專利名稱：獲取優(yōu)越高溫力學(xué)性能鎂合金成形件的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鎂合金成形領(lǐng)域及激光加工領(lǐng)域，特指獲取優(yōu)越高溫力學(xué)性能鎂合金板材成形件的成形裝置及方法。主要用于提高鎂合金的成形性能及高溫力學(xué)性能，為鎂合金板材塑性成形提供了一種新型有效的技術(shù)。
背景技術(shù)：
鎂合金作為21世紀(jì)的綠色工程材料，具有廣闊的發(fā)展前景。而由于鎂合金的特殊結(jié)構(gòu)，鎂合金為密排六方晶體結(jié)構(gòu)，在常溫下只有基面{0001}三個(gè)滑移系數(shù)可以發(fā)生變形，因此在室溫下塑性加工性能很差，這是鎂合金塑性加工成形方法較少的重要原因；同時(shí)，由于鎂合金密度很小、比強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)以及汽車(chē)、飛機(jī)的減輕趨勢(shì)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)及空冷發(fā)動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵零部件的制造，對(duì)于這些關(guān)鍵零部件，它們的服役溫度都集中在100° (Γ300° C之間，這就要求鎂合金必須具有良好的高溫力學(xué)性能及高溫抗蠕變性能，但是當(dāng)前鎂合金成形制品在高溫環(huán)境下(100° (Γ300° C)使用時(shí)，其強(qiáng)度與蠕變性能會(huì)大幅度下降，下降幅達(dá)可達(dá)56%飛0%，大大降低了鎂合金部件的使用壽命，大大限制了鎂合金的使用范圍。因此，鎂合金室溫塑性成形難、高溫力學(xué)性能與高溫抗蠕變性能比較差等缺陷極大地限制鎂合金工業(yè)化大批量生產(chǎn)及在汽車(chē)行業(yè)與航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。目前鎂合金產(chǎn)品主要采用壓鑄成形等方法來(lái)生產(chǎn)，如公開(kāi)號(hào)為CN1386600A的中國(guó)專利，其成形方法是先用將鎂合金加熱到620° (Γ720。C，使其熔化；然后將熔化的鎂合金注入到模具中去，最后通過(guò)壓鑄機(jī)來(lái)壓鑄成形；如公開(kāi)號(hào)為CN101386946A的中國(guó)專禾IJ，其成形方法是先配置好鎂合金中各種元素的含量，然后放入熔煉機(jī)中進(jìn)行熔煉；最后壓鑄成形。雖然這些方法可以以高鎂合金的鑄造性能，可以鑄造處各種形狀的復(fù)雜零件， 但是也存在一些不足(1)產(chǎn)品規(guī)格尺寸受限、力學(xué)性能較差，；( 各種鑄造缺陷如疏孔、 氣孔、縮孔和夾雜難以避；(3)整個(gè)成形過(guò)程中需要用到眾多復(fù)雜的模具；(4)鎂合金成形件高溫高強(qiáng)度及高溫抗蠕變性能等高溫力學(xué)性能比較差；( 都是在高溫低應(yīng)變速率下成形，且成形件容易氧化等；(6)無(wú)法實(shí)現(xiàn)鎂合金板材的微成形(um或者亞um量級(jí))。傳統(tǒng)的鎂合金成形方法都是在高溫下進(jìn)行，高溫加工具有變形度高、工藝控制復(fù)雜，且成形后得到的鎂合金成形件的高溫力學(xué)性能及高溫抗蠕變性能較差，很難滿足高溫下的使用要求，鎂合金容易氧化及燃燒等缺陷。如果采用塑性成形方法則可以有效的避免壓鑄成形的大部分缺陷。為了解決在較低溫度(< 0. 5Tm，Tffl為鎂合金熔點(diǎn)的絕對(duì)溫度)下對(duì)鎂合金板材進(jìn)行成形，國(guó)內(nèi)有一些專利采用了塑性成形方法，目前對(duì)于鎂合金板材的成形技術(shù)主要有擠壓、扎制、拉深成形、沖壓成形。由于鎂合金材料在室溫下塑性成形性能比較低，而提高成形溫度可以大大提高鎂合金板材的成形性能，因此當(dāng)前鎂合金板材的塑性成形都是在一定溫度下進(jìn)行的，即溫?zé)岢尚?。如公開(kāi)號(hào)為CN1903473A的中國(guó)專利，其成形方法是先加熱壓邊圈和凹模到170° C-1800 C，再模具表面涂潤(rùn)滑劑，再對(duì)鎂合金板材坯料表面涂潤(rùn)滑劑，然后再將鎂合金板材坯料加熱到170° C-1800 C，其次對(duì)凸模進(jìn)行加熱70° C—100° C， 最后開(kāi)始利用凸模進(jìn)行拉深成形，得到所需的鎂合金成形件。