CN114749505B - 一种叠层异构合金板材的制备系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种叠层异构合金板材的制备系统和方法。包括如下步骤:(1)制备镁合金板和钛合金板;(2)复合挤压:采用外接加热装置的非等通道T型转角挤压模具,将镁合金板和钛合金板并列竖直放置的T型通道的竖直通道内、且将钛合金板放置在靠近T型通道出口一侧,对模具和通道内的合金进行加热,上、下两端同时挤压得到一级钛镁复合板材;(3)循环挤压:一级钛镁复合板材进行切割、休整,取另一块相同厚度的镁合金板材,重复步骤(2);(4)重复步骤(2)‑(3),得到多层钛镁复合板材,将多层钛镁复合板材进行热处理之后,进行热轧,得到叠层异构钛镁合金板材。本发明提供了一种新的制备异构板材的方法,且制备的板材性能良好。
Description
技术领域
本发明属于材料制备领域,具体涉及一种叠层异构合金板材的制备系统和方法。
背景技术
镁合金是以镁为基体加入其他元素组成的合金,是目前实际应用中最轻的金属结构材料,具有密度小、强度高、阻尼性、切削加工性和铸造性能好的优点,然而常规镁合金比较软,承力比较差。钛合金则具有较高的强度,但却有着塑性不高、回弹严重的缺点。所以如何有效结合好镁合金和钛合金各自的优点成为一个可以研究的方向。
叠层异构材料是将两种或多种力学性能差异较大的金属材料通过压力复合的方式交替结合在一起。变形过程中各组元之间相互协调变形,产生显著的异变诱导强化效应,可以提高材料的加工硬化能力和强塑性匹配。经过文献检索发现,中国发明专利CN112877641A介绍了“一种Ti-Mg纳米多层合金薄膜及其制备方法”,其原理是将钛和镁金属作为靶材,使用多弧离子镀技术实现多层膜交替沉积,通过调整工艺参数,以及Ti层和Mg层相对沉积时间,制备出Ti-Mg纳米多层结构的合金薄膜。其Ti-Mg纳米多层薄膜的厚度为692.5nm-1.248μm。这种方法的特点在于:(1)Ti-Mg纳米多层合金薄膜的多层结构可通过调整沉积工艺参数来灵活调控;(2)制得的多层薄膜具有良好的结构均匀性,组织较为致密。其局限性在于:(1)镀膜前准备工序包括多弧离子镀设备抽真空、清洗单晶硅、弧光清洗靶材、调整靶材位置、开始镀膜并且钛靶和镁靶交替沉积等多道工序,操作繁琐,生产效率低,尺寸较小;(2)所制得的多层薄膜完整性无法保证。
进一步检索发现,中国发明专利CN113458400A介绍了“一种Ti-Al3Ti金属间化合物叠层复合板制备方法”,其原理是将Ti-Al3C2引入传统Ti-Al3Ti金属间化合物叠层复合板的界面层,经过热压烧结,Ti、Al之间互相扩散,最终在Ti与Al3Ti界面处形成含有Ti-Al3C2/Al3Ti相的过渡界面层。该技术的特点是:(1)制备时可以通过调整复合粉末中Al粉与Ti-Al3C2粉的比例以及复合粉末层的厚度来实现不同大小的Ti板Al3Ti与之间的界面处硬度梯度;(2)工艺流程简单,思路清晰易懂。但该技术也存在以下缺点:(1)真空热压烧结对设备和成本要求比较高;(2)本实验设计方案只针对特定成分金属材料,有局限性;(3)热压烧结之前需要对材料进行较为繁琐预处理,时间较长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种叠层异构合金板材的制备系统和方法。
实现本发明目的的技术解决方案为:一种叠层异构钛镁合金板材的制备方法,包括如下步骤:
步骤(1):制备尺寸相同的镁合金板和钛合金板,表面预处理;
步骤(2):复合挤压:采用外接加热装置的非等通道T型转角挤压模具,将镁合金板和钛合金板并列竖直设置的T型通道的竖直通道内、且将钛合金板放置在靠近T型通道出口一侧,对模具和通道内的合金进行加热,上、下两端同时挤压得到一级钛镁复合板材;
步骤(3):循环挤压:对步骤(2)得到的一级钛镁复合板材进行切割、休整,取另一块相同厚度的镁合金板材,重复步骤(2);
步骤(4):重复步骤(2)-(3),得到所需的多层钛镁复合板材,将多层钛镁复合板材进行热处理之后,进行热轧,得到叠层异构钛镁合金板材。
