超細/納米晶金屬及其短流程大變形制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于金屬加工技術領域，具體涉及一種超細/納米晶金屬的短流程大變形 制備方法及利用本方法制備的超細/納米晶金屬。
【背景技術】
[0002] 在金屬材料的強化方式中，細晶強化是唯一能夠同時提高金屬材料強度和塑性的 方法。大塑性變形方法(Severe Plastic Deformat ion，SPD)通過強烈的塑性變形使得金屬 晶粒顯著細化，從而獲得超細晶/納米晶金屬材料，同時提高金屬材料的強度和塑性，因此 備受國內外研究人員關注。現有的大塑性變形方法有等通道轉角擠壓變形(Equal Channel Angular Pressing，ECAP)、累積疊乳（Accumulative Roll Bonding，ARB)、高壓扭轉（High pressure torsion，HPT)和多向鍛造（Multi-directional Forging，MDF)等。
[0003] ECAP是研究最為廣泛和最具代表性的一種SPD方法，該方法使金屬材料通過截面 尺寸、形狀相同并互成一定角度的通道，在通道拐角處發生剪切變形，經過多道次的累積變 形量達到細化晶粒的目的，但是該方法存在模具壽命短、工藝復雜、單道次變形量小、成材 率低等問題，限制了 ECAP的廣泛應用;ARB是通過將兩層或多層經過表面處理的金屬板材疊 在一起，并在一定溫度下進行乳制，使其界面焊合，經過多道次的疊片、乳制、焊合從而細化 金屬晶粒，但該方法難以解決界面結合問題，制品的厚度也受到限制，無法廣泛應用于超細 晶/納米晶金屬材料的制備;HPT通過對試樣軸向施加很高的靜水壓力，并使其旋轉，通過摩 擦力對試樣橫截面施加扭矩，試樣在軸向壓力下發生切向扭轉剪切變形，從而實現晶粒細 化，但該方法很難制備出大尺寸的超細晶/納米晶金屬材料，成材率低，而且該方法得到的 超細晶/納米晶金屬材料的強度和塑性較差;MDF通過不斷改變外加軸向載荷，試樣不斷地 被壓縮和拉長，反復變形實現晶粒細化，但該方法工藝穩定性差，制品組織不均勻。
[0004] 綜上，已有的超細晶/納米晶金屬材料的制備方法普遍存在工藝復雜、流程長、成 本高、產品尺寸受限等問題，亟需開發出工藝流程短、成本低的超細晶/納米晶金屬材料的 制備方法。
【發明內容】
[0005] 為了解決上述技術問題，本發明提供一種超細/納米晶金屬及其短流程大變形的 制備方法-累積連續擠壓法，金屬桿單道次內經過的變形包括搓動剪切變形、ECAP變形和擴 展擠壓變形，進行多道次擠壓變形后制得所述超細/納米晶金屬，本發明單道次金屬變形量 大，金屬材料晶粒得到顯著細化，并且能夠連續制備長度不受限、斷面尺寸可變的超細/納 米晶金屬材料。
[0006] 本發明是這樣實現的，根據本發明的一個方面，提供了一種超細/納米晶金屬，所 述超細/納米晶金屬是通過將金屬桿喂入連續流變擠壓機，金屬桿依次發生搓動剪切變形、 等通道轉角擠壓變形和擴展擠壓變形后得到單道次擠壓變形的金屬桿，將單道次擠壓變形 的金屬桿再次喂入連續流變擠壓機進行擠壓變形，多次重復該過程制備而成。
[0007] 根據本發明的另外一個方面，提供了一種超細/納米晶金屬短流程大變形的制備 方法，包括如下步驟：
[0008] 1)制備金屬桿，采用連續流變擠壓的方法將熔融金屬原料制備為金屬桿；
[0009] 2)累積連續擠壓，將步驟1)中制備好的金屬桿喂入連續流變擠壓機中，金屬桿依 次發生搓動剪切變形、等通道轉角擠壓變形和擴展擠壓變形后，得到單道次擠壓變形的金 屬桿，將單道次擠壓變形的金屬桿再次喂入連續流變擠壓機，重復進行搓動剪切變形、等通 道轉角擠壓變形和擴展擠壓變形，多次重復該過程對金屬桿進行多道次擠壓變形，制得超 細/納米晶金屬。
[0010] 進一步地，步驟1)中制備金屬桿包括如下過程：
[0011] a)熔融金屬原料的制備，將所要制備為超細/納米晶金屬的一種或多種金屬原料 進行配料熔煉，除氣除渣；
