装置，包括放线架、矫直器、管式加热炉、脉冲电源、辊模、拉丝机；所述辊模包括辊模架、辊轮组，所述辊模架包括压椭辊模架和压圆辊模架，所述压椭辊模架内有压椭辊轮组，压圆辊模架内有压圆辊轮组，所述压椭辊轮组和压圆辊轮组的辊轮通过耐高温陶瓷轴承固定在压椭辊模架和压圆辊模架上；所述压椭辊模架和压圆辊模架上设有做绝缘处理的进线导向孔、出线导向孔，所述压椭辊模架和压圆辊模架外壳之间设置带孔绝缘板，镁合金丝材毛坯从进线导向孔进入压椭辊模架内的压椭辊轮组，然后通过带孔绝缘板经压圆辊模架内的压圆辊轮组从出线导向孔内出去，最终卷绕到拉丝机的卷筒上。
进一步，所述脉冲电源通过脉冲电流连接电极和电线与压椭辊轮组和压圆辊轮组的辊轮连接，将脉冲电流依次传导至辊轮、镁合金丝材，为丝材拉拔变形过程提供脉冲电流，同时脉冲电流连接电极与辊模架之间可靠绝缘。
进一步，所述管式加热炉内通氩气保护。
一种脉冲电流辅助辊模热拉拔制备电弧增材用镁合金丝材的方法，包括以下步骤：
步骤1、将镁合金丝材置于放线架上，镁合金丝材一端经过矫直器、管式加热炉、进线导向孔、压椭辊轮组、带孔绝缘板、压圆辊轮组、出线导向孔，并固定于拉丝机的卷筒上；
步骤2、设置脉冲电源参数；
步骤3、接通管式加热炉电源，开始加热；
步骤4、设定拉丝机拉拔速度，待炉温达到设定值后，依次开启拉丝机、脉冲电源制备稀土镁合金丝材；
步骤5、拉拔结束后，更换孔型尺寸更小的辊模，重复步骤1~4，逐步减小丝材直径，最终得到直径1.2mm的电弧增材制造用稀土镁合金丝材。
进一步，步骤1中镁合金丝材经过压椭辊轮组和压圆辊轮组后变形量达到15%~30%。
进一步，步骤2中设置脉冲电流为50~200A、脉冲频率为200~800Hz、占空比为10%~90%。
进一步，步骤3中设置炉温为200~400℃。
进一步，步骤4中拉丝机拉拔速度为5~20m/min。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、针对稀土镁合金变形抗力大、丝材拉拔效率低的问题，本专利技术综合了热拉拔、电致塑性与辊模拉拔的优势，即高温下稀土镁合金变形抗力降低，有利于动态再结晶发生消除拉拔变形产生的内应力和缺陷，从而提高其单道次变形量和变形速率；变形过程中，脉冲电流作用下能够降低稀土镁合金的变形抗力、提高塑性变形能力；辊模拉拔将传统拉拔过程中的滑动摩擦转变为滚动摩擦，同等变形量的条件下大幅度减小拉拔力，能够有效避免断丝现象，开发出稀土镁合金丝材的高效制备技术，使得单道次变形量、拉拔速率均得到显著的提升。
2、本专利技术采用脉冲电流连接电极连接辊轮和脉冲电源，通过辊轮将脉冲电流传递到丝材，而且辊轮与丝材始终保持紧密接触，避免甚至消除了常规电致塑性拉拔时电极与丝材之间摩擦、打火对丝材表面质量的不利影响。
3、本专利技术采用耐高温陶瓷轴承固定辊轮，承受热拉拔过程中热、力载荷，以保证辊模的使用寿命；同时，利用陶瓷轴承的电绝缘性使辊轮和辊模架之间保持可靠绝缘，使脉冲电流传递到稀土镁合金丝材，起到电致塑性的作用。
4、本专利技术中辊模拉拔的辊轮和丝材之间为滚动摩擦，不需要使用润滑剂来减小拉拔力，同时能够避免丝材表面污染以及给增材制造合金引入杂质。
总之，本专利技术为高质量电弧增材制造用稀土镁合金丝材的高效率制备提供可靠的技术支撑。
附图说明
图1是本发明装置的总体结构示意图；
图2是本发明辊模的具体结构图；
图3是实施例2制备的直径6mm镁合金毛坯扫描电镜组织形貌；
图4是实施例2制备的直径1.2mm镁合金丝材金相组织形貌；
图5是实施例2制备的直径1.2mm镁合金丝材扫描电镜组织形貌；
图6是实施例2制备的直径1.2mm镁合金丝材拉伸应力应变曲线；
图中，1：放线架，2：矫直器，3：管式加热炉，4：脉冲电源，5：辊模，6：拉丝机，7：脉冲电流连接电极，8：进线导向孔，9：压椭辊模架，10：压椭辊轮组，11：电线，12：耐高温陶瓷轴承，13：压圆辊轮组，14：压圆辊模架，15：镁合金丝材毛坯，16：出线导向孔，17：带孔绝缘板。