該專利雖然能夠在較低溫度下制備出所需的鎂合金成形件，且材料的利用率也比較高，但是也存在一定的不足(1)由于其描述的成形溫度170° C-1800 C超過(guò)了鎂合金發(fā)生動(dòng)態(tài)應(yīng)變失效的溫度范圍，且成形的應(yīng)變速率比較低，所以無(wú)法提高鎂合金成形件的高溫高強(qiáng)度、高溫抗蠕變性能等高溫力學(xué)性能；(2)整個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)電阻加熱棒，缺乏有效的溫控模塊，不能有效精確控制板材表面的溫度；(3 )整個(gè)成形過(guò)程都是暴露在空氣中，很容易引起鎂合金成形件表面氧化， 即無(wú)法保證鎂合金成形件的表面質(zhì)量；(4)使用了專用模具，加工靈活性比較差；(5)該專利的方法和裝置只適用于大型尺寸(mm量級(jí)以上)的成形，對(duì)于鎂合金的微成形(um或者亞um量級(jí))是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。如公開(kāi)號(hào)為CN101209478A的中國(guó)專利，其成形技術(shù)是采用了非等溫沖壓成形，該專利所涉及的技術(shù)方案雖然能夠?qū)崿F(xiàn)在較低溫度下制備出所需的鎂合金成形件，且有效防止了在成形件凹模圓角處發(fā)生斷裂，但是也存在著一定的不足(1) 該專利無(wú)法提高成形件高溫高強(qiáng)度、高溫抗蠕變性能等高溫力學(xué)性能；(2)該專利的裝置增加了冷卻系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)，導(dǎo)致整個(gè)成形裝置的異常復(fù)雜化；(3)整個(gè)裝置只有一個(gè)熱電偶及加熱板，缺乏有效的精確溫控模塊；(4)整個(gè)裝置體現(xiàn)的成形過(guò)程都是一種開(kāi)放式的成形環(huán)境，很容易氧化鎂合金成形件表面，從而無(wú)法保證成形件的表面質(zhì)量。如公開(kāi)號(hào)為 CN1903473A的中國(guó)專利，其采用溫?zé)崂旃に嚦尚危涑尚喂に囀羌訜釅哼吶桶寄Ｒ荒＞咄繚?rùn)劑一坯料涂潤(rùn)劑一坯料加熱一凸模預(yù)熱一拉伸成形，此專利雖然能夠在較低溫度 0. 5Tm，Tm為鎂合金熔點(diǎn)的絕對(duì)溫度)下對(duì)鎂合金板材進(jìn)行成形，且材料的利用率很高，成形尺寸及精度較高，但是也存在不足(1)需要用到復(fù)雜的專用模具，成形工藝非常復(fù)雜； (2)成形應(yīng)變速率較低，生產(chǎn)效率較低；( 整個(gè)成形過(guò)程缺乏有效的防氧化措施；(4)得到的成形件的高溫高強(qiáng)度及高溫抗蠕變性能等高溫力學(xué)性能比較差；( 該專利涉及到的裝置沒(méi)有公開(kāi)有效的溫控模塊裝置，不能精確控制鎂合金板材的溫度；(6)該專利的方法只適用于大型尺寸(mm量級(jí)以上)形件的成形，無(wú)法實(shí)現(xiàn)鎂合金的微成形(um或者亞um量級(jí))。 隨著激光噴丸技術(shù)的出現(xiàn)，在一定程度很好的解決了傳統(tǒng)的利用專用模具帶來(lái)的加工柔性差、成形應(yīng)變速率低、無(wú)法實(shí)現(xiàn)鎂合金板材的微成形(um或者亞um量級(jí))等不足，如授權(quán)號(hào)為CN101332538B的中國(guó)專利，其成形技術(shù)是先將材料加熱到一定溫度，然后把高頻高壓的激光沖擊波作為力源及高能的激光束作為熱源，借助凹模進(jìn)行高速貼模微成形。該專利雖然能對(duì)室溫下難塑性成形的材料進(jìn)行成形，且能再成形的同時(shí)達(dá)到強(qiáng)化成形件的目的，但是也存在一定的不足(1)該專利對(duì)板材進(jìn)行預(yù)熱，其主要目的只是以單一的成形為目的，且是其成形特點(diǎn)是邊加熱邊成形，也就是很有可能在溫度未達(dá)到材料發(fā)生動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效溫度時(shí)，成形已經(jīng)完畢，由于沒(méi)有具體指明加熱溫度為材料發(fā)生動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效的溫度及沒(méi)有公開(kāi)任何有關(guān)成形件內(nèi)部的微觀組織等信息，且該專利提到其技術(shù)效果只是可以細(xì)化表層晶粒及使組織均勻，故提高的是成形件的室溫力學(xué)性能，并不能提高高溫力學(xué)性能，即沒(méi)有公開(kāi)任何有關(guān)成形件高溫力學(xué)性能的信息，故該專利也就無(wú)法提高成形件高溫力學(xué)性能；(2)整個(gè)成形都是在開(kāi)放式的環(huán)境下進(jìn)行的，缺乏有效的防氧化措施及裝置，很容易引起成形件表面氧化，無(wú)法保證成形件的表面質(zhì)量；(3)整個(gè)方案中并沒(méi)有公開(kāi)任何的有關(guān)精確溫控模塊，無(wú)法精確測(cè)量材料表面的成形溫度；(4)由于該專利是利用
