CN116713891A - 一种径向晶粒梯度铝合金管材制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种径向晶粒梯度铝合金管材制备方法，属于表面处理领域。解决大尺寸铝合金管材塑性成形难度大的问题。包括以下步骤：步骤一：固定坯料和研磨刀头；步骤二：涂覆润滑剂；步骤三：坯料表面研磨。本发明利用普通车床即可对坯料进行表面机械研磨，操作简单，最大限度地降低了成本，适用于铝合金轻质合金大尺寸管件成形，通过机械变形法中的表面机械研磨方法在管坯径向构建晶粒梯度，提高管坯自身加工硬化能力，确保在塑性变形时具有较高的稳定性和延展性，减小或消除焊缝区域的数量，提高应用装置的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种径向晶粒梯度铝合金管材制备方法，属于表面处理领域。
背景技术
大尺寸铝合金管件在航空航天运载器的液压油路中有着广泛的应用市场，如运载火箭燃料输送波纹管、新型战机进气道等。目前的大尺寸铝合金管件采用多段拼焊的方法，此方法成形构件存在较多力学性能较弱的焊缝区域，易出现形状畸变和开裂等问题，限制了装备的服役寿命和使用寿命。因此，为了满足新一代飞行器对高可靠性与轻量化要求，应用于运载装备关键构件的管件应尽量整体成形，以减小焊缝区域的数量。
但是，整体成形对管坯塑性要求较高，铝合金在室温状态下成形性能较差，难以实现大尺寸管件的一体成形；如果采用热介质成形，难以进行大尺寸构件的温度场控制，而且铝合金在高温下组织性能严重弱化；如果采用-196℃及以下的超低温成形虽然可以实现成形时变形伸长量和硬化指数的“双增效应”，但其低温介质的控制要求较高，尤其对于直径超过300mm的大尺寸构件，温度场控制精度难以实现，控制难度大且成本高。
因此，亟需提出一种径向晶粒梯度铝合金管材制备方法，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明针对上述径向晶粒梯度铝合金管材制备的缺陷，提供一种径向晶粒梯度铝合金管材制备方法，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
本发明的技术方案：
一种径向晶粒梯度铝合金管材制备方法，包括以下步骤：
步骤一：固定坯料和研磨刀头；
步骤二：涂覆润滑剂；
步骤三：坯料表面研磨。
优选的：坯料为管坯，研磨刀头为球状刀头。
优选的：步骤一中，将坯料安装在车床卡盘上，将研磨刀头安装在刀架上；
步骤二中，在坯料预加工表面涂抹润滑油，附上石墨烯；
步骤三中，包括以下步骤：
步骤3.1：确定初始位置，给定径向进给量；
步骤3.2：调整刀架移动速度，进行表面机械研磨。
优选的：将研磨刀头与坯料位于管材中心下方，步骤3.1中，坯料转动，研磨刀头径向运动与坯料表面接触，继续增加研磨刀头径向进给量；
步骤3.2中，保持研磨刀头径向进给量不变，使研磨刀头沿着坯料轴向进行移动；
还包括步骤3.3：待管坯表面润滑油消失，使用冷却液继续润滑冷却；随着研磨的进行，坯料表面润滑油被消耗，待润滑油耗尽，使用冷却液对准研磨刀头与坯料表面接触位置进行水冷。
优选的：还包括步骤四：低温退火，退火温度不超过200℃，保温时间不超过30min。
本发明具有以下有益效果：
本发明利用普通车床即可对坯料进行表面机械研磨，操作简单，最大限度地降低了生产成本，适用于铝合金轻质合金大尺寸管件成形，通过机械变形法中表面机械研磨方法在管坯径向构建晶粒梯度，提高管坯自身加工硬化能力，确保在塑性变形时具有较高的稳定性和延展性，减小焊缝区域的数量，提高应用装置的可靠性。
