專利名稱：一種細化鋁基復合材料基體組織的裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及鋁基復合材料，具體而言為涉及一種細化鋁基復合材料基體組織的裝置及方法。
背景技術：
現代工業(yè)的高速發(fā)展，對同時具有較高強度和優(yōu)良塑性的材料需求日益增加。晶粒細化是提高材料結構強度的有效方法之一，同時對材料的塑性和韌性甚至物理性能都有很大改善，因此超細晶材料應用潛力極大。超細晶材料的制備方法包括金屬蒸發(fā)-冷凝壓制法、機械研磨法、機械合金化法、非晶晶化法、摩擦壓扭法、電解沉積法、快速凝固法和強烈塑性變形法等。采用大塑性變形來獲得亞微米、納米級晶粒是近10多年來國內外興起的
研究熱點。該方法在保持較好的塑韌性下，顯著地提高材料的強度。大量研究表明依靠應力或塑性變形就可以獨立地改變材料的相變行為，顯著細化顯微組織，細化晶粒的效果遠遠超過傳統的熱處理技術。至今，已研究過的大塑性變形法有10多種技術，但在實際應用中遇到了限制瓶頸，使其優(yōu)點得不到很好的發(fā)揮。等通道轉角擠壓(也稱等徑角擠壓，Equal Channel Angular Pressing,ECAP)是基于大塑性變形理論的一種加工技術。采用此工藝材料可重復擠壓，經多次擠壓后，材料的晶粒達到超細尺度，使材料的綜合力學性能大大提高。ECAP法可制造出高變形量、尺寸不變且尺寸較大的產品，且在材料內部無殘留孔洞。針對等徑角擠壓變形量相對較小且加工道次多的不足，國家發(fā)明專利(專利號CN101294238A)結合反復墩擠方法制備超細晶材料的優(yōu)點，提出了復合擠壓法(CCEC)，可以通過較少道次墩擠，實現晶粒細化，無論從成本、經濟效益上，還是材料的組織性能上，都有一定的優(yōu)越性，具有很好的應用前景。但是該專利方法每次墩擠均要重新取放材料，操作比較煩瑣。因此，迫切需要開發(fā)一種更加簡便的通過塑性變形獲得細晶化基體組織的方法。在大塑性變形方法中還有一種往復擠壓方法，模具內有兩個處于一條直線上截面積相等且彼此之間由緊縮區(qū)分開的模腔，在模腔的兩邊分別裝置一個液壓式沖頭。該方法的特點是首先通過擠壓使試樣橫截面積減小，隨之又通過壓縮使其橫截面積恢復到初始尺寸，如此反復進行從而獲得大的塑性變形，即該工藝是一個反復擠壓與壓縮相結合的過程。但是，該方法由于自身方法的限制，不能在樣品整個長度方向上獲得均勻的應變量。如果能將等通道轉角擠壓與往復擠壓方法結合，則可以實現相對簡便地通過較少道次塑性變形獲得細晶化組織。鋁基復合材料因具有密度小，比強度高，熔點較低，易于加工等優(yōu)勢，在材料界占有重要地位，廣泛應用于航空、航天、汽車、機械等行業(yè)。隨著現代工業(yè)的發(fā)展和技術的進步，對高強度鋁基復合材料的要求日益迫切。鋁基復合材料的制備方法已有很多，按增強相加入的方式來分，主要有攪拌法、粉末冶金法、浸滲法、噴射法、中間合金法和原位復合法幾類。其中，由原位復合法制備的鋁基原位復合材料，生成的增強相細小，可達到I微米以下，且增強相與基體合金界面結合良好，具有優(yōu)良的機械性能，更高的耐磨性能和高溫性能。如能采用新型大塑性變形方法進一步細化復合材料的基體組織，將能有效拓展該類復合材料的應用范圍。

發(fā)明內容