5兩束激光分別進(jìn)行沖擊與加熱，需要用到兩臺(tái)激光設(shè)備，極大的提高的制造成本。與本發(fā)明最接近的是公開(kāi)號(hào)為CN101590501A的中國(guó)專利，其采用的方法是溫?zé)犭姶艣_擊成形，先將鎂合金加熱到100° (Γ300° C，在對(duì)電磁線圈放電產(chǎn)生電磁沖擊力對(duì)鎂合金進(jìn)行沖擊成形，該專利中的技術(shù)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)在溫?zé)釛l件下對(duì)鎂合金板材進(jìn)行成形，相對(duì)于傳統(tǒng)的壓鑄成形及溫?zé)岢尚斡辛撕艽蟮倪M(jìn)步，但是也存在著不足(1)整個(gè)成形環(huán)境是處于一種開(kāi)放式的環(huán)境，即在空氣中加熱并進(jìn)行沖擊，該專利所述的成形方法過(guò)程及裝置沒(méi)有公開(kāi)任何的防止鎂合金板材表面氧化的措施和裝置，無(wú)法保證成形件表面的質(zhì)量；( 該專利的裝置只有一個(gè)加熱棒，沒(méi)有公開(kāi)有效精確自動(dòng)的溫控模塊，很難精確控制鎂合金板材的溫度；C3)該專利的加熱方式是通過(guò)加熱棒把模具加熱到100° (Γ300° C，然后通過(guò)熱傳導(dǎo)將熱量傳遞給鎂合金板材，這樣模具就長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)，不但耗能，而且加速了模具的磨損，工作壽命減短；(4)溫?zé)犭姶艣_擊成形中的加載壓力不能精確控制，工藝過(guò)程控制困難；( 該專利涉及的方法沒(méi)有公開(kāi)任何有關(guān)成形之后得到的鎂合金成形件高溫力學(xué)性能的信息，即該專利所涉及的方法只是單一的以塑性成形為目的，不涉及任何有關(guān)鎂合金成形件高溫力學(xué)性能的信息；(6)該裝置缺乏有效的絕緣措施，只有一個(gè)耐熱絕緣樹(shù)脂，安全得不到保證；(7)該專利的方法和裝置只適用于大型尺寸(mm量級(jí)以上)的成形，對(duì)于鎂合金的微成形(um或者亞um量級(jí))是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的；(8)該專利的方法只適用于厚度為0. 5mnT2. 5mm的薄板鎂合金板材成形。綜上所述，雖然現(xiàn)有的一些專利所涉及的方法能夠?qū)崿F(xiàn)鎂合金板材在較低溫度 (<0.5Tm，Tm為鎂合金熔點(diǎn)的絕對(duì)溫度)進(jìn)行塑性成形，如溫?zé)岢尚?100° (Γ300。C)等， 但是也存在著諸多缺陷，利用目前有關(guān)的鎂合金的塑性成形技術(shù)得到的鎂合金成形件的高溫高強(qiáng)度、高溫抗蠕變性能等高溫力學(xué)性能比較差和表面質(zhì)量比較差，這一點(diǎn)是目前鎂合金塑性成形技術(shù)無(wú)法克服的一大障礙。溫激光噴丸技術(shù)是一門(mén)新型的表面處理技術(shù)及新穎的溫?zé)嶙冃渭庸ぜ夹g(shù)，它集動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效與激光噴丸強(qiáng)化于一體，溫激光噴丸使材料產(chǎn)生高密度位錯(cuò)，高密度位錯(cuò)與溶質(zhì)原子相互作用，在材料內(nèi)部產(chǎn)生位錯(cuò)扎釘效應(yīng)，有效阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，并在材料內(nèi)部析出納米析出物，這些納米析出物使得微觀組織更加穩(wěn)定，有效的阻礙了晶界的滑移，繼而提高鎂合金高溫力學(xué)性能及高溫抗蠕變性；激光噴丸成形作為一種超高應(yīng)變率成形方法，對(duì)于提高金屬板材的成形性能有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)；提高成形溫度可以有效提高鎂合金板材的塑性變形能力。因此，本發(fā)明采用溫激光噴丸，集中了溫成形與激光噴丸成形的優(yōu)勢(shì)對(duì)鎂合金進(jìn)行溫?zé)岣邞?yīng)變率成形，大大提高了成形效率，提高了鎂合金的塑性加工性能，并解決了傳統(tǒng)加工出來(lái)的鎂合金零件的高溫力學(xué)性能及高溫抗蠕變性較差。利用溫激光噴丸成形無(wú)接觸加工的特點(diǎn)回避了單一溫成形中的潤(rùn)滑及模具強(qiáng)度等問(wèn)題，提出了一種有效的鎂合金板材成形新工藝，具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。本發(fā)明首次提出利用溫激光噴丸技術(shù)來(lái)獲取具有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能及高溫抗蠕變性能的鎂合金成形件，還實(shí)現(xiàn)了鎂合金板材的溫?zé)岣邞?yīng)變速率成形，。