三角度等通道擠壓制備納米鈦合金材料的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種制備大塊鈦合金納米材料的方法及模具，尤其是涉及一種三角度等通道擠壓工藝及模具，本發(fā)明的特點(diǎn)是通過不斷旋轉(zhuǎn)三角度等通道擠壓模具，可以不更換新的模具，從而改變坯料通過三角度等通道擠壓模具的模具拐角，三種模具角度依次為60°、90°和120°，通過旋轉(zhuǎn)三角度等通道擠壓模具可以改變鈦合金的變形均勻程度和變形大小，最終能夠獲得要求的變形均勻度和變形量，獲得晶粒尺寸均勻，細(xì)化后的納米晶粒晶界角度大的等軸納米晶粒，通過調(diào)整三角度等通道擠壓模具的模具拐角，可獲得變形分布均勻程度和大小不同的鈦合金坯料，擠壓后的鈦合金的力學(xué)性能得到進(jìn)一步提高，保證高密度的前提下兼有高的強(qiáng)度和良好的韌性。
【專利說明】
三角度等通道擠壓制備納米鈦合金材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種制備大塊鈦合金納米材料的方法及模具，尤其是涉及一種實(shí)現(xiàn)三種角度等通道連續(xù)擠壓工藝及模具。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]鈦是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，鈦合金因具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)而被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。通過在鈦金屬中添加其它元素可做成鈦基合金及復(fù)合材料。鈦合金性能優(yōu)良，儲(chǔ)量豐富，比強(qiáng)度高和耐腐蝕性好，世界上許多國家都已認(rèn)識(shí)到鈦合金材料的重要性，并對(duì)其進(jìn)行研究開發(fā)，并得到了實(shí)際應(yīng)用。目前鈦及鈦合金在航空、航天、艦船、兵器、核能等領(lǐng)域有著廣泛的用途。航空航天工業(yè)是其主要消費(fèi)領(lǐng)域，但是鈦合金的切削加工性能很差，特別是加工復(fù)雜飛機(jī)結(jié)構(gòu)件零件，成品率很低，這就導(dǎo)致鈦合金產(chǎn)品加工、制作成本較高，而且航空航天領(lǐng)域中，性能是首先要考慮的問題，而其它因素如價(jià)格等則排在第二位，所以適合于此領(lǐng)域應(yīng)用的鈦合金往往具有優(yōu)異的性能，因此，在傳統(tǒng)冶金基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)高強(qiáng)度的鈦合金具有重要的戰(zhàn)略意義和應(yīng)用價(jià)值。超塑性加工對(duì)提高鈦合金的成品率具有重要的作用。細(xì)晶合金會(huì)在低溫下顯示出超塑性，而劇烈塑性變形是制備超細(xì)晶材料的有效方法，該方法能夠制備塊狀致密的材料，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，提高了材料利用率。傳統(tǒng)的等通道彎角工藝是細(xì)化晶粒較為有效地劇烈塑性變形方法，能夠通過多道次的擠壓實(shí)現(xiàn)材料晶粒的細(xì)化，但不同道次之間需要人工操作，浪費(fèi)了時(shí)間，如果將其設(shè)計(jì)成連續(xù)通道，一次擠壓便可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝雙倍的效果，這樣不但提高了工作效率，改善了材料塑性，也降低了材料生產(chǎn)成本。
