一种细化铝基复合材料基体组织的装置及方法

摘要

一种细化铝基复合材料基体组织的装置及方法，其特征在于：该装置由模具、主冲头、辅助冲头、堵头组成；使用时，在上述模具空腔及通道表面涂覆润滑剂，在其中一个通道的大尺寸端放入待挤压材料，并开始加载使主冲头加压，模具的另一侧通道采用堵头进行封闭，当材料充满通道后，堵头在材料压力作用下逐步向后移动，当主冲头运动至直径较大的空腔的底部时，对辅助冲头加载使其进入转角通道，直至材料完全实现转角；然后将堵头撤除，模具翻转并使冲头对准经过挤压的材料，重复上述步骤3~5次。该方法结合了往复挤压方法和等通道转角挤压方法的优势，操作简单，效果可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及铝基复合材料，具体而言为涉及一种细化铝基复合材料基体组织的装置及方法。

技术背景

现代工业的高速发展，对同时具有较高强度和优良塑性的材料需求日益增加。晶粒细化是提高材料结构强度的有效方法之一，同时对材料的塑性和韧性甚至物理性能都有很大改善，因此超细晶材料应用潜力极大。超细晶材料的制备方法包括金属蒸发-冷凝压制法、机械研磨法、机械合金化法、非晶晶化法、摩擦压扭法、电解沉积法、快速凝固法和强烈塑性变形法等。采用大塑性变形来获得亚微米、纳米级晶粒是近10多年来国内外兴起的研究热点。该方法在保持较好的塑韧性下，显著地提高材料的强度。大量研究表明：依靠应力或塑性变形就可以独立地改变材料的相变行为，显著细化显微组织，细化晶粒的效果远远超过传统的热处理技术。至今，已研究过的大塑性变形法有10多种技术，但在实际应用中遇到了限制瓶颈，使其优点得不到很好的发挥。

等通道转角挤压 (也称等径角挤压，Equal Channel Angular Pressing，ECAP)是基于大塑性变形理论的一种加工技术。采用此工艺材料可重复挤压，经多次挤压后，材料的晶粒达到超细尺度，使材料的综合力学性能大大提高。ECAP法可制造出高变形量、尺寸不变且尺寸较大的产品，且在材料内部无残留孔洞。针对等径角挤压变形量相对较小且加工道次多的不足，国家发明专利(专利号CN101294238A)结合反复墩挤方法制备超细晶材料的优点，提出了复合挤压法(CCEC)，可以通过较少道次墩挤，实现晶粒细化，无论从成本、经济效益上，还是材料的组织性能上，都有一定的优越性，具有很好的应用前景。但是该专利方法每次墩挤均要重新取放材料，操作比较烦琐。因此，迫切需要开发一种更加简便的通过塑性变形获得细晶化基体组织的方法。

在大塑性变形方法中还有一种往复挤压方法，模具内有两个处于一条直线上截面积相等且彼此之间由紧缩区分开的模腔，在模腔的两边分别装置一个液压式冲头。该方法的特点是首先通过挤压使试样横截面积减小，随之又通过压缩使其横截面积恢复到初始尺寸，如此反复进行从而获得大的塑性变形，即该工艺是一个反复挤压与压缩相结合的过程。但是，该方法由于自身方法的限制，不能在样品整个长度方向上获得均匀的应变量。如果能将等通道转角挤压与往复挤压方法结合，则可以实现相对简便地通过较少道次塑性变形获得细晶化组织。

铝基复合材料因具有密度小，比强度高，熔点较低，易于加工等优势，在材料界占有重要地位，广泛应用于航空、航天、汽车、机械等行业。随着现代工业的发展和技术的进步，对高强度铝基复合材料的要求日益迫切。铝基复合材料的制备方法已有很多，按增强相加入的方式来分，主要有搅拌法、粉末冶金法、浸渗法、喷射法、中间合金法和原位复合法几类。其中，由原位复合法制备的铝基原位复合材料，生成的增强相细小，可达到1微米以下，且增强相与基体合金界面结合良好，具有优良的机械性能，更高的耐磨性能和高温性能。如能采用新型大塑性变形方法进一步细化复合材料的基体组织，将能有效拓展该类复合材料的应用范围。

