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，本發明的特點是通過不斷旋轉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，細化后的納米晶粒晶界角度大的等軸納米晶粒，通過調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性能得到進一步提高，保證高密度的前提下兼有高的強度和良好的韌性。
【專利說明】
三角度等通道擠壓制備納米鈦合金材料的方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種制備大塊鈦合金納米材料的方法及模具，尤其是涉及一種實現三種角度等通道連續擠壓工藝及模具。
技術領域
[0002]鈦是20世紀50年代發展起來的一種重要的結構金屬，鈦合金因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領域。通過在鈦金屬中添加其它元素可做成鈦基合金及復合材料。鈦合金性能優良，儲量豐富，比強度高和耐腐蝕性好，世界上許多國家都已認識到鈦合金材料的重要性，并對其進行研究開發，并得到了實際應用。目前鈦及鈦合金在航空、航天、艦船、兵器、核能等領域有著廣泛的用途。航空航天工業是其主要消費領域，但是鈦合金的切削加工性能很差，特別是加工復雜飛機結構件零件，成品率很低，這就導致鈦合金產品加工、制作成本較高，而且航空航天領域中，性能是首先要考慮的問題，而其它因素如價格等則排在第二位，所以適合于此領域應用的鈦合金往往具有優異的性能，因此，在傳統冶金基礎上進一步開發高強度的鈦合金具有重要的戰略意義和應用價值。超塑性加工對提高鈦合金的成品率具有重要的作用。細晶合金會在低溫下顯示出超塑性，而劇烈塑性變形是制備超細晶材料的有效方法，該方法能夠制備塊狀致密的材料，工藝簡單，成本低廉，提高了材料利用率。傳統的等通道彎角工藝是細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現材料晶粒的細化，但不同道次之間需要人工操作，浪費了時間，如果將其設計成連續通道，一次擠壓便可實現傳統工藝雙倍的效果，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度塊體納米材料，根據Hall-Pech希爾-佩其公式，可知晶粒尺寸越小，材料的強度越高，可知，材料的強度與變形量具有一定關系，同時材料變形均勻程度對材料的使用價值具有重要影響，因此，開發相關多角度等通道擠壓工藝裝備，可以實現通過不斷旋轉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，細化后的納米晶粒晶界角度大的等軸納米晶粒，通過調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性能得到進一步提高，保證高密度的前提下兼有高的強度和良好的韌性。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是:針對上述存在的技術問題，提供一種通過不斷旋轉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，細化后的納米晶粒晶界角度大的等軸納米晶粒，通過調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性能得到進一步提高，保證高密度的前提下兼有高的強度和良好的韌性。
[0005]本發明是通過如下技術方案來實現:
本發明所提供的鈦合金材料以鈦、鋁、鉬和釩為組元進行熔煉制坯，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化程度和晶粒均勻程度的納米鈦合金材料，本發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，包括坯料的準備過程和熱擠壓旋轉成形過程，兩個相應的階段。
[0006]坯料的準備過程主要包括將熔煉獲得的鈦合金擠壓坯料進行切割制備、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，對難變形的鈦合金進行擠壓，同時通過不斷旋轉三角度等通道擠壓模具，可實現鈦合金材料的反復塑性變形，同時采用具有補償空間的模具結構，通過背壓頂桿對毛坯施加背壓，可避免毛坯頭部產生高低不平的現象。同時對三角度等通道擠壓模具施加預應力，保證擠壓順利進行，通過提高三角度等通道擠壓模具壽命。
[0007]本發明實現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，及相應頂桿和預應力夾具裝置，同時，通過旋轉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，實現60°、90°和120°模具拐角的等通道擠壓工藝。
[0008]采用此種方案，通過旋轉三角度等通道擠壓模具熱擠壓成形方法可反復擠壓鈦合金坯料，同時采用背壓頂桿能保證鈦合金擠壓件不僅橫截面尺寸不變，同時擠壓件幾何形狀也不會改變。該新工藝可以實現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，同時預應力夾緊裝置能提高模具的使用壽命，而且可實現鈦合金納米材料制備的自動化。作為本發明的一種改進，坯料出口采用背壓頂桿，在擠壓機或液壓機上通過三角度等通道擠壓模具反復選擇擠壓成形，最終獲得具有納米等軸組織的大塊鈦合金材料。
[0010]本發明的有益效果是:在擠壓過程中通過旋轉三角度等通道擠壓模具，可實現鈦合金材料的反復塑性變形，實現鈦合金晶粒納米化，同時通過改變旋轉三角度模具通道的方向，可以實現保證鈦合金晶粒呈等軸分布，因此，細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，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，既實現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域。
【附圖說明】
[0011 ]下面是結合附圖和實施例對本發明的具體實施方案進行詳細地說明。
[0012]圖1是本發明加工工藝簡略示意圖；圖2是本發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]上述圖中的標記為:
圖2為本發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.旋轉凹模，4.預應力夾具，5.頂桿，6.背壓頂桿，7.預應力夾具底座。
[0015]圖3為本發明三角度等通道擠壓模具擠壓模具及附屬裝置圖的1.旋轉螺桿，2.固定預應力夾板，3.背壓頂桿，4.旋轉凹模，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。
【具體實施方式】
[0016]圖1是本發明加工工藝簡略示意，1.首先進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，對難變形的鈦合金進行擠壓，同時通過不斷旋轉三角度等通道擠壓模具，可實現鈦合金材料的反復塑性變形，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:將處理好的鈦合金坯料放入三角度等通道擠壓模具型腔，通過頂桿運作機構使頂桿4與頂桿6上行；2.擠壓一次:凸模下行，當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，同時背壓桿在水平模具通道型腔對坯料實施背壓后隨凸模上行時回位，凸模完成一個行程，將凸模上行，同時順時針旋轉三角度等通道擠壓模具；3.同時順時針旋轉三角度等通道擠壓模具90°后:可實現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，逆時針旋轉三角度等通道擠壓模具180°，此時，將頂桿4與凸模I在凹模型腔的位置進行互換，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，通過頂桿運作機構使頂桿4與頂桿5上行，凸模完成一個行程，將凸模上行，同時背壓桿在水平模具通道型腔對坯料實施背壓后隨凸模上行時回位;3.三角度等通道擠壓模具順時針旋轉60°，可實現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:通過頂桿運作機構使頂桿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，同時背壓桿在水平模具通道型腔對坯料實施背壓后隨凸模上行時回位，凸模完成一個行程，將凸模上行，同時順時針旋轉三角度等通道擠壓模具;3.同時逆時針旋轉三角度等通道擠壓模具120°后:可實現鈦合金材料的第二次塑性變形。通過上述示意圖，可知該模具能夠實現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，當凸模和坯料接觸擠壓開始，通過三角度模具通道進行擠壓，同時背壓桿在水平模具通道型腔對坯料實施背壓后隨凸模上行時回位;3.凸模完成一個行程，將凸模上行，同時順時針旋轉三角度等通道擠壓模具，可實現鈦合金材料的第二次塑性變形，此時凸模完成第二個行程，同時背壓桿在水平模具通道型腔對坯料實施背壓后隨凸模上行時回位;4.凸模完成第二個個行程，再將凸模上行，同時逆時針旋轉三角度等通道擠壓模具，可實現鈦合金材料的第三次塑性變形，同時背壓桿在水平模具通道型腔對坯料實施背壓后隨凸模上行時回位;5.凸模完成第三個個行程，再將凸模上行，同時順時針旋轉三角度等通道擠壓模具，可實現鈦合金材料的第四次塑性變形，同時背壓桿在水平模具通道型腔對坯料實施背壓后隨凸模上行時回位;6.最終取出鈦合金擠壓件。
[0021]本發明所采用的三角度等通道擠壓模具結構，均可采用現有技術，本發明并不局限于上述所列舉的具體實施形式，凡本領域技術人員不經過創造性勞動所能得到的改進，均屬于本發明的保護范圍內。
[0022]本發明所需設備為機械擠壓機或液壓機。
【主權項】
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.根據權利要求1所述的三角度等通道擠壓制備納米鈦合金材料的方法，其特征是本發明所提供的鈦合金材料以鈦、鋁、鉬和釩為組元進行熔煉制坯，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.根據權利要求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性能得到進一步提高，保證高密度的前提下兼有高的強度和良好的韌性。4.根據權利要求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，將處理好的鈦合金坯料放入三角度等通道擠壓模具型腔，通過頂桿運作機構使頂桿4與頂桿6上行；擠壓一次:凸模下行，當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，同時背壓桿在水平模具通道型腔對坯料實施背壓后隨凸模上行時回位，凸模完成一個行程，將凸模上行，同時順時針旋轉三角度等通道擠壓模具；同時順時針旋轉三角度等通道拉拔模具90°后:可實現鈦合金材料的第二次塑性變形。5.根據權利要求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，逆時針旋轉三角度等通道拉拔模具180°，此時，將頂桿4與凸模I在凹模型腔的位置進行互換，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，通過頂桿運作機構使頂桿4與頂桿5上行，凸模完成一個行程，將凸模上行，同時背壓桿在水平模具通道型腔對坯料實施背壓后隨凸模上行時回位;三角度等通道擠壓模具順時針旋轉60°，可實現鈦合金材料的第二次塑性變形。6.根據權利要求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:通過頂桿運作機構使頂桿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，同時背壓桿在水平模具通道型腔對坯料實施背壓后隨凸模上行時回位，凸模完成一個行程，將凸模上行，同時順時針旋轉三角度等通道擠壓模具；同時逆時針旋轉三角度等通道拉拔模具120°后:可實現鈦合金材料的第二次塑性變形。7.根據權利要求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】C22F1/18GK105951018SQ201610419245
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月13日
【發明人】徐淑波, 劉鵬, 景財年, 任國成, 林曉娟, 范小紅, 許榮福
【申請人】山東建筑大學