經(jīng)對(duì)國(guó)內(nèi)外所有文獻(xiàn)的檢索結(jié)果發(fā)現(xiàn)，目前還沒(méi)有利用溫激光噴丸使鎂合金成形件產(chǎn)生位錯(cuò)釘扎效應(yīng)及析出納米析出物來(lái)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及晶界滑移，繼而提高鎂合金成形件高溫高強(qiáng)度、高溫抗蠕變等高溫力學(xué)性能的相關(guān)研究報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種既能實(shí)現(xiàn)鎂合金板材的溫?zé)岣邞?yīng)變速率快速成形，同時(shí)成形之后又能獲取具有優(yōu)越的高溫高強(qiáng)度及高溫抗蠕變性能等高溫力學(xué)性能鎂合金成形件的塑性成形裝置與方法，克服當(dāng)前鎂合金溫?zé)崴苄猿尚畏椒o(wú)法提高鎂合金成形件高溫高強(qiáng)度及高溫抗蠕變性能等高溫力學(xué)性能、無(wú)法保證鎂合金成形件的表面質(zhì)量、成形速率低等不足，提供了一種采用溫激光噴丸技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)提高鎂合金成形件高溫力學(xué)性能及高溫抗蠕變性能的溫?zé)岣邞?yīng)變速率成形裝置及方法。獲取優(yōu)越高溫力學(xué)性能鎂合金成形件的方法，具體方法步驟如下
(A)根據(jù)所需工件的形狀及成形要求設(shè)計(jì)好凹模的形狀、激光沖擊成形的運(yùn)動(dòng)軌跡，并設(shè)置好激光加工參數(shù)；
(B)用工業(yè)酒精清洗鎂合金板材表面，在鎂合金板材的上表面貼上能量轉(zhuǎn)換體；
(C)用光學(xué)玻璃材料制成工作腔，并將工作腔置于五軸工作臺(tái)上。(D)將凹模放在工作腔內(nèi)，并用螺釘固定好凹模，并將鎂合金板材置于凹模上；
(E)用少量硅膠將4個(gè)溫度傳感器緊貼在鎂合金板材左下表面，溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器用導(dǎo)線將計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接起來(lái)；用導(dǎo)線將微型加熱器、電子開(kāi)關(guān)、控制器及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接起來(lái)，微型加熱器置于鎂合金板材右下表面，通過(guò)夾具使二者緊密接觸；
(F)在工作腔內(nèi)設(shè)有一個(gè)微型加熱器，用相應(yīng)的夾具使微型加熱器與鎂合金板材緊密接觸，并在改工作腔外壁設(shè)有一個(gè)真空導(dǎo)線接口，所有導(dǎo)線通過(guò)該導(dǎo)線接口與外界相連， 再將該工作腔抽至真空，真空度為0. 00Γ0. OlMPa，再將保護(hù)氣體充入該工作腔內(nèi)，最后密封；
(G)啟動(dòng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，使微型加熱器將鎂合金板材的溫度加熱到120°(Γ150° C， 通過(guò)4個(gè)溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、電子開(kāi)關(guān)、控制器、與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)精確控制鎂合金板材的溫度，使其溫度處于120° (Γ150。C;
(H)在該溫度下，啟動(dòng)激光器，使其發(fā)出激光能量為300m廣40J，光斑直徑為 200unT4mm、脈寬為2(T30ns、頻率為8HZ，搭接率為75%的激光束經(jīng)過(guò)反射鏡的作用到達(dá)能量轉(zhuǎn)換體上，產(chǎn)生高頻高壓高應(yīng)變速率的激光沖擊波，鎂合金板材在高壓高應(yīng)變速率的激光沖擊波的作用下按照計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)事先設(shè)計(jì)好的軌跡及加工參數(shù)進(jìn)行高速貼模成形， 進(jìn)而得到所需的工件；
