制备超细等轴晶粒铝合金的正交叠片挤压设备及应用

摘要

本发明涉及制备超细等轴晶粒铝合金的正交叠片挤压设备及应用，适用于所有可变形铝合金，本发明通过对传统的挤压工艺进行改进，设计了一套可实现多道次正交叠片挤压的模具设备，每道次挤压变形方向与上一道次挤压方向垂直。通过将变形铝合金在此多道次正交叠片挤压模具中进行挤压变形，可以对铝合金组织施加大量累积剪切应变，进而得到超细的等轴晶粒。并随着挤压道次的增加，累积变形量增大，细化效果也愈加明显。本发明方法及设备，操作简单，装备简易，成本低廉，且可以对大尺寸样品进行加工。

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，尤其是涉及一种制备超细等轴晶粒铝合金的正交叠片挤压设备及应用。

背景技术

随着现代科学技术的发展，实际应用中对材料性能的要求变得更加苛刻。特别是在航空航天、兵器制造等高尖端领域，对结构材料的强塑性提出了越来越高的要求。铝合金的强化理论主要包括第二相强化，位错强化(加工硬化)，固溶强化以及细晶强化，其中只有细晶强化能在提高强度的同时，提高铝合金的塑性。根据经典的Hall-Petch公式，当铝合金的晶粒尺寸减小时，合金的强度将会显著提高。以此为理论基础，国内外的材料科学工作者，开展了大量细化晶粒的工作研究，以期得到高强度和塑性的铝合金。

除了凝固过程中控制凝固条件外，在固态条件下，铝合金的晶粒细化方法主要为塑性变形。目前，传统的塑性加工手段，比如单方向的挤压、轧制和锻造，对铝合金晶粒细化效果不明显，且这些传统变形工艺往往还会引起铝合金变形组织的择优取向，得到平行于变形方向的板条状或者针织枝晶粒组织，这种不均匀组织通常会引起铝合金的各向异性，进而限制其应用。因此，为了制备出更细小，且均匀等轴的晶粒组织，人们又新发展出了大塑性变形手段，比如搅拌摩擦加工(固态搅拌)、等通道角挤压或者高压扭转，这些大塑性变形手段能对铝合金施加大量切应变，使铝合金内的晶粒组织得到明显细化，并最终得到均匀等轴的晶粒组织。但上述的这些大塑性变形手段，其设备工艺都较复杂，成本高昂，而且变形条件要求苛刻，即使通过极端条件得以实施，其加工试样尺寸往往较小，很难得到实际的工程应用。因此，急需一种简单易行的方法及设备来制备超细等轴晶粒的铝合金。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种制备超细等轴晶粒铝合金的正交叠片挤压设备及应用，通过将变形铝合金在此多道次正交叠片挤压模具中进行挤压变形，可以对铝合金组织施加大量累积剪切应变，进而得到超细的等轴晶粒组织，本发明方法工艺操作简单易行，低成本高效率，且可以生成大尺寸样品。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

制备超细等轴晶粒铝合金的正交叠片挤压设备，包括上压头，模具筒和模具头，所述的模具筒的中部设有贯通孔，所述的上压头及模具头与该贯通孔的形状相匹配，使用时将复合材料置于贯通孔内，上压头及模具头分别置于复合材料的上下表面并压紧。

所述的贯通孔的横截面为正方形结构。

所述的模具头上开设有凹坑，该凹坑的底部设有通孔与底部连通，通孔的长度为贯通孔边长的1/2，挤出后的复合材料的宽度为贯通孔边长的1/2，厚度小于等于贯通孔边长的1/2。