实施方式
本发明将通过附图和实施例进行详细阐述，以便更好地说明本发明所涉及的目标、方法和优势。需要指出的是，这些具体实施例只是用来说明本发明，并不构成对本发明的任何限制。
实施例1
本实施例提供了一种脉冲电流辅助辊模热拉拔制备电弧增材用镁合金丝材的装置，如图1所示，包括放线架1、矫直器2、管式加热炉3、脉冲电源4、辊模5、拉丝机6。所述矫直器2用于镁合金丝材矫直，避免丝材接触管式加热炉3的炉壁，使丝材温度均匀分布。所述管式加热炉3内通氩气保护，以避免稀土镁合金丝材在高温下发生表面氧化。
其中，如图2所示，辊模5包括辊模架、辊轮组，所述辊模架包括压椭辊模架9和压圆辊模架14，所述压椭辊模架9内有压椭辊轮组10，压圆辊模架14内有压圆辊轮组13，所述压椭辊轮组10和压圆辊轮组13的辊轮通过耐高温陶瓷轴承12固定在辊模架（压椭辊模架9和压圆辊模架14）上，热拉拔过程中耐高温陶瓷轴承12承受高温、压力作用保证辊轮的正常转动，同时耐高温陶瓷轴承12保证辊轮和辊模架可靠绝缘。所述压椭辊模架9和压圆辊模架14上设有做绝缘处理的进线导向孔8、出线导向孔16，与相应的辊轮组相匹配，同时所述压椭辊模架9和压圆辊模架14外壳之间设置带孔绝缘板17。镁合金丝材毛坯15从进线导向孔8进入压椭辊模架9内的压椭辊轮组10，然后通过带孔绝缘板17经压圆辊模架14内的压圆辊轮组13从出线导向孔16内出去，最终卷绕到拉丝机6的卷筒上。
所述脉冲电源4通过脉冲电流连接电极7和电线11与压椭辊轮组10和压圆辊轮组13的辊轮连接，将脉冲电流依次传导至辊轮、镁合金丝材，为丝材拉拔变形过程提供脉冲电流，同时脉冲电流连接电极7与辊模架之间可靠绝缘。
上述装置中，所述矫直器2、管式加热炉3、辊轮组、进线导向孔、出线导向孔和拉丝机的进线通道水平高度相同，拉拔过程中保持镁合金丝材经过上述装置时均处于同一水平高度。
实施例2
本实施例提供了采用实施例1的装置生产Mg-8Gd-3Y-2Zn-0.5Zr合金的方法，包括以下步骤：
步骤1、以挤压得到Φ6mm的Mg-8Gd-3Y-2Zn-0.5Zr合金棒材为原料，将棒材置于放线架上，棒材一端经过矫直器、管式加热炉、进线导向孔、压椭辊轮组、带孔绝缘板、压圆辊轮组、出线导向孔，并固定于拉丝机的卷筒上，丝材经过压椭辊轮组和压圆辊轮组后变形量达到20%；
步骤2、设置脉冲电源参数，脉冲电流为100A、脉冲频率为400Hz、占空比为70%；
步骤3、接通管式加热炉电源，设置炉温为300℃，并开始加热；
步骤4、设定拉丝机拉拔速度为10m/min，待炉温达到设定值后，依次开启拉丝机、脉冲电源制备稀土镁合金丝材；
步骤5、拉拔结束后，更换孔型尺寸更小的辊模，重复步骤1~4，逐步减小丝材直径，经过15道次拉拔得到直径1.2mm的电弧增材制造用稀土镁合金丝材。
本实施例制备的直径1.2mm镁合金丝材金相组织形貌、扫描电镜组织形貌、拉伸应力应变曲线分别如图4、5、6所示。通过本专利技术实现了电弧增材制造用稀土镁合金丝材大应变量（单道次变形量20%）、高拉拔速度（10m/min）的制备过程，使得丝材制备效率较常规拉拔、辊模拉拔等技术得到提升。经过拉拔变形后，第二相形貌由初始的（图3）网络状转变为最终的纤维状和颗粒状（图4、5），尺寸也由初始的20μm细化最终的2μm左右；同时，镁基体晶粒尺寸由初始的80μm细化至最终的5μm。上述微观组织的显著变化直观地说明了脉冲电流辅助辊模热拉拔对稀土镁合金中第二相和基体晶粒尺寸具有非常显著的细化作用；同时变形过程中第二相经历变形和破碎之后并未形成显著裂纹，说明本专利技术充分发挥了稀土镁合金的塑性变形能力。此外，基于细小颗粒状和纤维状第二相的强化和细晶强化的协同作用，所制备直径1.2mm丝材的抗拉强度达到550MPa（图6），显著高于常规挤压或轧制态合金的强度。
实施例3
本实施例提供了采用实施例1的装置生产Mg-10Gd-2Y-2Zn-0.5Zr合金的方法，包括以下步骤：