[0012] b)將步驟a)中制備的熔融金屬注入由表面帶有輪槽的擠壓輪和進料靴構成的封 閉型腔中，在所述擠壓輪槽表面摩擦力的作用下，封閉型腔中的熔融金屬不斷被向出口處 拖動，并在型腔中不斷凝固，在所述擠壓輪槽出口，液態熔融金屬演變為半固態金屬，在出 口安裝有擠壓模具，半固態金屬由擠壓模具擠壓成金屬桿。
[0013] 進一步地，制備方法中金屬桿的材料包括:鋁、鋁合金、鎂、鎂合金、銅、銅合金、鋅、 梓合金、欽、欽合金、銀、銀合金、鉛、鉛合金、媽、媽合金。
[0014]進一步地，所述搓動剪切變形過程為:所述金屬桿被喂入所述擠壓輪的擠壓輪槽 中，金屬桿在所述擠壓輪槽和擠壓靴組成的封閉型腔中受到擠壓輪槽側壁和擠壓靴方向相 反的摩擦力，金屬桿在封閉型腔中搓動剪切流動，發生搓動剪切變形。
[0015]進一步地，所述擠壓靴與擠壓輪有一定包角，該包角為45-270°。
[0016]進一步地，所述等通道轉角擠壓變形過程為:所述金屬桿在出口由沿擠壓輪槽流 動改為進入擴展擠壓型腔，在轉角位置剪切流動，發生等通道轉角擠壓變形。
[0017]進一步地，所述等通道轉角擠壓變形中轉角具體為:擠壓輪槽通道與擴展擠壓通 道在連接位置互成一定角度，兩通道連接位置轉角為30-150°。
[0018]進一步地，所述擴展擠壓變形過程為:經過所述等通道轉角擠壓變形后的金屬桿 經過擴展腔和擠壓模具，發生擴展擠壓變形。
[0019]進一步地，中間道次擠壓模具根據下一道次金屬桿尺寸確定;根據所述超細/納米 晶金屬制品最終形狀尺寸選擇最終道次的擠壓模具，以制備超細晶/納米晶管/棒/線/型 材。
[0020] 與現有技術相比，本發明的優點在于：
[0021 ] (1)單道次金屬變形量大，制備超細晶/納米晶金屬材料效率更高，單道次ACEF總 的等效應變e為：
[0023]式中Do為定徑帶直徑，Di為擴展腔最大直徑，〇為通道轉角，a為輪槽中搓動剪切變 形量，a在〇. 4~0.53之間，優選實驗設備參數為〇 =90°，Do= lOmnuDi = 25mm，a取〇. 4，單道 次ACEF等效應變為5.22，而傳統內轉角為90°、外轉角為30°的ECAP的等效應變為1.02，所以 一道次累積連續擠壓的等效應變量相當于5.12道次傳統ECAP的變形量，因此本發明提供的 方法實現了短流程大塑性變形，具有良好的晶粒細化效果；
[0024] (2)更換不同的終道次模具能夠得到不同截面形狀和尺寸的超細晶/納米晶金屬 材料，如管/棒/線/型材，應用范圍廣；
[0025] (3)制品長度不受限制，只要能夠不斷喂入金屬桿，本發明能夠制備無限長超細/ 納米晶金屬制品；
[0026] (4)工藝流程短，成本低，可廣泛應用于制備鋁、鋁合金、鎂、鎂合金、銅、銅合金、 鋅、鋅合金、鈦、鈦合金、銀、銀合金、鉛、鉛合金、鈣、鈣合金的超細/納米晶材料。
【附圖說明】
[0027]下面結合附圖及實施方式對本發明作進一步詳細的說明：
[0028]圖1為本發明提供的超細/納米晶金屬制備過程示意圖；
[0029]圖2-1為連續流變擠壓機中同時存在搓動剪切變形、等通道轉角擠壓變形和擴展 擠壓變形部分的放大圖；
[0030]圖2-2為金屬材料在擠壓輪槽和擠壓靴組成的封閉型腔中發生搓動剪切變形的受 力分析；
[0031]圖2-3為金屬材料等通道轉角擠壓變形分析；
[0032]圖2-4為金屬材料在擠壓模具中的受力分析；
[0033]圖3-1為Al_0.5Si(wt.%)合金進行累積連續擠壓前微觀組織圖；
[0034]圖3-2為Al_0.5Si(wt.%)合金進行累積連續擠壓后微觀組織圖。
【具體實施方式】
[0035]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面結合實施例，對本發明 進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發明，并不用于 限定本發明。
[0036]為了解決已有的超細/納米晶金屬材料的制備方法普遍存在工藝復雜、流程長、成 本高、產品尺