(9)取下能量轉(zhuǎn)換體，打開(kāi)工作腔的密封空，并往工作腔內(nèi)充入保護(hù)氣體，使其冷卻至室溫。其中，本發(fā)明采用了 4個(gè)溫度傳感器，4個(gè)溫度傳感器在計(jì)算機(jī)上顯示溫度分別為 T1、T2、T3、T4，則鎂合金板材的溫度為=T= (Tl+T2+T3+T4)/4。其中，將鎂合金板材溫度加熱到120° (Γ150° C，所述的120° (Tl50° C是鎂合金板材在本發(fā)明激光參數(shù)下的激光噴丸作用下的發(fā)生最優(yōu)動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效強(qiáng)化效果的溫度。所述的鎂合金板材厚度為0. 2mnTl5mm。所述的溫激光噴丸成形軌跡為沿鎂合金板材寬度方向作多次直線往復(fù)循環(huán)搭接噴丸成形運(yùn)動(dòng)。所述的步驟(D)中在凹模與鎂合金板材接觸部分涂有一層絕熱材。獲取優(yōu)越高溫力學(xué)性能鎂合金成形件的成形裝置，它包括了微型加熱器、工作腔、夾具、激光器、反射鏡、凹模、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、反射鏡、螺釘、五軸工作臺(tái)、控制器和導(dǎo)線接口，將工作腔放在五軸工作上面，五軸工作臺(tái)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)用導(dǎo)線連接起來(lái)；凹模置于工作腔內(nèi)，用螺釘固定好，鎂合金板材置于凹模上，并在鎂合金板材上貼上能量轉(zhuǎn)換體，微型加熱器置于鎂合金板材右下表面，激光器與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連，導(dǎo)線接口安裝在工作腔外壁，并密封好。其特征在于本發(fā)明裝置設(shè)有防氧化裝置，并設(shè)有精確的自動(dòng)溫控模塊，以精確控制鎂合金板材的溫度；防氧化裝置是真空狀態(tài)的工作腔，工作腔開(kāi)始不為真空狀態(tài)，工作時(shí)將其抽為真空狀態(tài)，并充入保護(hù)氣體；精確溫控模塊由4個(gè)溫度傳感器、微型加熱器、 A/D轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、電子開(kāi)關(guān)、控制器、夾具、導(dǎo)線、導(dǎo)線接口構(gòu)成；在鎂合金板材左下表面貼上4個(gè)溫度傳感器，溫度傳感器用導(dǎo)線將A/D轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接起來(lái)；在工作腔內(nèi)設(shè)有一個(gè)微型加熱器，用相應(yīng)的夾具使微型加熱器與鎂合金板材緊密接觸， 用導(dǎo)線將微型加熱器、電子開(kāi)關(guān)、控制器及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接起來(lái)，所述的夾具涂有一層絕熱材料，所有的導(dǎo)線都通過(guò)導(dǎo)線接口與工作腔外部設(shè)備相連，導(dǎo)線接口密封好。所述的工作腔用光學(xué)玻璃材料制作而成，且在工作腔底面及其他幾個(gè)側(cè)面外壁涂有一層絕熱材料的薄膜，頂面涂覆一層增透薄膜，凹模與鎂合金板材接觸部分涂有一層絕熱材料。本發(fā)明利用了溫激光噴丸技術(shù)中的溫?zé)崽幚硖岣哝V合金板材的塑性變形能力及激光噴丸快速成形等優(yōu)勢(shì)使被加熱的鎂合金板材在溫?zé)釛l件下高速貼模成形。利用溫激光噴丸技術(shù)中的激光噴丸引起的高頻高壓高應(yīng)變速率，使鎂合金成形件產(chǎn)生高密度的位錯(cuò)； 利用溫激光噴丸技術(shù)的溫?zé)崽幚?，加快了鎂合金成形件內(nèi)的溶質(zhì)原子得移動(dòng)，且激活了鎂合金板材的其他滑移系數(shù)，使鎂合金板材獲得良好的塑性；溶質(zhì)原子的擴(kuò)散形成位錯(cuò)核，隨著溶質(zhì)原子不斷的遷移至位錯(cuò)核處，釘扎住位錯(cuò)，形成了位錯(cuò)釘扎效應(yīng)，有效阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，而高密度位錯(cuò)與移動(dòng)的溶質(zhì)原子相互作用，導(dǎo)致了在鎂合金成形件內(nèi)部析出大量的納米析出物彌散分布在晶界處，納米析出物使得微觀組織更加穩(wěn)定，且有效阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)及晶界滑移，繼而使得成形后鎂合金成形件具有良好的高溫高強(qiáng)度及高溫抗蠕變性能等高溫力學(xué)性能；本發(fā)明是在真空環(huán)境下進(jìn)行成形與強(qiáng)化，有效避免了成形件被氧化。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)勢(shì)