步骤1、以挤压得到Φ6mm的Mg-10Gd-2Y-2Zn-0.5Zr合金棒材为原料，将棒材置于放线架上，棒材一端经过矫直器、管式加热炉、进线导向孔、压椭辊轮组、带孔绝缘板、压圆辊轮组、出线导向孔，并固定于拉丝机的卷筒上，丝材经过压椭辊轮组和压圆辊轮组后变形量达到15%；
步骤2、设置脉冲电源参数，脉冲电流为200A、脉冲频率为800Hz、占空比为90%；
步骤3、接通管式加热炉电源，设置炉温为200℃，并开始加热；
步骤4、设定拉丝机拉拔速度为20m/min，待炉温达到设定值后，依次开启拉丝机、脉冲电源制备稀土镁合金丝材；
步骤5、拉拔结束后，更换孔型尺寸更小的辊模，重复步骤1~4，逐步减小丝材直径，经过20道次拉拔得到直径1.2mm的电弧增材制造用稀土镁合金丝材。
实施例4
本实施例提供了采用实施例1的装置生产Mg-8Gd-3Y-2Zn-0.5Zr合金的方法，包括以下步骤：
步骤1、以挤压得到Φ6mm的Mg-8Gd-3Y-2Zn-0.5Zr合金棒材为原料，将棒材置于放线架上，棒材一端经过矫直器、管式加热炉、进线导向孔、压椭辊轮组、带孔绝缘板、压圆辊轮组、出线导向孔，并固定于拉丝机的卷筒上，丝材经过压椭辊轮组和压圆辊轮组后变形量达到30%；
步骤2、设置脉冲电源参数，脉冲电流为150A、脉冲频率为200Hz、占空比为10%；
步骤3、接通管式加热炉电源，设置炉温为400℃，并开始加热；
步骤4、设定拉丝机拉拔速度为5m/min，待炉温达到设定值后，依次开启拉丝机、脉冲电源制备稀土镁合金丝材；
步骤5、拉拔结束后，更换孔型尺寸更小的辊模，重复步骤1~4，逐步减小丝材直径，经过9道次拉拔得到直径1.2mm的电弧增材制造用稀土镁合金丝材。
实施例5
本实施例提供了采用实施例1的装置生产Mg-9Gd-3Y-2Zn-0.5Zr合金的方法，包括以下步骤：
步骤1、以挤压得到Φ6mm的Mg-9Gd-3Y-2Zn-0.5Zr合金棒材为原料，将棒材置于放线架上，棒材一端经过矫直器、管式加热炉、进线导向孔、压椭辊轮组、带孔绝缘板、压圆辊轮组、出线导向孔，并固定于拉丝机的卷筒上，丝材经过压椭辊轮组和压圆辊轮组后变形量达到25%；
步骤2、设置脉冲电源参数，脉冲电流为50A、脉冲频率为400Hz、占空比为50%；
步骤3、接通管式加热炉电源，设置炉温为400℃，并开始加热；
步骤4、设定拉丝机拉拔速度为10m/min，待炉温达到设定值后，依次开启拉丝机、脉冲电源制备稀土镁合金丝材；
步骤5、拉拔结束后，更换孔型尺寸更小的辊模，重复步骤1~4，逐步减小丝材直径，经过11道次拉拔得到直径1.2mm的电弧增材制造用稀土镁合金丝材。
实施例6
本实施例提供了采用实施例1的装置生产Mg-9Gd-3Y-2Zn-0.5Zr合金的方法，包括以下步骤：
步骤1、以挤压得到Φ6mm的Mg-9Gd-3Y-2Zn-0.5Zr合金棒材为原料，将棒材置于放线架上，棒材一端经过矫直器、管式加热炉、进线导向孔、压椭辊轮组、带孔绝缘板、压圆辊轮组、出线导向孔，并固定于拉丝机的卷筒上，丝材经过压椭辊轮组和压圆辊轮组后变形量达到25%；
步骤2、设置脉冲电源参数，脉冲电流为150A、脉冲频率为600Hz、占空比为60%；
步骤3、接通管式加热炉电源，设置炉温为300℃，并开始加热；
步骤4、设定拉丝机拉拔速度为15m/min，待炉温达到设定值后，依次开启拉丝机、脉冲电源制备稀土镁合金丝材；