进一步的,步骤(1)中镁合金和钛合金的尺寸具体为:长10~100mm,厚度2~20mm,宽度为厚度的两倍。
进一步的,表面预处理具体为:采用除油、酸洗清理表面杂质及氧化物,然后利用砂轮对板材表面进行打磨。
进一步的,非等通道T型转角挤压模具的T型通道的入口和出口均为正方形,且出口的横截面积小于入口的横截面积。
进一步的,步骤(2)“对模具和通道内的合金进行加热,上、下两端同时挤压得到一级钛镁复合板材”具体的工艺参数为:加热温度范围为200~470℃,保温时间20~30min,挤压速度为1~3mm/s,两端压头施加压力为500~2000MPa。
进一步的,步骤(4)中的热处理具体为:加热温度为350~450℃,保温时间为5-30min;
步骤(4)中的累积热轧变形量为10~90%。
进一步的所述的方法用于制备除钛镁复合板材外的其他叠层异构合金板材。
进一步的,用于制备叠层异构铜铌板材。
一种叠层异构钛镁合金板材,采用上述的方法制备。
一种制备叠层异构合金板材的系统,包括挤压子系统,热处理子系统和轧制子系统;
所述挤压子系统包括外接加热装置的非等通道T型转角模具和压头,用于生成多层复合板材;
所述热处理子系统用于对多层复合板材进行热处理;
所述轧制子系统用于对热处理后的多层复合板材进行轧制。
本发明与现有技术相比,其显著优点在于:
(1)本发明通过循环复合挤压可以得到具有多晶粒尺度和非均匀层厚的叠层异构镁钛合金板材,其中,动态再结晶的镁合金塑性好;钛合金层在该温度下热轧不会发生动态再结晶,形成具有较高位错密度的变形态钛合金强度高,具有良好的综合力学性能,缓解了强度和塑性的矛盾关系。
(2)本发明通过改变待挤压板材的摆放位置、循环挤压的次数,可以灵活地调节各合金层的厚度,获得多种多样的微观结构样式。
(3)模具结构简单,模具型腔形状可根据材料的性能和生产需要进行调整,模具加热方便,易于控制加工温度,调整工艺参数。
附图说明
图1为本发明的转角挤压装置内部结构示意图;
图2为本发明的复合挤压流程示意图;
图3为本发明热轧流程示意图;
图4为复合挤压后的金属薄板的微观结构示意图。
附图标记说明:
1-上压头,2-下压头,3-上作用口,4-下作用口,5-挤压出口,6-挤压通道,7-外接加热装置,8-镁合金层,9-钛合金层,10-热处理炉,11-轧辊,12-镁钛合金薄板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1所示的“T”型转角挤压装置对复合的镁钛合金进行多次循环挤压,得到非均匀层厚叠层异构金属板材。该挤压装置主要由T型转角挤压设备和外接加热装置组成。其中挤压设备主要包含T型通道和两端压头。T型通道的两端进料口为b*b的正方形,出料口为b/2*b/2的正方形,为非等通道转角挤压,两端压头最大可以施加5t的压力。外接加热装置可以对模具和通道内的合金进行加热,其最高温度为900℃。由于出料口内径小于两端进料口,所以在挤压过程中,这种非等通道转角挤压方式与传统等通道转角挤压相比,可以给样品施加更大的应变量,并且样品还会受到来自挤压通道内的切应力以及出口通道内的挤压力,有利于异种板材之间的结合。除此之外,在循环挤压过程中可以获得非均匀厚度的片层,灵活调控各组元片层的厚度。最后,对循环挤压得到的非均匀层厚的叠层异构镁钛合金坯料进行热轧变形,一方面改善坯料表面光洁度,提高界面的结合能力;另一方面利用镁合金和钛合金在热轧变形过程中的不同微观结构响应,得到同时具有多晶粒尺度和非均匀层厚的叠层异构镁钛合金板材。其中镁合金片层经过热轧变形发生动态再结晶,塑性好;钛合金层在该温度下热轧不会发生动态再结晶,形成具有较高位错密度的变形结构,强度高。最终,这种叠层异构镁钛合金可以具有优异的综合力学性能。
一种叠层异构钛镁合金板材的制备方法,包括表面预处理、复合挤压、循环挤压、异构化热轧四步工序,具体包括以下步骤:
第一步,表面预处理:利用电火花线切割将待挤压的镁合金和钛合金板材切割成一定尺寸,宽度和厚度为2~20mm,长度为10~100mm然后进行表面预处理,通过除油、酸洗等方式清理表面杂质及氧化物,并利用砂轮对金属板材表面进行打磨。