制备超细等轴晶粒铝合金的正交叠片挤压设备应用，采用以下步骤：

(1)将变形铝合金进行合金元素的均匀化热处理；

(2)将均匀化后的变形铝合金运用制备超细等轴晶粒铝合金的正交叠片挤压设备进行一道次挤压；

(3)将一道次挤压后的铝合金沿着第一次挤压方向进行取样，并将取出的试样表面抛光粗化；

(4)将一道次挤压后抛光粗化的铝合金两片为一层，垂直正交叠层后运用制备超细等轴晶粒铝合金的正交叠片挤压设备进行第二道次正交挤压；

(5)正交挤压后的铝合金，根据基体铝合金种类，进行T6热处理或者直接低温退火。

步骤(1)中均匀化热处理温度为430～500℃，热处理时间为18～72h。

步骤(2)和(4)的挤压过程中，变形铝合金与设备之间用石墨润滑，挤压温度控制在300～500℃。

步骤(3)中采用电火花切割取样，取出试样尺寸宽度为贯通孔边长的1/2，长度与为贯通孔边长相同，厚度为模具头挤出厚度，试样长度方向与第一道次挤压方向平行；采用机械抛光对试样的六个表面进行抛光，然后用80#砂纸研磨粗化。

步骤(4)中垂直正交叠层的每一层由两片抛光粗化后的挤压态原位颗粒增强铝基复合材料组成的正方形平面，每层内两片挤压态原位颗粒增强铝基复合材料挤压方向相互平行，每相邻两层之间，原位颗粒增强铝基复合材料挤压方向相互垂直，复合材料堆叠完成后形成横截面与贯通孔一致的长方体，便于重复挤压。

还可以重复步骤(3)、(4)多次以进行多道次正交叠片挤压。

步骤(5)中T6热处理针对于热处理强化基体合金，固溶温度440～560℃，时间是60～120min，室温水淬，时效温度为120～190℃，时间为5～24h；低温退火针对于不可热处理强化基体合金，退火温度为80～200℃，时间5～72h。

与传统的塑性加工手段，比如单方向的挤压、轧制和锻造相比，本发明方法和设备对铝合金晶粒细化效果更明显，可通过增加正交挤压道次，增加铝合金累积变形量，从而提高细化效果，且可以得到超细等轴的晶粒；与新兴的大塑性变形手段，如搅拌摩擦加工(固态搅拌)、等通道角挤压或者高压扭转相比，本发明方法和设备工艺操作简单易行，低成本高效率，且可以生成大尺寸样品。

通过多道次正交叠片挤压，每道次挤压变形方向与上一道次挤压方向垂直。通过将变形铝合金在此多道次正交叠片挤压模具中进行挤压变形，可以对铝合金组织施加大量累积剪切应变，进而得到超细的等轴晶粒。并随着挤压道次的增加，累积变形量增大，细化效果也愈加明显。

附图说明

图1为制备超细等轴晶粒铝合金的正交叠片挤压设备的分解结构示意图。

图中，1-上压头、2-模具筒、3-模具头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例是以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

实验以铸造得到的7075Al合金，在465℃下均匀化24h后，运用正交叠片挤压设备在450℃下进行二道次正交叠片挤压，挤压后的7075Al合金在470℃下固溶60min，并在120℃下时效20h。变形后的7075Al合金晶粒类型为均匀等轴晶，晶粒尺寸小于10μm，室温拉伸强度为650MPa，延伸率为13％左右。

实施例2

实验以铸造得到的2024Al合金，在490℃下均匀化48h后，运用正交叠片挤压设备在450℃下进行四道次正交叠片挤压，挤压后的2024Al合金在500℃下固溶60min，室温水淬后，190℃下时效6h。变形后的2024Al合金晶粒类型为均匀等轴晶，晶粒尺寸小于10μm，合金在室温拉伸试验中表现出了较高的强塑性。

实施例3

制备超细等轴晶粒铝合金的正交叠片挤压设备，其结构如图1所示，包括上压头1，模具筒2和模具头3，模具筒2的中部设有正方形结构的贯通孔，边长为d，上压头1及模具头3与该贯通孔的形状相匹配，使用时将复合材料置于贯通孔内，上压头1及模具头3分别置于复合材料的上下表面并压紧。