[0003]通過球磨法可以獲得納米材料，但通過獲得材料具有微孔隙。通過化學(xué)氣相沉積法也可獲得納米材料，但多為化合物，很難制備塊體納米金屬。通過劇烈塑性變形能夠獲得高強(qiáng)度塊體納米材料，根據(jù)Hall-Pech希爾-佩其公式，可知晶粒尺寸越小，材料的強(qiáng)度越高，可知，材料的強(qiáng)度與變形量具有一定關(guān)系，同時(shí)材料變形均勻程度對(duì)材料的使用價(jià)值具有重要影響，因此，開發(fā)相關(guān)多角度等通道擠壓工藝裝備，可以實(shí)現(xiàn)通過不斷旋轉(zhuǎn)三角度等通道擠壓模具，可以不更換新的模具，從而改變坯料通過三角度等通道擠壓模具的模具拐角，三種模具角度依次為60°、90°和120°，通過旋轉(zhuǎn)三角度等通道擠壓模具可以改變鈦合金的變形均勻程度，通過旋轉(zhuǎn)三角度等通道擠壓模具可以改變模具通道的模具拐角方向可以改變鈦合金的變形大小，最終能夠獲得要求的變形均勻度和變形量，獲得晶粒尺寸均勻，細(xì)化后的納米晶粒晶界角度大的等軸納米晶粒，通過調(diào)整三角度等通道擠壓模具的模具拐角，可獲得變形分布均勻程度和大小不同的鈦合金坯料，擠壓后的鈦合金的力學(xué)性能得到進(jìn)一步提高，保證高密度的前提下兼有高的強(qiáng)度和良好的韌性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是:針對(duì)上述存在的技術(shù)問題，提供一種通過不斷旋轉(zhuǎn)三角度等通道擠壓模具，可以不更換新的模具，從而改變坯料通過三角度等通道擠壓模具的模具拐角，三種模具角度依次為60°、90°和120°，通過旋轉(zhuǎn)三角度等通道擠壓模具可以改變鈦合金的變形均勻程度，通過旋轉(zhuǎn)三角度等通道擠壓模具可以改變模具通道的模具拐角方向可以改變鈦合金的變形大小，最終能夠獲得要求的變形均勻度和變形量，獲得晶粒尺寸均勻，細(xì)化后的納米晶粒晶界角度大的等軸納米晶粒，通過調(diào)整三角度等通道擠壓模具的模具拐角，可獲得變形分布均勻程度和大小不同的鈦合金坯料，擠壓后的鈦合金的力學(xué)性能得到進(jìn)一步提高，保證高密度的前提下兼有高的強(qiáng)度和良好的韌性。
[0005]本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
本發(fā)明所提供的鈦合金材料以鈦、鋁、鉬和釩為組元進(jìn)行熔煉制坯，其組成可用aT1-bAL-cMo-dV表示，其中a: 89-93，b: 2-5，c: 2-3，d: 3-6且a+b+c+d=100。具有納米鈦合金材料，其特殊之處是:其是以高強(qiáng)鈦合金或T1、Al、Mo、V系鈦合金作為基體材料，通過三角度等通道擠壓可制備不同晶粒細(xì)化程度和晶粒均勻程度的納米鈦合金材料，本發(fā)明提供一種三角度等通道擠壓制備納米鈦合金材料的方法，包括坯料的準(zhǔn)備過程和熱擠壓旋轉(zhuǎn)成形過程，兩個(gè)相應(yīng)的階段。
[0006]坯料的準(zhǔn)備過程主要包括將熔煉獲得的鈦合金擠壓坯料進(jìn)行切割制備、材料軟化退火、噴丸表面處理工藝和水洗工藝；熱擠壓過程是通過三角度等通道擠壓模具型腔的等通道彎角熱擠壓，對(duì)難變形的鈦合金進(jìn)行擠壓，同時(shí)通過不斷旋轉(zhuǎn)三角度等通道擠壓模具，可實(shí)現(xiàn)鈦合金材料的反復(fù)塑性變形，同時(shí)采用具有補(bǔ)償空間的模具結(jié)構(gòu)，通過背壓頂桿對(duì)毛坯施加背壓，可避免毛坯頭部產(chǎn)生高低不平的現(xiàn)象。同時(shí)對(duì)三角度等通道擠壓模具施加預(yù)應(yīng)力，保證擠壓順利進(jìn)行，通過提高三角度等通道擠壓模具壽命。
[0007]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)鈦合金擠壓變形的三角度等通道擠壓模具，包括三角度等通道擠壓凹模、凸模，及相應(yīng)頂桿和預(yù)應(yīng)力夾具裝置，同時(shí)，通過旋轉(zhuǎn)三角度等通道擠壓模具可以改變模具通道的模具拐角方向，實(shí)現(xiàn)60°、90°和120°模具拐角的等通道擠壓工藝。
[0008]采用此種方案，通過旋轉(zhuǎn)三角度等通道擠壓模具熱擠壓成形方法可反復(fù)擠壓鈦合金坯料，同時(shí)采用背壓頂桿能保證鈦合金擠壓件不僅橫截面尺寸不變，同時(shí)擠壓件幾何形狀也不會(huì)改變。該新工藝可以實(shí)現(xiàn)鈦合金材料組織的納米等軸化。