本發(fā)明提出一種細化鋁基復合材料基體組織的裝置及方法，其原理是充分利用往復擠壓方法的大變形量以及等通道轉角擠壓方法對晶體方向的改變，將往復擠壓與等通道轉角擠壓相結合，工作時一端固定另一端加載，突破往復擠壓在整個長度方向上變形量不均勻的問題以及等通道轉角擠壓變形道次數量多的不足，同時通過在主沖頭中間添加直徑與等通道轉角擠壓通道尺寸相同的輔助沖頭，保證通道中的材料完全實現轉角，模具翻轉后重復上述過程，中間不需要重新取放材料。本發(fā)明提出一種細化鋁基復合材料基體組織的裝置，其特征在于該裝置由模具、主沖頭、輔助沖頭和堵頭組成，所述模具內開有兩條直徑和長度都相等的呈90°角連接的轉角通道，兩條轉角通道朝向模具外表面的部分均與大尺寸空腔相連，大尺寸空腔的長度、直徑相等，其中一個大尺寸空腔設有與大尺寸空腔尺寸相配合的主沖頭，主沖頭中心部分 開有圓柱孔，圓柱孔內設有與圓柱孔尺寸配合的輔助沖頭，主沖頭與轉角通道之間放置待擠壓材料；另一個大尺寸空腔內設有與大尺寸空腔尺寸配合的堵頭，堵頭通過彈簧固定。所涉及的模具，是指采用模具鋼或者高強度球墨鑄鐵制作的擠壓模具。所述兩條轉角通道的直徑為5 10mm、長度為50 100mm。所述兩個大尺寸空腔是指在模具外表面開口的直徑明顯大于等通道轉角擠壓的轉角通道直徑的空腔，其長度由所需要加工的材料的量決定，為5(Tl00mm，其直徑隨待加工材料所要求的變形量和擠壓裝置的變形應力進行調整，為5(Tl00mm，要求材料變形量大時選擇較大的直徑，擠壓裝置的變形應力小時選擇較小的直徑。所涉及的主沖頭，是指截面直徑與大尺寸空腔相配合的高碳鋼圓柱體沖頭，其中心部分有與輔助沖頭配合的圓柱孔。所涉及的輔助沖頭，是指在主沖頭中間，直徑與主沖頭中心部分的圓柱孔配合的高碳鋼沖頭。所涉及的堵頭，是指截面直徑與大尺寸空腔相配合的高碳鋼圓柱體，其上設有排氣槽，朝向模具外表面一側與彈簧相連，以保證待加工材料充滿空腔。在上述基礎上，本發(fā)明提出一種細化鋁基復合材料基體組織的方法，其特征在于在模具的大尺寸空腔及轉向通道表面涂覆潤滑劑，在其中一個大尺寸空腔內放入待擠壓材料，并開始加載使主沖頭加壓，模具的另一側通道采用堵頭進行封閉，當材料充滿轉角通道后，堵頭在材料壓力作用下逐步向后移動，當主沖頭運動至大尺寸空腔的底部時，對輔助沖頭加載使其進入轉角通道，直至材料完全實現轉角；然后將堵頭撤除，模具翻轉并使主沖頭和輔助沖頭對準經過擠壓的材料，重復上述步驟3飛次。所涉及的潤滑劑，是指石墨類固體潤滑劑，涂覆于主沖頭、堵頭、模具大尺寸空腔及通道表面、輔助沖頭及主沖頭中間的圓柱孔表面。該方法結合了往復擠壓方法和等通道轉角擠壓方法的優(yōu)勢，操作簡單，效果可靠。


圖I為本方法工作過程示意圖；a)為待變形材料放入模具、b)為主沖頭與輔助沖頭同步壓下、c)為輔助沖頭加載使其進入轉角通道、d)模具翻轉進入下一擠壓周期，其中I為輔助沖頭、2為主沖頭、3為待擠壓材料、4為模具、5為轉角通道、6為堵頭；
圖2為經過4次擠壓后Al2O3顆粒增強鋁基復合材料的顯微組織。
具體實施例本發(fā)明可以根據以下實例實施，但不限于以下實例；在本發(fā)明中所使用的術語，除非有另外說明，一般具有本領域普通技術人員通常理解的含義；應理解，這些實施例只是為了舉例說明本發(fā)明，而非以任何方式限制本發(fā)明的范圍；在以下的實施例中，未詳細描述的各種過程和方法是本領域中公知的常規(guī)方法。實施例I