第二步,复合挤压:将预处理完毕后的镁钛合金板材放入挤压模具通道内,左侧放入镁合金板材,右侧放入钛合金板材,两者紧贴并置于挤压通道内,将压头安装入两端进料口中。打开装置的加热系统,在控制面板上设置对应温度后对通道内的镁和钛合金进行加热,保温一段时间后,两端压头同时开始进行热挤压,使合金被挤进右侧通道,其中加热温度范围为200~470℃,保温时间20~30min,挤压速度为1~3mm/s,两端压头施加压力为500~2000Mpa,如图2所示。
第三步,循环挤压:从出料口取出经第一道挤压得到的叠层胚料,利用电火花线切割休整胚料的边缘,使其成规则形状的块体,取另一块相同厚度的镁合金板材,对两者进行步骤一的表面预处理后,将其作为待挤压的样品,重复步骤二的热挤压,如图2所示。
第四步,异构化热轧:经过多次步骤一至步骤三的操作,得到多层非等厚的叠层异构镁钛合金坯料,之后对坯料进行一定温度的热轧,热轧之前将坯料放入指定温度的热处理炉中保温一段时间,经过多道次轧制后得到具有多晶粒尺度和非均匀层厚的叠层异构镁钛合金板材,如图3所示。其中热轧温度为350~450℃,保温时间5-30min,累积热轧变形量为10~90%,轧制得到的产品如图4所示。
本发明的制备方法主要利用:(1)通过电火花线切割和表面预处理得到待挤压的镁合金和钛合金块体材料;(2)利用设计的进料口和出料口不等径的挤压设备对两种合金材料进行复合挤压和循环挤压,得到非均匀层厚的叠层异构镁钛合金坯料;(3)通过对叠层异构镁钛合金坯料进行异构化热轧得到同时具有多晶粒尺度和非均匀层厚的叠层异构镁钛合金。
实施例1
选择工业纯钛和AZ31镁合金为待挤压材料
(1)表面预处理:利用电火花线切割将待挤压的工业纯钛和AZ31镁合金切割成长度为50mm,底面为10mm*5mm的立方块体,并进行表面预处理,通过除油、酸洗等方式清理表面杂质及氧化物,并利用砂轮对金属板材表面进行打磨,得到多块同等大小的镁合金和钛合金块材。
(2)将预处理完毕后的镁钛合金板材放入进料口为10mm*10mm,出料口为5mm*5mm的挤压通道内,左侧放入AZ31镁合金块材,右侧放入工业纯钛块材,两者紧贴并置于挤压通道内,将压头分别放入两端进料口中,打开装置的加热系统,在控制面板上设置加热温度为400℃,对模具以及通道内的镁、钛合金进行加热,达到指定温度后保温30min,然后两端压头同时对板材进行热挤压,直到合金完全被挤进右侧通道,挤压速度为2mm/s,压头施加压力为800MPa。
(3)循环挤压:从出料口取出经第一道挤压得到叠层坯料,利用电火花线切割修整坯料的边缘,使其成规则形状的块体,取另一块50mm*10mm*5mm的AZ31镁合金块材,对两者进行步骤一的表面预处理后,将其作为待挤压的样品,重复步骤二的热挤压。
(4)异构化热轧:经过2次步骤一~步骤三的循环操作,得到7层非等厚的叠层异构镁钛合金坯料,之后对坯料进行一定400℃的热轧,热轧之前将坯料放入指定温度的热处理炉中保温10min,经过多道次轧制累积变形量为50%,得到总厚度为2.5mm的叠层异构镁钛合金板材。
实施例2
选择工业纯钛和AZ31镁合金为待挤压材料
(1)表面预处理:利用电火花线切割将待挤压的工业纯钛和AZ31镁合金切割成长度为50mm,底面为10mm*5mm的立方块体,并进行表面预处理,通过除油、酸洗等方式清理表面杂质及氧化物,并利用砂轮对金属板材表面进行打磨,得到多块同等大小的镁合金和钛合金块材。
(2)将预处理完毕后的镁钛合金板材放入进料口为10mm*10mm,出料口为5mm*5mm的挤压通道内,左侧放入AZ31镁合金块材,右侧放入工业纯钛块材,两者紧贴并置于挤压通道内,将压头分别放入两端进料口中,打开装置的加热系统,在控制面板上设置加热温度为450℃,对模具以及通道内的镁、钛合金进行加热,达到指定温度后保温30min,然后两端压头同时对板材进行热挤压,直到合金完全被挤进右侧通道,挤压速度为3mm/s,压头施加压力为1600MPa。