[0009]采用此種方案，不僅有利于保證鈦合金納米材料的幾何尺寸和形狀精度，同時(shí)預(yù)應(yīng)力夾緊裝置能提高模具的使用壽命，而且可實(shí)現(xiàn)鈦合金納米材料制備的自動(dòng)化。作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，坯料出口采用背壓頂桿，在擠壓機(jī)或液壓機(jī)上通過三角度等通道擠壓模具反復(fù)選擇擠壓成形，最終獲得具有納米等軸組織的大塊鈦合金材料。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:在擠壓過程中通過旋轉(zhuǎn)三角度等通道擠壓模具，可實(shí)現(xiàn)鈦合金材料的反復(fù)塑性變形，實(shí)現(xiàn)鈦合金晶粒納米化，同時(shí)通過改變旋轉(zhuǎn)三角度模具通道的方向，可以實(shí)現(xiàn)保證鈦合金晶粒呈等軸分布，因此，細(xì)化后的鈦合金是納米晶粒，而且是晶界角度大的等軸納米晶粒。同時(shí)，三角度等通道擠壓模具共有4處通道，在擠壓過程中除擠入和擠出兩條通道外，其它2處通道采用普通頂桿密封通道。三角度等通道擠壓模具通道拐角可以在60、90和120°三種角度之間選擇，選擇合適的通道拐角能夠有效降低擠壓載荷，既實(shí)現(xiàn)了塊狀鈦合金的納米化，又提高了模具的使用壽命，拓寬了劇烈塑性變形制備納米材料的領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0011 ]下面是結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)地說明。
[0012]圖1是本發(fā)明加工工藝簡(jiǎn)略示意圖；圖2是本發(fā)明三角度等通道擠壓模具擠壓示意圖，其中圖(a)為90°度等通道擠壓，(b)為60°度等通道擠壓，(c)為120°度等通道擠壓。
[0013]圖3為本發(fā)明三角度等通道擠壓模具擠壓模具及附屬裝置圖。
[0014]上述圖中的標(biāo)記為:
圖2為本發(fā)明三角度等通道擠壓模具擠壓示意圖的1.凸模，2.擠壓件毛坯，3.旋轉(zhuǎn)凹模，4.預(yù)應(yīng)力夾具，5.頂桿，6.背壓頂桿，7.預(yù)應(yīng)力夾具底座。
[0015]圖3為本發(fā)明三角度等通道擠壓模具擠壓模具及附屬裝置圖的1.旋轉(zhuǎn)螺桿，2.固定預(yù)應(yīng)力夾板，3.背壓頂桿，4.旋轉(zhuǎn)凹模，5.擠壓件毛坯，6.上模板，7.凸模墊板，8.凸模固定板，9凸模，10.固定螺釘，11.方塊螺母。
【具體實(shí)施方式】
[0016]圖1是本發(fā)明加工工藝簡(jiǎn)略示意，1.首先進(jìn)行鈦合金擠壓坯料的制備;2.材料軟化退火、噴丸表面處理工藝和水洗工藝;3.擠壓過程是通過三角度等通道擠壓模具擠壓，對(duì)難變形的鈦合金進(jìn)行擠壓，同時(shí)通過不斷旋轉(zhuǎn)三角度等通道擠壓模具，可實(shí)現(xiàn)鈦合金材料的反復(fù)塑性變形，擠壓過程中使用潤滑劑是二硫化鉬與石蠟的混合物，混合比例為2:1。
[0017]圖2是本發(fā)明三角度等通道擠壓模具擠壓示意圖:
(a)90°度等通道擠壓模具擠壓示意圖，1.三角度等通道模具處于90°擠壓初始狀態(tài):將處理好的鈦合金坯料放入三角度等通道擠壓模具型腔，通過頂桿運(yùn)作機(jī)構(gòu)使頂桿4與頂桿6上行；2.擠壓一次:凸模下行，當(dāng)凸模和坯料接觸擠壓開始，通過三角度等通道擠壓模具擠壓，同時(shí)背壓桿在水平模具通道型腔對(duì)坯料實(shí)施背壓后隨凸模上行時(shí)回位，凸模完成一個(gè)行程，將凸模上行，同時(shí)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)三角度等通道擠壓模具；3.同時(shí)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)三角度等通道擠壓模具90°后:可實(shí)現(xiàn)鈦合金材料的第二次塑性變形。
[0018](b)60°度等通道擠壓模具擠壓示意圖，1.在三角度等通道模具處于90°擠壓初始狀態(tài)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)三角度等通道擠壓模具180°，此時(shí)，將頂桿4與凸模I在凹模型腔的位置進(jìn)行互換，將處理好的鈦合金坯料放入三角度等通道擠壓模具型腔;2.擠壓一次:凸模下行，當(dāng)凸模和坯料接觸擠壓開始，通過三角度等通道擠壓模具擠壓，通過頂桿運(yùn)作機(jī)構(gòu)使頂桿4與頂桿5上行，凸模完成一個(gè)行程，將凸模上行，同時(shí)背壓桿在水平模具通道型腔對(duì)坯料實(shí)施背壓后隨凸模上行時(shí)回位;3.三角度等通道擠壓模具順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°，可實(shí)現(xiàn)鈦合金材料的第二次塑性變形。