步骤5、拉拔结束后，更换孔型尺寸更小的辊模，重复步骤1~4，逐步减小丝材直径，经过11道次拉拔得到直径1.2mm的电弧增材制造用稀土镁合金丝材。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种脉冲电流辅助辊模热拉拔制备电弧增材用镁合金丝材的装置，其特征在于，该装置包括放线架（1）、矫直器（2）、管式加热炉（3）、脉冲电源（4）、辊模（5）、拉丝机（6）；所述辊模（5）包括辊模架、辊轮组，所述辊模架包括压椭辊模架（9）和压圆辊模架（14），所述压椭辊模架（9）内有压椭辊轮组（10），压圆辊模架（14）内有压圆辊轮组（13），所述压椭辊轮组（10）和压圆辊轮组（13）的辊轮通过耐高温陶瓷轴承（12）固定在压椭辊模架（9）和压圆辊模架（14）上；所述压椭辊模架（9）和压圆辊模架（14）上设有做绝缘处理的进线导向孔（8）、出线导向孔（16），所述压椭辊模架（9）和压圆辊模架（14）外壳之间设置带孔绝缘板（17），镁合金丝材毛坯（15）从进线导向孔（8）进入压椭辊模架（9）内的压椭辊轮组（10），然后通过带孔绝缘板（17）经压圆辊模架（14）内的压圆辊轮组（13）从出线导向孔（16）内出去，最终卷绕到拉丝机（6）的卷筒上。
2.根据权利要求1所述的脉冲电流辅助辊模热拉拔制备电弧增材用镁合金丝材的装置，其特征在于，所述脉冲电源（4）通过脉冲电流连接电极（7）和电线（11）与压椭辊轮组（10）和压圆辊轮组（13）的辊轮连接，将脉冲电流依次传导至辊轮、镁合金丝材，为丝材拉拔变形过程提供脉冲电流，同时脉冲电流连接电极（7）与辊模架之间可靠绝缘。
3.根据权利要求1所述的脉冲电流辅助辊模热拉拔制备电弧增材用镁合金丝材的装置，其特征在于，所述管式加热炉（3）内通氩气保护。
4.一种脉冲电流辅助辊模热拉拔制备电弧增材用镁合金丝材的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、将镁合金丝材置于放线架上，镁合金丝材一端经过矫直器、管式加热炉、进线导向孔、压椭辊轮组、带孔绝缘板、压圆辊轮组、出线导向孔，并固定于拉丝机的卷筒上；
步骤2、设置脉冲电源参数；
步骤3、接通管式加热炉电源，开始加热；
步骤4、设定拉丝机拉拔速度，待炉温达到设定值后，依次开启拉丝机、脉冲电源制备稀土镁合金丝材；
步骤5、拉拔结束后，更换孔型尺寸更小的辊模，重复步骤1~4，逐步减小丝材直径，最终得到直径1.2mm的电弧增材制造用稀土镁合金丝材。
5.根据权利要求4所述的脉冲电流辅助辊模热拉拔制备电弧增材用镁合金丝材的方法，其特征在于，步骤1中镁合金丝材经过压椭辊轮组和压圆辊轮组后变形量达到15%~30%。
6.根据权利要求4所述的脉冲电流辅助辊模热拉拔制备电弧增材用镁合金丝材的方法，其特征在于，步骤2中设置脉冲电流为50~200A、脉冲频率为200~800Hz、占空比为10%~90%。
7.根据权利要求4所述的脉冲电流辅助辊模热拉拔制备电弧增材用镁合金丝材的方法，其特征在于，步骤3中设置炉温为200~400℃。
8.根据权利要求4所述的脉冲电流辅助辊模热拉拔制备电弧增材用镁合金丝材的方法，其特征在于，步骤4中拉丝机拉拔速度为5~20m/min。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310515681.4A CN116511274A (zh) | 2023-05-09 | 2023-05-09 | 脉冲电流辅助辊模热拉拔制备电弧增材用镁合金丝材的装置及方法 |
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| CN116511274A true CN116511274A (zh) | 2023-08-01 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117018262A (zh) * | 2023-08-16 | 2023-11-10 | 中南大学 | 一种抗菌抑菌铜合金医用敷料及其制备方法 |
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2023
- 2023-05-09 CN CN202310515681.4A patent/CN116511274A/zh active Pending
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