(3)循环挤压:从出料口取出经第一道挤压得到叠层坯料,利用电火花线切割修整坯料的边缘,使其成规则形状的块体,取另一块50mm*10mm*5mm的AZ31镁合金块材,对两者进行步骤一的表面预处理后,将其作为待挤压的样品,重复步骤二的热挤压。
(4)异构化热轧:经过2次步骤一~步骤三的循环操作,得到7层非等厚的叠层异构镁钛合金坯料,之后对坯料进行一定450℃的热轧,热轧之前将坯料放入指定温度的热处理炉中保温20min,经过多道次轧制累积变形量为50%,得到总厚度为2.5mm的叠层异构镁钛合金板材。
实施例3
选择99.99%的工业纯铜和纯铌为待挤压材料
(1)表面预处理:利用电火花线切割将待挤压的工业纯铜和纯铌切割成长度为50mm,底面为10mm*5mm的立方块体,并进行表面预处理,通过除油、酸洗等方式清理表面杂质及氧化物,并利用砂轮对金属板材表面进行打磨,得到多块同等大小的纯铜和纯铌块材。
(2)将预处理完毕后的铜铌板材放入进料口为10mm*10mm,出料口为5mm*5mm的挤压通道内,左侧放入纯铜块材,右侧放入纯铌块材,两者紧贴并置于挤压通道内,将压头分别放入两端进料口中,打开装置的加热系统,在控制面板上设置加热温度为700℃,对模具以及通道内的铜、铌合金进行加热,达到指定温度后保温30min,然后两端压头同时对板材进行热挤压,直到合金完全被挤进右侧通道,挤压速度为1mm/s,压头施加压力为400MPa。
(3)循环挤压:从出料口取出经第一道挤压得到叠层坯料,利用电火花线切割修整坯料的边缘,使其成规则形状的块体,取另一块50mm*10mm*5cm的纯铜块材,对两者进行步骤一的表面预处理后,将其作为待挤压的样品,重复步骤二的热挤压。
(4)异构化热轧:经过2次步骤一~步骤三的循环操作,得到7层非等厚的叠层异构铜铌合金坯料,之后对坯料进行一定550℃的热轧,热轧之前将坯料放入指定温度的热处理炉中保温10min,经过多道次轧制累积变形量为50%,得到总厚度为2.5mm的叠层异构铜铌板材。
Claims (4)
1.一种叠层异构钛镁合金板材的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤(1):制备尺寸相同的镁合金板和钛合金板,表面预处理;
步骤(2):复合挤压:采用外接加热装置的非等通道T型转角挤压模具,将镁合金板和钛合金板并列竖直设置在T型通道的竖直通道内、且将钛合金板放置在靠近T型通道出口一侧,对模具和通道内的合金进行加热,上、下两端同时挤压得到一级钛镁复合板材;
步骤(3):对步骤(2)得到的一级钛镁复合板材进行切割、修整,取另一块相同厚度的镁合金板材;
步骤(4):重复步骤(2)-(3),得到所需的多层钛镁复合板材,将多层钛镁复合板材进行热处理之后,进行热轧,得到具有多晶粒尺度和非均匀层厚的叠层异构钛镁合金板材;
步骤(1)中镁合金和钛合金的尺寸具体为:长10~100mm,厚度2~20mm,宽度为厚度的两倍;
表面预处理具体为:采用除油、酸洗清理表面杂质及氧化物,然后利用砂轮对板材表面进行打磨;
非等通道T型转角挤压模具的T型通道的入口和出口均为正方形,且出口的横截面积小于入口的横截面积;
步骤(2)“对模具和通道内的合金进行加热,上、下两端同时挤压得到一级钛镁复合板材”具体的工艺参数为:加热温度范围为200~470℃,保温时间20~30min,挤压速度为1~3mm/s,两端压头施加压力为500~2000MPa;
步骤(4)中的热处理具体为:加热温度为350~450℃,保温时间为5-30min;
步骤(4)中的累积热轧变形量为10~90%。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,用于制备除钛镁复合板材外的其他叠层异构合金板材。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,用于制备叠层异构铜铌板材。
4.一种叠层异构钛镁合金板材,其特征在于,采用权利要求1所述的方法制备。
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