[0019](c)120°度等通道擠壓模具擠壓示意圖，1.在三角度等通道模具處于90°擠壓初始狀態(tài):通過頂桿運(yùn)作機(jī)構(gòu)使頂桿4與頂桿6上行，將處理好的鈦合金坯料放入三角度等通道擠壓模具型腔；2.擠壓一次:凸模下行，當(dāng)凸模和坯料接觸擠壓開始，通過三角度等通道擠壓模具擠壓，同時(shí)背壓桿在水平模具通道型腔對(duì)坯料實(shí)施背壓后隨凸模上行時(shí)回位，凸模完成一個(gè)行程，將凸模上行，同時(shí)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)三角度等通道擠壓模具;3.同時(shí)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)三角度等通道擠壓模具120°后:可實(shí)現(xiàn)鈦合金材料的第二次塑性變形。通過上述示意圖，可知該模具能夠?qū)崿F(xiàn)三角度等通道擠壓模具擠壓制備納米鈦合金材料。
[0020]圖3是本發(fā)明的三角度等通道擠壓模具擠壓模具及附屬裝置:1.將處理好的鈦合金坯料放入三角度等通道擠壓模具型腔;2.凸模下行，當(dāng)凸模和坯料接觸擠壓開始，通過三角度模具通道進(jìn)行擠壓，同時(shí)背壓桿在水平模具通道型腔對(duì)坯料實(shí)施背壓后隨凸模上行時(shí)回位;3.凸模完成一個(gè)行程，將凸模上行，同時(shí)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)三角度等通道擠壓模具，可實(shí)現(xiàn)鈦合金材料的第二次塑性變形，此時(shí)凸模完成第二個(gè)行程，同時(shí)背壓桿在水平模具通道型腔對(duì)坯料實(shí)施背壓后隨凸模上行時(shí)回位;4.凸模完成第二個(gè)個(gè)行程，再將凸模上行，同時(shí)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)三角度等通道擠壓模具，可實(shí)現(xiàn)鈦合金材料的第三次塑性變形，同時(shí)背壓桿在水平模具通道型腔對(duì)坯料實(shí)施背壓后隨凸模上行時(shí)回位;5.凸模完成第三個(gè)個(gè)行程，再將凸模上行，同時(shí)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)三角度等通道擠壓模具，可實(shí)現(xiàn)鈦合金材料的第四次塑性變形，同時(shí)背壓桿在水平模具通道型腔對(duì)坯料實(shí)施背壓后隨凸模上行時(shí)回位;6.最終取出鈦合金擠壓件。
[0021]本發(fā)明所采用的三角度等通道擠壓模具結(jié)構(gòu)，均可采用現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明并不局限于上述所列舉的具體實(shí)施形式，凡本領(lǐng)域技術(shù)人員不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動(dòng)所能得到的改進(jìn)，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0022]本發(fā)明所需設(shè)備為機(jī)械擠壓機(jī)或液壓機(jī)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.三角度等通道擠壓制備納米鈦合金材料的方法，其特征是:提供一種通過不斷旋轉(zhuǎn)三角度等通道擠壓模具，可以不更換新的模具，從而改變坯料通過三角度等通道擠壓模具的模具拐角，三種模具角度依次為60°、90°和120°。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三角度等通道擠壓制備納米鈦合金材料的方法，其特征是本發(fā)明所提供的鈦合金材料以鈦、鋁、鉬和釩為組元進(jìn)行熔煉制坯，其組成可用aT1-bAL-cMo-dV 表示，其中 a: 89-93，b: 2-5，c: 2-3，d: 3-6 且 a+b+c+d=l 00。