(1)本發(fā)明采用了溫激光噴丸技術(shù)對(duì)鎂合金板材進(jìn)行溫?zé)岣邞?yīng)變率塑性成形，極大提高了鎂合金的成形效率，完善了鎂合金板材成形技術(shù)，拓寬了激光加工的應(yīng)用領(lǐng)域，開(kāi)辟了激光噴丸成形在鎂合金板材成形技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用。(2)因利用溫激光噴丸技術(shù)，使成形后得到的鎂合金成形件具有良好的高溫高強(qiáng)度及高溫抗蠕變性能等高溫力學(xué)性能。(3)本發(fā)明設(shè)有防氧化裝置及措施，有效的防止了鎂合金成形件的氧化及燃燒，保證了鎂合金成形件的表面質(zhì)量。(4)本發(fā)明還設(shè)有精確的自動(dòng)溫控模塊，能精確控制鎂合金板材的溫度。( 5 )本發(fā)明是直接對(duì)鎂合金板材進(jìn)行加熱，避免了對(duì)模具加熱，減少了模具的高溫磨損，延長(zhǎng)了模具的使用壽命。(6)本發(fā)明利用了溫激光噴丸技術(shù)，產(chǎn)生的應(yīng)變速率高達(dá)106/s，對(duì)鎂合金板材的成形速率很高，可以工業(yè)化大批量生產(chǎn)。(7)本發(fā)明采用了溫激光噴丸成形技術(shù)，只需要凹模即可，避免大規(guī)模復(fù)雜及專用模具的使用。(8)本發(fā)明采用及溫激光噴丸技術(shù)，可以進(jìn)行鎂合金板材的微成形(um或者亞um
量級(jí))。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。圖1為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明裝置中溫控模塊自動(dòng)控制原理圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例凹模的三維形狀。圖4為本發(fā)明實(shí)施例成形件的三維圖。圖5為本發(fā)明得到的鎂合金成形件在200° C，70MPa條件下的蠕變曲線。圖6為4個(gè)溫度傳感器在鎂合金板材左下表面的分布圖。圖中，1、激光器；2、反射鏡；3、工作腔；4、能量轉(zhuǎn)換體；5、溫度傳感器；6、凹模； 7、五軸工作臺(tái)；8、螺釘；9、鎂合金板材；10、微型加熱器；11、電子開(kāi)關(guān)；12、控制器；13、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；14、A/D轉(zhuǎn)換器；15、夾具；16、導(dǎo)線接口。
具體實(shí)施例方式如圖1，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的裝置包括了激光器1、反射鏡2、工作腔3、能量轉(zhuǎn)換體4、溫度傳感器5、凹模6、五軸工作臺(tái)7、螺釘8、微型加熱器10、電子開(kāi)關(guān)11、控制器12、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)13、A/D轉(zhuǎn)換器14、夾具15。工作腔3位于五軸工作臺(tái)7上面，五軸工作臺(tái)7用導(dǎo)線與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)13相連，用螺釘8固定好凹模6，將鎂合金板材9置于工作腔3內(nèi)的凹模6 上，用工業(yè)酒精清洗鎂合金板材9的表面，并在鎂合金板材9上貼上能量轉(zhuǎn)換體4，用少量硅膠將4個(gè)溫度傳感器5緊貼在鎂合金板材9左下表面，溫度傳感器5、A/D轉(zhuǎn)換器14用導(dǎo)線將計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)13連接起來(lái)；微型加熱器10置于鎂合金板材9右下表面，通過(guò)夾具15 使二者緊密接觸，用導(dǎo)線將微型加熱器10、電子開(kāi)關(guān)11、控制器12與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)13連接起來(lái)了 ；激光器1與反射鏡2位于同一直線上，激光器1與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)13相連，所有導(dǎo)線通過(guò)導(dǎo)線接口 16與工作腔3外部設(shè)備相連，導(dǎo)線接口 16安裝在工作腔3外壁，并密封好。實(shí)施的具體過(guò)程如下
(1)根據(jù)所需工件的形狀及成形要求設(shè)計(jì)好凹模6的形狀、激光沖擊成形的運(yùn)動(dòng)軌跡及激光加工參數(shù)，激光沖擊成形的運(yùn)動(dòng)軌跡為沿著鎂合金板材寬度方向直線往復(fù)搭接噴丸成形運(yùn)動(dòng)。(2)用工業(yè)酒精清洗鎂合金板材9的表面；并在鎂合金板材9的上表面貼上能量轉(zhuǎn)換體4 ；用光學(xué)玻璃制作成工作腔3，將工作腔3置于五軸工作臺(tái)7上。