附图说明
图1是坯料装夹示意图；
图2是坯料与研磨刀头的相对位置示意图；
图3是固定端模块的立体图；
图4是固定端模块的主视图。
图中：1-车床卡盘，2-坯料，3-固定端模块，4-车床尾座，5-研磨刀头，6-刀架。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种径向晶粒梯度铝合金管材制备方法，包括以下步骤：
步骤一：固定坯料和研磨刀头；
步骤二：涂覆润滑剂；
步骤三：坯料表面研磨；
适用于铝合金轻质合金大尺寸管件成型，通过机械变形法中表面机械研磨方法在管坯径向构建晶粒梯度，提高管坯自身加工硬化能力，确保在塑性变形时具有较高的稳定性和延展性，减小或消除管件焊缝的数量。
具体实施方式二：结合图1-2说明本实施方式，本实施方式的一种径向晶粒梯度铝合金管材制备方法，坯料为大尺寸的铝合金管坯或管材，研磨刀头为球状刀头。
具体实施方式三：结合图1-4说明本实施方式，本实施方式的一种径向晶粒梯度铝合金管材制备方法，步骤一中，将坯料2安装在车床卡盘1上，将研磨刀头5安装在刀架6上；
步骤二中，在坯料2预加工表面涂抹润滑油，附上一层石墨烯；
该方法使用石墨烯润滑油，提高管坯与研磨刀头5之间的润滑效果，能够显著提高管坯的表面质量；同时以石墨烯作为细化剂，在表面研磨过程中不断深入铝合金基体，可显著细化管坯的表面晶粒，能够获得更大径向梯度晶粒，进而获得延展性更优的管件；该方法制备的管件具有较高表面质量和更优的力学性能，在航空航天领域的液压油路大尺寸构件中具有广阔的应用前景。
步骤三中，包括以下步骤：
步骤3.1：确定初始位置，给定径向进给量；
步骤3.2：调整刀架移动速度，进行表面机械研磨；
步骤3.3：待管坯表面润滑油消失，使用冷却液继续润滑冷却。
具体实施方式四：结合图1-2说明本实施方式，本实施方式的一种径向晶粒梯度铝合金管材制备方法，步骤3.1中，将研磨刀头5与坯料2位于管材中心下方距离为L，坯料2转动，研磨刀头5径向运动与坯料表面接触，继续增加研磨刀头5径向进给量为；
步骤3.2中，保持研磨刀头5径向进给量不变，使研磨刀头5沿着坯料2轴向进行移动；
步骤3.3：随着研磨的进行，坯料2表面润滑油被消耗，待润滑油耗尽，使用冷却液对准研磨刀头5与坯料2表面接触位置进行水冷。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种径向晶粒梯度铝合金管材制备方法，还包括步骤四：低温退火，退火温度不超过200℃，保温时间不超过30min。
实施例1：制备外径为70mm、壁厚为3mm、长度为150mm的6063铝合金管件；
步骤一：管坯(管件)固定：管坯两端各预留50mm长度用于固定，准备管坯的长度为250mm；将管坯一端50mm长度放置于车床卡盘1内，将车床卡盘1稍稍拧紧，不拧死；将管坯另一端与管坯固定端模块3相配合，即管坯固定端模块3包括圆柱型凸起31和中心带孔圆柱32，圆柱型凸起31和中心带孔圆柱32同轴连接，圆柱型凸起31的外径小于中心带孔圆柱32的外径，圆柱型凸起31的外径与管坯内径实现间隙配合，车床尾座4顶紧中心带孔圆柱32的圆孔位置，再拧紧车床卡盘1，有利于轴向定位，管坯固定端模块3采用45钢；
研磨刀头固定：研磨刀头的球头部分尺寸为R3mm-R15mm，研磨刀头材料应比管材硬度高，研磨刀头采用45钢，进行调质处理，将研磨刀头固定于车床的刀架6位置，球头与管坯贴合位置位于管件中心下方1.0-2.0mm，以减小球头所受管坯的正应力，从而减少摩擦力，提高研磨效果；