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三角度等通道擠壓制備納米鈦合金材料的方法，其特征是通過旋轉(zhuǎn)三角度等通道擠壓模具可以改變鈦合金的變形均勻程度，通過旋轉(zhuǎn)三角度等通道擠壓模具可以改變模具通道的模具拐角方向可以改變鈦合金的變形大小，最終能夠獲得要求的變形均勻度和變形量，獲得晶粒尺寸均勻，細(xì)化后的納米晶粒晶界角度大的等軸納米晶粒，擠壓后的鈦合金的力學(xué)性能得到進(jìn)一步提高，保證高密度的前提下兼有高的強(qiáng)度和良好的韌性。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三角度等通道擠壓制備納米鈦合金材料的方法，其特征是:三角度等通道模具處于90°擠壓初始狀態(tài)，將處理好的鈦合金坯料放入三角度等通道擠壓模具型腔，通過頂桿運(yùn)作機(jī)構(gòu)使頂桿4與頂桿6上行；擠壓一次:凸模下行，當(dāng)凸模和坯料接觸擠壓開始，通過三角度等通道擠壓模具擠壓，同時(shí)背壓桿在水平模具通道型腔對(duì)坯料實(shí)施背壓后隨凸模上行時(shí)回位，凸模完成一個(gè)行程，將凸模上行，同時(shí)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)三角度等通道擠壓模具；同時(shí)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)三角度等通道拉拔模具90°后:可實(shí)現(xiàn)鈦合金材料的第二次塑性變形。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三角度等通道擠壓制備納米鈦合金材料的方法，其特征是:在三角度等通道模具處于90°擠壓初始狀態(tài)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)三角度等通道拉拔模具180°，此時(shí)，將頂桿4與凸模I在凹模型腔的位置進(jìn)行互換，將處理好的鈦合金坯料放入三角度等通道擠壓模具型腔;擠壓一次:凸模下行，當(dāng)凸模和坯料接觸擠壓開始，通過三角度等通道擠壓模具擠壓，通過頂桿運(yùn)作機(jī)構(gòu)使頂桿4與頂桿5上行，凸模完成一個(gè)行程，將凸模上行，同時(shí)背壓桿在水平模具通道型腔對(duì)坯料實(shí)施背壓后隨凸模上行時(shí)回位;三角度等通道擠壓模具順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°，可實(shí)現(xiàn)鈦合金材料的第二次塑性變形。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三角度等通道擠壓制備納米鈦合金材料的方法，其特征是:在三角度等通道模具處于90°擠壓初始狀態(tài):通過頂桿運(yùn)作機(jī)構(gòu)使頂桿4與頂桿6上行，將處理好的鈦合金坯料放入三角度等通道擠壓模具型腔;擠壓一次:凸模下行，當(dāng)凸模和坯料接觸擠壓開始，通過三角度等通道擠壓模具擠壓，同時(shí)背壓桿在水平模具通道型腔對(duì)坯料實(shí)施背壓后隨凸模上行時(shí)回位，凸模完成一個(gè)行程，將凸模上行，同時(shí)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)三角度等通道擠壓模具；同時(shí)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)三角度等通道拉拔模具120°后:可實(shí)現(xiàn)鈦合金材料的第二次塑性變形。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三角度等通道擠壓制備納米鈦合金材料的方法，其特征是，其特征是:三角度等通道拉拔型腔共有4處通道，在擠壓過程中除擠入和擠出兩條通道外，其它2處通道采用普通頂桿密封通道。
【文檔編號(hào)】C22F1/18GK105951018SQ201610419245
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年6月13日
【發(fā)明人】徐淑波, 劉鵬, 景財(cái)年, 任國成, 林曉娟, 范小紅, 許榮福
【申請(qǐng)人】山東建筑大學(xué)