发明内容

本发明提出一种细化铝基复合材料基体组织的装置及方法，其原理是：充分利用往复挤压方法的大变形量以及等通道转角挤压方法对晶体方向的改变，将往复挤压与等通道转角挤压相结合，工作时一端固定另一端加载，突破往复挤压在整个长度方向上变形量不均匀的问题以及等通道转角挤压变形道次数量多的不足，同时通过在主冲头中间添加直径与等通道转角挤压通道尺寸相同的辅助冲头，保证通道中的材料完全实现转角，模具翻转后重复上述过程，中间不需要重新取放材料。

本发明提出一种细化铝基复合材料基体组织的装置，其特征在于：该装置由模具、主冲头、辅助冲头和堵头组成，所述模具内开有两条直径和长度都相等的呈90o角连接的转角通道，两条转角通道朝向模具外表面的部分均与大尺寸空腔相连，大尺寸空腔的长度、直径相等，其中一个大尺寸空腔设有与大尺寸空腔尺寸相配合的主冲头，主冲头中心部分开有圆柱孔，圆柱孔内设有与圆柱孔尺寸配合的辅助冲头，主冲头与转角通道之间放置待挤压材料；另一个大尺寸空腔内设有与大尺寸空腔尺寸配合的堵头，堵头通过弹簧固定。

所涉及的模具，是指采用模具钢或者高强度球墨铸铁制作的挤压模具。

所述两条转角通道的直径为5~10mm、长度为50~100mm。

所述两个大尺寸空腔是指在模具外表面开口的直径明显大于等通道转角挤压的转角通道直径的空腔，其长度由所需要加工的材料的量决定，为50~100mm，其直径随待加工材料所要求的变形量和挤压装置的变形应力进行调整，为50~100mm，要求材料变形量大时选择较大的直径，挤压装置的变形应力小时选择较小的直径。

所涉及的主冲头，是指截面直径与大尺寸空腔相配合的高碳钢圆柱体冲头，其中心部分有与辅助冲头配合的圆柱孔。

所涉及的辅助冲头，是指在主冲头中间，直径与主冲头中心部分的圆柱孔配合的高碳钢冲头。

所涉及的堵头，是指截面直径与大尺寸空腔相配合的高碳钢圆柱体，其上设有排气槽，朝向模具外表面一侧与弹簧相连，以保证待加工材料充满空腔。

在上述基础上，本发明提出一种细化铝基复合材料基体组织的方法，其特征在于：在模具的大尺寸空腔及转向通道表面涂覆润滑剂，在其中一个大尺寸空腔内放入待挤压材料，并开始加载使主冲头加压，模具的另一侧通道采用堵头进行封闭，当材料充满转角通道后，堵头在材料压力作用下逐步向后移动，当主冲头运动至大尺寸空腔的底部时，对辅助冲头加载使其进入转角通道，直至材料完全实现转角；然后将堵头撤除，模具翻转并使主冲头和辅助冲头对准经过挤压的材料，重复上述步骤3~5次。

所涉及的润滑剂，是指石墨类固体润滑剂，涂覆于主冲头、堵头、模具大尺寸空腔及通道表面、辅助冲头及主冲头中间的圆柱孔表面。

该方法结合了往复挤压方法和等通道转角挤压方法的优势，操作简单，效果可靠。

附图说明

图1为本方法工作过程示意图；a）为待变形材料放入模具、b）为主冲头与辅助冲头同步压下、c）为辅助冲头加载使其进入转角通道、d）模具翻转进入下一挤压周期，其中1为辅助冲头、2为主冲头、3为待挤压材料、4为模具、5为转角通道、6为堵头；

图2为经过4次挤压后Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的显微组织。

具体实施例

本发明可以根据以下实例实施，但不限于以下实例；在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义；应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围；在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。