本實施例具體實施細化鋁基原位復合材料基體組織的裝置及方法，其中增強顆粒為納米Al2O3，鋁合金基體的平均晶粒尺寸為18 μ m，采用模具鋼制作一套擠壓模具，在模具中部有相互呈90°角連接的直徑均為5mm、長度均為50mm的兩條轉角通道，兩條轉角通道朝向模具外表面的部分均為長度50mm直徑50 mm的大尺寸空腔；使用時在模具空腔及通道表面涂覆石墨潤滑劑，在其中一個直徑50 _的大尺寸空腔端放入待擠壓Al2O3顆粒增強鋁基復合材料，并開始加載使高碳鋼主沖頭加壓，模具的另一側轉角通道采用堵頭進行封閉，當材料充滿轉角通道后，堵頭在材料壓力作用下逐步向后移動；當主沖頭運動至直徑50 _的大尺寸空腔底部時，對輔助沖頭加載，直至材料完全實現轉角；然后將堵頭撤除，模具翻轉使沖頭對準經過擠壓的材料，重復上述步驟3次。圖2為經過4次擠壓后Al2O3顆粒增強鋁基復合材料的顯微組織，從圖2中可以看出，鋁合金基體的平均晶粒尺寸約為5 μ m。實施例2
本實施例具體實施細化鋁基原位復合材料基體組織的裝置及方法，其中增強顆粒為亞微米Al2O3，鋁合金基體的平均晶粒尺寸為22 μ m，采用模具鋼制作一套擠壓模具，在模具中部有相互呈90°角連接的直徑均為10mm、長度均為IOOmm的兩條轉角通道，兩條轉角通道朝向模具外表面的部分均為長度IOOmm直徑100 mm的大尺寸空腔；使用時在模具空腔及通道表面涂覆石墨潤滑劑，在其中一個直徑100 _的大尺寸空腔端放入待擠壓Al2O3顆粒增強鋁基復合材料，并開始加載使高碳鋼主沖頭加壓，模具的另一側轉角通道采用堵頭進行封閉，當材料充滿轉角通道后，堵頭在材料壓力作用下逐步向后移動；當主沖頭運動至直徑100 mm的大尺寸空腔底部時，對輔助沖頭加載，直至材料完全實現轉角；然后將堵頭撤除，模具翻轉使沖頭對準經過擠壓的材料，重復上述步驟5次，經過6次擠壓后Al2O3顆粒增強招基復合材料基體的平均晶粒尺寸約為4μ m。實施例3
本實施例具體實施細化鋁基復合材料基體組織的裝置及方法，其中增強顆粒為亞微米TiC，鋁合金基體的平均晶粒尺寸為25 μ m，采用高強度球墨鑄鐵制作一套擠壓模具，在模具中部有相互呈90°角連接的直徑均為8mm、長度均為80mm的兩條轉角通道，兩條轉角通道朝向模具外表面的部分均為長度70_直徑80 _的大尺寸空腔；使用時在模具空腔及通道表面涂覆石墨潤滑劑，在其中一個直徑80 mm的大尺寸空腔端放入待擠壓TiC顆粒增強鋁基復合材料，并開始加載使高碳鋼主沖頭加壓，模具的另一側轉角通道采用堵頭進行封閉，當材料充滿轉角通道后，堵頭在材料壓力作用下逐步向后移動；當主沖頭運動至直徑80 mm的大尺寸空腔底部時，對輔助沖頭加載，直至材料完全實現轉角；然后將堵頭撤除，模具翻轉使沖頭對準經過擠壓的材料，重復上述步驟4次，經過5次擠壓后TiC顆粒增強鋁基復合材料基體的平均晶粒尺寸約為6 μ m。實施例4
本實施例具體實施細化鋁基復合材料基體組織的裝置及方法，其中增強顆粒為納米TiC，鋁合金基體的平均晶粒尺寸為16 μ m，采用高強度球墨鑄鐵制作一套擠壓模具，在模具中部有相互呈90°角連接的直徑均為9mm、長度均為IOOmm的兩條轉角通道，兩條轉角通道朝向模具外表面的部分均為長度80mm直徑100 mm的大尺寸空腔；使用時在模具空腔及通道表面涂覆石墨潤滑劑，在其中一個直徑100 mm的大尺寸空腔端放入待擠壓TiC顆粒增強鋁基復合材料，并開始加載使高碳鋼主沖頭加壓，模具的另一側轉角通道采用堵頭進行封閉，當材料充滿轉角通道后，堵頭在材料壓力作用下逐步向后移動；當主沖頭運動至直徑100 mm的大尺寸空腔底部時，對輔助沖頭加載，直至材料完全實現轉角；然后將堵頭撤除， 模具翻轉使沖頭對準經過擠壓的材料，重復上述步驟5次，經過6次擠壓后TiC顆粒增強鋁基復合材料基體的平均晶粒尺寸約為3 μ m。
權利要求