另外，在模具头3上开设有凹坑，该凹坑的底部设有通孔与底部连通，通孔的长度为贯通孔边长的d/2，挤出后的复合材料的宽度为d/2，厚度小于等于贯通孔边长的d/2。

制备超细等轴晶粒铝合金的正交叠片挤压设备应用，采用以下步骤：

(1)将铝合金进行合金元素的均匀化热处理，热处理温度为430℃，热处理时间为72h。

(2)将均匀化后的铝合金运用制备超细等轴晶粒铝合金的正交叠片挤压设备进行一道次挤压，挤压温度为300℃，挤压试样与模具表面之间用石墨润滑。

(3)将一道次挤压后的铝合金沿着第一次挤压方向进行取样，并将取出的试样表面抛光粗化，取样方法为电火花切割，取出试样尺寸宽为d/2，长为d，厚度为模具头挤出厚度，试样长度方向与第一道次挤压方向平行。抛光方法为机械抛光，抛光面为试样的六个表面，抛光后每个面均用80#砂纸研磨粗化。

(4)将一道次挤压后抛光粗化的铝合金两片为一层，垂直正交叠层后运用制备超细等轴晶粒铝合金的正交叠片挤压设备进行第二道次挤压。所述的垂直正交叠层，每一层由两片尺寸为d/2×d的抛光粗化后的挤压态铝合金组成d×d的正方形平面，每层内两片挤压态铝合金挤压方向相互平行，每相邻两层之间，铝合金挤压方向相互垂直，铝合金堆叠完成后形成横截面为d×d的长方体。

(5)如果有需要，可重复进行上述(3)、(4)步骤，进行多道次正交叠片挤压

(6)多道次正交挤压完成后得到的铝合金，可根据基体铝合金种类，进行T6热处理，基体为可热处理强化合金，固溶温度440℃，时间是120min，室温水淬，时效温度为120℃，时间为24h。

实施例4

制备超细等轴晶粒铝合金的正交叠片挤压设备，其结构与实施例3相同，利用该设备进行超细等轴晶粒铝合金的正交叠片挤压，采用以下步骤：

(1)将铝合金进行合金元素的均匀化热处理，热处理温度为500℃，热处理时间为18h。

(2)将均匀化后的铝合金运用制备超细等轴晶粒铝合金的正交叠片挤压设备进行一道次挤压，挤压温度为500℃，挤压试样与模具表面之间用石墨润滑。

(3)将一道次挤压后的铝合金沿着第一次挤压方向进行取样，并将取出的试样表面抛光粗化，取样方法为电火花切割，取出试样尺寸宽为d/2，长为d，厚度为模具头挤出厚度，试样长度方向与第一道次挤压方向平行。抛光方法为机械抛光，抛光面为试样的六个表面，抛光后每个面均用80#砂纸研磨粗化。

(4)将一道次挤压后抛光粗化的铝合金两片为一层，垂直正交叠层后运用制备超细等轴晶粒铝合金的正交叠片挤压设备进行第二道次挤压。所述的垂直正交叠层，每一层由两片尺寸为d/2×d的抛光粗化后的挤压态铝合金组成d×d的正方形平面，每层内两片挤压态铝合金挤压方向相互平行，每相邻两层之间，铝合金挤压方向相互垂直，铝合金堆叠完成后形成横截面为d×d的长方体。

(5)如果有需要，可重复进行上述(3)、(4)步骤，进行多道次正交叠片挤压

(6)多道次正交挤压完成后得到的铝合金，可根据基体铝合金种类，进行T6热处理，基体为可热处理强化合金，T6热处理，固溶温度560℃，时间是60min，室温水淬，时效温度为190℃，时间为5h。

实施例5

制备超细等轴晶粒铝合金的正交叠片挤压设备，其结构与实施例3相同，利用该设备进行超细等轴晶粒铝合金的正交叠片挤压，其步骤与实施例4相同，由于处理的是不可热处理强化合金，步骤(6)采用低温退火，退火温度为80℃，时间72h。

实施例6

制备超细等轴晶粒铝合金的正交叠片挤压设备，其结构与实施例3相同，利用该设备进行超细等轴晶粒铝合金的正交叠片挤压，其步骤与实施例4相同，由于处理的是不可热处理强化合金，步骤(6)采用低温退火，退火温度为200℃，时间5h。