五軸工作臺(tái)7用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)13控制；將凹模6放在工作腔3內(nèi)，用螺釘8固定好凹模6，并將鎂合金板材9置于凹模6上；用少量硅膠將4個(gè)溫度傳感器5緊貼在鎂合金板材9左下表面，溫度傳感器5、A/D轉(zhuǎn)換器14用導(dǎo)線與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)13連接；用導(dǎo)線將微型加熱器10、電子開(kāi)關(guān)11、控制器12及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)13連接起來(lái)，微型加熱器10置于鎂合金板材9右下表面，通過(guò)夾具15使二者緊密接觸，用導(dǎo)線將微型加熱器10、電子開(kāi)關(guān)11、控制器12與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)13連接起來(lái)了，所有的導(dǎo)線通過(guò)導(dǎo)線接口 16與工作腔3外部設(shè)備相連；調(diào)整好
9反射鏡2的角度，使得激光束垂直照射在鎂合金板材9上，激光器1與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)13 相連。再將該工作腔3抽至真空，真空度為0. 00Γ0. OlMPa,再將保護(hù)氣體充入該工作腔3 內(nèi)，最后密封。(3)啟動(dòng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)13，使微型加熱器10將鎂合金板材9的溫度加熱到 12(Γ150° C，通過(guò)這4個(gè)溫度傳感器5、A/D轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)13精確控制鎂合金板材9的溫度，4個(gè)溫度傳感器5通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器的作用在計(jì)算機(jī)上顯示的溫度分別為T(mén)l、 Τ2、Τ3、Τ4，則鎂合金板材溫度為Τ= (Tl+T2+T3+T4)/4 ；在該溫度下，啟動(dòng)激光器1，使其發(fā)出激光能量為300mr40J、光斑直徑為200unT4mm、脈寬為2(T30ns、頻率為8HZ、光斑搭接率為75%的激光束經(jīng)過(guò)反射鏡2的作用到能量轉(zhuǎn)換體4上，產(chǎn)生高頻高壓的激光沖擊波，鎂合金板材9在高壓高應(yīng)變速率的激光沖擊波的作用下按照計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)13事先設(shè)計(jì)好的軌跡進(jìn)行高速貼凹模6成形，進(jìn)而得到所需的工件。(4)取下能量轉(zhuǎn)換體4，打開(kāi)工作腔3的密封口，并往工作腔3內(nèi)充入保護(hù)氣體N2, 使其冷卻至室溫。
實(shí)施例用AZ91D鎂合金作為溫激光噴丸成形實(shí)驗(yàn)
1、材料準(zhǔn)備
實(shí)驗(yàn)所用材料為山西精美合金有限公司提供的AZ91D鎂合金鑄造板材，試樣尺寸為 5mm厚、IOOmmX 120mm的長(zhǎng)方形，其化學(xué)成分如表1所示，將實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行均勻化退火處理， 退火溫度為230° C，保溫Ih后隨爐冷卻。表1實(shí)驗(yàn)用A溈ID鎂合金板材化學(xué)元素成分表作，質(zhì)量分?jǐn)?shù)丨
權(quán)利要求
1.獲取優(yōu)越高溫力學(xué)性能鎂合金成形件的方法，其特征在于，具體步驟如下(A)根據(jù)所需工件的形狀及成形要求確定凹模的形狀、激光沖擊成形的運(yùn)動(dòng)軌跡，并設(shè)置好激光加工參數(shù)；(B)用工業(yè)酒精清洗鎂合金板材表面，在鎂合金板材的上表面貼上能量轉(zhuǎn)換體；(C)將用光學(xué)玻璃材料制成的工作腔置于五軸工作臺(tái)上；(D)將凹模放在工作腔內(nèi)，并用螺釘固定好凹模，并將鎂合金板材置于凹模上；(E)用硅膠將4個(gè)溫度傳感器緊貼在鎂合金板材左下表面，微型加熱器置于鎂合金板材右下表面，通過(guò)夾具使二者緊密接觸；(F)在改工作腔外壁設(shè)有一個(gè)真空導(dǎo)線接口，所有導(dǎo)線通過(guò)該導(dǎo)線接口與外界相連， 再將該工作腔抽至真空，真空度為0. 00Γ0. OlMPa，再將保護(hù)氣體充入該工作腔內(nèi)，最后密封；(G)啟動(dòng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，使微型加熱器將鎂合金板材的溫度加熱到120°(Γ150° C;(H)在該溫度下，啟動(dòng)激光器，使其發(fā)出激光能量為300mr40J，光斑直徑為 200unT4mm、脈寬為2(T30ns、頻率為8HZ，搭接率為75%的激光束經(jīng)過(guò)反射鏡的作用到達(dá)能量轉(zhuǎn)換體上，產(chǎn)生高頻高壓高應(yīng)變速率的激光沖擊波，鎂合金板材在高壓高應(yīng)變速率的激光沖擊波的作用下進(jìn)行高速貼模成形，進(jìn)而得到所需的工件；(I)取下能量轉(zhuǎn)換體，打開(kāi)工作腔的密封空，并往工作腔內(nèi)充入保護(hù)氣體，使其冷卻至室溫。