1.一種細化鋁基復合材料基體組織的裝置，其特征在于所述裝置由模具、主沖頭、輔助沖頭和堵頭組成，所述模具內開有兩條直徑和長度均相等的呈90°角連接的轉角通道，兩條轉角通道朝向模具外表面的部分均與大尺寸空腔相連，大尺寸空腔的長度、直徑相等，其中一個大尺寸空腔設有與大尺寸空腔尺寸相配合的主沖頭，主沖頭中心部分開有圓柱孔，圓柱孔內設有與圓柱孔尺寸配合的輔助沖頭，主沖頭與轉角通道之間放置待擠壓材料；另一個大尺寸空腔內設有與大尺寸空腔尺寸配合的堵頭，堵頭通過彈簧固定。
2.如權利要求I所述的一種細化鋁基復合材料基體組織的裝置，其特征在于所述的模具，是指采用模具鋼或者高強度球墨鑄鐵制作的擠壓模具。
3.如權利要求I所述的一種細化鋁基復合材料基體組織的裝置，其特征在于所述兩條轉角通道的直徑為5 10mm、長度為5(Tl00mm。
4.如權利要求I所述的一種細化鋁基復合材料基體組織的裝置，其特征在于所述兩個大尺寸空腔是指在模具外表面開口的直徑明顯大于等通道轉角擠壓的轉角通道直徑的空腔，其長度由所需要加工的材料的量決定，為5(Tl00mm，其直徑隨待加工材料所要求的變形量和擠壓裝置的變形應力進行調整，為5(Tl00mm，要求材料變形量大時選擇較大的直徑，擠壓裝置的變形應力小時選擇較小的直徑。
5.如權利要求I所述的一種細化鋁基復合材料基體組織的裝置，其特征在于所述的 主沖頭，是指截面直徑與大尺寸空腔相配合的高碳鋼圓柱體沖頭，其中心部分有與輔助沖頭配合的圓柱孔。
6.如權利要求I所述的一種細化鋁基復合材料基體組織的裝置，其特征在于所述的輔助沖頭，是指在主沖頭中間，直徑與主沖頭中心部分的圓柱孔配合的高碳鋼沖頭。
7.如權利要求I所述的一種細化鋁基復合材料基體組織的裝置，其特征在于所述的堵頭，是指截面直徑與大尺寸空腔相配合的高碳鋼圓柱體，其上設有排氣槽，朝向模具外表面一側與彈簧相連，以保證待加工材料充滿空腔。
8.一種細化鋁基復合材料基體組織的方法，其特征在于在模具的大尺寸空腔及轉向通道表面涂覆潤滑劑，在其中一個大尺寸空腔內放入待擠壓材料，并開始加載使主沖頭加壓，模具的另一側通道采用堵頭進行封閉，當材料充滿轉角通道后，堵頭在材料壓力作用下逐步向后移動，當主沖頭運動至大尺寸空腔的底部時，對輔助沖頭加載使其進入轉角通道，直至材料完全實現轉角；然后將堵頭撤除，模具翻轉并使主沖頭和輔助沖頭對準經過擠壓的材料，重復上述步驟:Γ5次。
9.如權利要求I所述的一種細化鋁基復合材料基體組織的方法，其特征在于所述的潤滑劑，是指石墨類固體潤滑劑，涂覆于主沖頭、堵頭、模具大尺寸空腔及通道表面、輔助沖頭及主沖頭中間的圓柱孔表面。
全文摘要
一種細化鋁基復合材料基體組織的裝置及方法，其特征在于該裝置由模具、主沖頭、輔助沖頭、堵頭組成；使用時，在上述模具空腔及通道表面涂覆潤滑劑，在其中一個通道的大尺寸端放入待擠壓材料，并開始加載使主沖頭加壓，模具的另一側通道采用堵頭進行封閉，當材料充滿通道后，堵頭在材料壓力作用下逐步向后移動，當主沖頭運動至直徑較大的空腔的底部時，對輔助沖頭加載使其進入轉角通道，直至材料完全實現轉角；然后將堵頭撤除，模具翻轉并使沖頭對準經過擠壓的材料，重復上述步驟3~5次。該方法結合了往復擠壓方法和等通道轉角擠壓方法的優(yōu)勢，操作簡單，效果可靠。
文檔編號C22F1/04GK102936707SQ201210472229
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月21日 優(yōu)先權日2012年11月21日
發(fā)明者陳剛, 趙玉濤, 張振亞, 謝俊 申請人:江蘇大學