实施例1

本实施例具体实施细化铝基原位复合材料基体组织的装置及方法，其中增强颗粒为纳米Al₂O₃，铝合金基体的平均晶粒尺寸为18μm，采用模具钢制作一套挤压模具，在模具中部有相互呈90o角连接的直径均为5mm、长度均为50mm的两条转角通道，两条转角通道朝向模具外表面的部分均为长度50mm直径50 mm的大尺寸空腔；使用时在模具空腔及通道表面涂覆石墨润滑剂，在其中一个直径50 mm的大尺寸空腔端放入待挤压Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料，并开始加载使高碳钢主冲头加压，模具的另一侧转角通道采用堵头进行封闭，当材料充满转角通道后，堵头在材料压力作用下逐步向后移动；当主冲头运动至直径50 mm的大尺寸空腔底部时，对辅助冲头加载，直至材料完全实现转角；然后将堵头撤除，模具翻转使冲头对准经过挤压的材料，重复上述步骤3次。

图2为经过4次挤压后Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料的显微组织，从图2中可以看出，铝合金基体的平均晶粒尺寸约为5μm。

实施例2

本实施例具体实施细化铝基原位复合材料基体组织的装置及方法，其中增强颗粒为亚微米Al₂O₃，铝合金基体的平均晶粒尺寸为22μm，采用模具钢制作一套挤压模具，在模具中部有相互呈90o角连接的直径均为10mm、长度均为100mm的两条转角通道，两条转角通道朝向模具外表面的部分均为长度100mm直径100 mm的大尺寸空腔；使用时在模具空腔及通道表面涂覆石墨润滑剂，在其中一个直径100 mm的大尺寸空腔端放入待挤压Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料，并开始加载使高碳钢主冲头加压，模具的另一侧转角通道采用堵头进行封闭，当材料充满转角通道后，堵头在材料压力作用下逐步向后移动；当主冲头运动至直径100 mm的大尺寸空腔底部时，对辅助冲头加载，直至材料完全实现转角；然后将堵头撤除，模具翻转使冲头对准经过挤压的材料，重复上述步骤5次，经过6次挤压后Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料基体的平均晶粒尺寸约为4μm。

实施例3

本实施例具体实施细化铝基复合材料基体组织的装置及方法，其中增强颗粒为亚微米TiC，铝合金基体的平均晶粒尺寸为25μm，采用高强度球墨铸铁制作一套挤压模具，在模具中部有相互呈90o角连接的直径均为8mm、长度均为80mm的两条转角通道，两条转角通道朝向模具外表面的部分均为长度70mm直径80 mm的大尺寸空腔；使用时在模具空腔及通道表面涂覆石墨润滑剂，在其中一个直径80 mm的大尺寸空腔端放入待挤压TiC颗粒增强铝基复合材料，并开始加载使高碳钢主冲头加压，模具的另一侧转角通道采用堵头进行封闭，当材料充满转角通道后，堵头在材料压力作用下逐步向后移动；当主冲头运动至直径80 mm的大尺寸空腔底部时，对辅助冲头加载，直至材料完全实现转角；然后将堵头撤除，模具翻转使冲头对准经过挤压的材料，重复上述步骤4次，经过5次挤压后TiC颗粒增强铝基复合材料基体的平均晶粒尺寸约为6μm。

实施例4

本实施例具体实施细化铝基复合材料基体组织的装置及方法，其中增强颗粒为纳米TiC，铝合金基体的平均晶粒尺寸为16μm，采用高强度球墨铸铁制作一套挤压模具，在模具中部有相互呈90o角连接的直径均为9mm、长度均为100mm的两条转角通道，两条转角通道朝向模具外表面的部分均为长度80mm直径100 mm的大尺寸空腔；使用时在模具空腔及通道表面涂覆石墨润滑剂，在其中一个直径100 mm的大尺寸空腔端放入待挤压TiC颗粒增强铝基复合材料，并开始加载使高碳钢主冲头加压，模具的另一侧转角通道采用堵头进行封闭，当材料充满转角通道后，堵头在材料压力作用下逐步向后移动；当主冲头运动至直径100 mm的大尺寸空腔底部时，对辅助冲头加载，直至材料完全实现转角；然后将堵头撤除，模具翻转使冲头对准经过挤压的材料，重复上述步骤5次，经过6次挤压后TiC颗粒增强铝基复合材料基体的平均晶粒尺寸约为3μm。