2.如權(quán)利要求1所述的獲取優(yōu)越高溫力學(xué)性能鎂合金成形件的方法，其特征在于，所述4個(gè)溫度傳感器的顯示溫度分別為T(mén)l、T2、T3、T4，鎂合金板材的溫度為T(mén)= (Τ1+Τ2+Τ3+Τ4) /4。
3.如權(quán)利要求1所述的獲取優(yōu)越高溫力學(xué)性能鎂合金成形件的方法，其特征在于，所述的鎂合金板材厚度為0. 2mnTl5mm。
4.如權(quán)利要求1所述的獲取優(yōu)越高溫力學(xué)性能鎂合金成形件的方法，其特征在于，所述的溫激光噴丸成形軌跡為沿鎂合金板材寬度方向作多次直線往復(fù)循環(huán)搭接噴丸成形運(yùn)動(dòng)。
5.如權(quán)利要求1所述的獲取優(yōu)越高溫力學(xué)性能鎂合金成形件的方法，其特征在于，所述步驟(D)中在凹模與鎂合金板材接觸部分涂有一層絕熱材料。
6.獲取優(yōu)越高溫力學(xué)性能鎂合金成形件的裝置，其特征在于，包括了激光器(1)、反射鏡(2)、工作腔(3)、能量轉(zhuǎn)換體(4)、溫度傳感器(5)、凹模(6)、五軸工作臺(tái)(7)、螺釘(8)、 微型加熱器(10)、電子開(kāi)關(guān)(11)、控制器(12)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(13)、A/D轉(zhuǎn)換器(14)、夾具(15)；工作腔(3)位于五軸工作臺(tái)(7)上面，五軸工作臺(tái)(7)用導(dǎo)線與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) (13)相連，用螺釘(8)固定好凹模(6)，將鎂合金板材(9)置于工作腔(3)內(nèi)的凹模(6)上； 4個(gè)溫度傳感器(5)和A/D轉(zhuǎn)換器(14)通過(guò)導(dǎo)線與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(13)連接；微型加熱器(10)、電子開(kāi)關(guān)(11)、控制器(12)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(13)通過(guò)導(dǎo)線依次連接，通過(guò)夾具 (15)使微型加熱器(10)與鎂合金板材(9)緊靠在一起；激光器(1)與反射鏡(2)位于同一直線上，激光通過(guò)反射鏡(2)反射指向五軸工作臺(tái)(7)，激光器(1)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(13)相連， 工作腔(3)內(nèi)的所有導(dǎo)線通過(guò)導(dǎo)線接口(16)與工作腔(3)外部設(shè)備相連，導(dǎo)線接口(16)安裝在工作腔(3)外壁，并密封。
7.如權(quán)利要求7所述的獲取優(yōu)越高溫力學(xué)性能鎂合金成形件的裝置，其特征在于，所述工作腔(9)用光學(xué)玻璃材料制作而成，且在工作腔(3)底面及側(cè)面外壁涂有一層絕熱材料的薄膜，頂面涂覆一層增透薄膜。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種獲取優(yōu)越高溫力學(xué)性能鎂合金成形件的方法及成形裝置。本發(fā)明裝置主要包括凹模、激光器、溫度傳感器、微型加熱器等。本發(fā)明方法是利用溫激光噴丸中的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效強(qiáng)化、溫?zé)岢尚渭案邏焊邞?yīng)變速率的激光噴丸快速成形技術(shù)使鎂合金加熱到120~150°C進(jìn)行高速貼模成形，將鎂合金板材置于工作腔內(nèi)的凹模上并貼上能量轉(zhuǎn)換體；將工作腔抽至真空，結(jié)合微型加熱器與激光器進(jìn)行溫激光噴丸鎂合金板材高速貼模成形。因利用了溫激光噴丸技術(shù)，在成形件內(nèi)形成位錯(cuò)釘扎效應(yīng)及納米析出物，使鎂合金成形件具有優(yōu)越的高溫抗蠕變、高溫高強(qiáng)度等高溫力學(xué)性能，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了鎂合金板材的溫?zé)岣邞?yīng)變速率成形，提高了鎂合金成形性能及成形效率。
文檔編號(hào)B21D31/00GK102513440SQ201110421838
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月16日
發(fā)明者周建忠, 季杏露, 安中偉, 左立黨, 楊晶, 樊玉杰, 謝小江, 陳寒松, 黃舒 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)