步骤二：涂覆润滑剂：使用石墨烯与润滑油为润滑剂，先在管坯预加工表面涂抹一层工业润滑油，然后在润滑油表面均匀涂石墨烯，目的之一是为了在表面机械研磨时，部分摩擦副表面被石墨烯覆盖，使润滑机理接近薄膜润滑，增强润滑效果，目的之二是利用强塑性变形抑制石墨烯的聚集，使石墨烯在铝合金表面分散化，在表面机械研磨过程中不断渗入铝合金基体，细化表面晶粒尺寸，能够构建更大梯度的径向晶粒，已获得表面质量更高，力学性能更好的径向梯度晶粒管材，一般情况下径向晶粒尺寸为175μm，采用石墨烯可细化径向晶粒尺寸，使径向晶粒尺寸达到2-5μm，基本达到纳米级梯度结构；
在管材中引入梯度纳米结构可以提高管材的加工硬化率，确保在塑性变形时具有较高的稳定性和延展性，这是因为梯度结构的主要变形机制为机械驱动纳米晶粒生长，可以抑制应变局域化的早期发生；另外，梯度结构中的应变梯度和应变状态在塑性变形过程中产生的几何必要位错和高背应力，从而提高强度和延展性；采用机械变形法有助于管材力学性能的提高，表面机械研磨易获得较低的表面粗糙度，有利于坯料表面质量的提高；
步骤三：开启车床主箱，使管坯转速ω为1120r/min，移动刀架使研磨刀头与管坯表面接触；继续增加研磨刀头径向进给量为0.1mm，使管坯表面形成稳定的环向研磨区域，同时保持径向进给量不变，使球头沿着管坯轴向进行移动，移动速度为1-2mm/s，使管坯表面形成一定宽度的研磨区域，随着研磨的进行，管坯表面润滑油被消耗，待润滑油耗尽，使用冷却液对准研磨刀头与管坯表面接触位置进行水冷，以防止局部温度过高对组织的影响，冷却液可使用线切割液，获得梯度小的径向晶粒梯度；
步骤四：可将管坯进行适当的低温退火，退火温度不超过200℃，保温时间不超过30min。
需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种径向晶粒梯度铝合金管材制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：固定坯料和研磨刀头；
步骤二：涂覆润滑剂；
步骤三：坯料表面研磨。
2.根据权利要求1所述的一种径向晶粒梯度铝合金管材制备方法，其特征在于：坯料为管坯，研磨刀头为球状刀头。
3.根据权利要求1或2所述的一种径向晶粒梯度铝合金管材制备方法，其特征在于：步骤一中，将坯料(2)安装在车床卡盘(1)上，将研磨刀头(5)安装在刀架(6)上；
步骤二中，在坯料(2)预加工表面涂抹润滑油，附上石墨烯；
步骤三中，包括以下步骤：
步骤3.1：确定初始位置，给定径向进给量；
步骤3.2：调整刀架移动速度，进行表面机械研磨。
4.根据权利要求3所述的一种径向晶粒梯度铝合金管材制备方法，其特征在于：将研磨刀头(5)与坯料(2)位于管材中心下方，步骤3.1中，坯料(2)转动，研磨刀头(5)径向运动与坯料表面接触，继续增加研磨刀头(5)径向进给量；
步骤3.2中，保持研磨刀头(5)径向进给量不变，使研磨刀头(5)沿着坯料(2)轴向进行移动；
还包括步骤3.3：待管坯表面润滑油消失，使用冷却液继续润滑冷却；随着研磨的进行，坯料(2)表面润滑油被消耗，待润滑油耗尽，使用冷却液对准研磨刀头(5)与坯料(2)表面接触位置进行水冷。
5.根据权利要求4所述的一种径向晶粒梯度铝合金管材制备方法，其特征在于：还包括步骤四：低温退火，退火温度不超过200℃，保温时间不超过30min。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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