阅读说明：本技术 一种制备块体超细晶材料的复合挤压模具与方法 (Composite extrusion die and method for preparing block ultrafine crystal material ) 是由 石凤健 王浩 徐玉松 项宏福 王超 王雷刚 谭昊天 刘莹雪 于 2020-04-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种制备块体超细晶材料的复合挤压模具,包括挤压凸模和挤压凹模,所述挤压凹模中开设挤压通道,该挤压通道由入口通道、正挤压锥角区、正挤压工作带区和出口通道依次拼接构成,所述挤压凸模和入口通道的横截面一致,均为l×w的矩形,所述正挤压工作带的横截面为w×w的矩形,所述正挤压锥角区在入口通道和正挤压工作带之间形成过渡,所述出口通道的横截面形状尺寸与入口通道相同,位向不同,还公开了制备块体超细晶材料的方法。所提出的复合挤压模具与方法将正挤压与变截面转角挤压相结合,通过合理控制模具结构参数,可以使挤出坯料的横截面尺寸与挤压前的坯料尺寸一致,从而实现坯料的重复挤压,优化材料组织与性能。(The invention discloses a composite extrusion die for preparing block ultrafine crystal materials, which comprises an extrusion male die and an extrusion female die, wherein an extrusion channel is arranged in the extrusion female die and is formed by sequentially splicing an inlet channel, a forward extrusion taper angle area, a forward extrusion working band area and an outlet channel, the cross sections of the extrusion male die and the inlet channel are consistent and are both l × w rectangles, the cross section of the forward extrusion working band is a w × w rectangle, the forward extrusion taper angle area forms transition between the inlet channel and the forward extrusion working band, the cross section of the outlet channel is the same in shape and size as those of the inlet channel and different in orientation, and a method for preparing the block ultrafine crystal materials is further disclosed.)

一种制备块体超细晶材料的复合挤压模具与方法

技术领域

本发明涉及金属材料挤压成形技术领域，尤其是涉及一种制备块体超细晶材料的复合挤压模具与方法。

背景技术

细化晶粒是强化金属材料的重要手段之一，当前，剧烈塑性变形(SPD)技术已被证实是细化晶粒的有效手段。一般来说，剧烈塑性变形程度的获得主要依赖于变形前后坯料的形状及尺寸基本保持不变，通过重复塑性变形，使材料晶粒细化，获得块体超细晶(UFG)材料，提高材料综合性能。常见的剧烈塑性变形技术包括等径角挤压(ECAP)、高压扭转(HPT)、累积叠轧(ARB)、多向锻造(MDF)、搅拌摩擦加工(FSP)、往复挤压(CEC)等。但上述技术也存在一些不足之处，如常规等径角挤压技术往往需要多道次重复变形，晶粒细化效率较低；高压扭转技术晶粒细化能力强，所制备的材料具有优异性能，但所制备的坯料尺寸较小，很难进行工业化应用。各国科技工作者一直在两方面推动剧烈塑性变形技术的工业化应用，一是将剧烈塑性变形技术与传统的轧制、挤压、拉拔等技术相结合，提高制备效率；二是将多种塑性变形技术相结合，实现单道次大变形量，减少变形道次，提高效率，甚至一次变形即可获得所需的细晶组织。

经过对现有文献的检索发现，M.H.Paydar等人在《Materials Letters》(2008，62：3266–3268)上发表的“Consolidation of Al particles through forward extrusion-equal channel angular pressing(FE-ECAP)”一文中直接将传统正挤压与等径角挤压组合在一个模具中，用于压实铝粉末，获得了比传统正挤压更为致密的块体细晶材料。各国学者又陆续提出了正挤压+两道次等径角挤压、正挤压+多个弯曲通道等技术，并通过一道次挤压成功制备了多种细晶镁合金，推动了剧烈塑性变形技术的进步。但目前基于正挤压的复合挤压技术普遍存在一个问题是挤压后坯料的截面积变小，不能进行重复变形，因此，主要应用于一些变形抗力较低的材料。但由于一道次变形程度不够或无法通过重复变形进一步细化组织，在一些材料中存在组织及性能不均匀现象。

发明内容

发明目的：为了克服背景技术的不足，本发明第一目的是公开一种基于正挤压且可重复变形的制备块体超细晶材料的复合挤压模具；第二目的是公开采用该复合挤压模具制备块体超细晶材料的方法。

技术方案：本发明的制备块体超细晶材料的复合挤压模具，包括挤压凸模和挤压凹模，所述挤压凹模中开设挤压通道，该挤压通道由入口通道、正挤压锥角区、正挤压工作带区和出口通道依次拼接构成，所述挤压凸模和入口通道的横截面一致，均为l×w的矩形，所述正挤压工作带的横截面为w×w的矩形，所述正挤压锥角区在入口通道和正挤压工作带之间形成过渡，所述出口通道的横截面形状尺寸与入口通道相同，位向不同。

挤压时，将待压坯料放入入口通道中，挤压凸模放置在所述挤压凹模的入口通道中，置于坯料的上端，控制挤压凸模往下压。

进一步的，所述挤压凹模的入口通道横截面长度与宽度之比应满足所述l/w≤2，以使挤压后的坯料更好地充填出口通道，恢复到挤压前的形状。

进一步的，所述入口通道与出口通道之间的夹角Φ满足60°≤Φ≤120°，使坯料既能顺利挤出出口通道又能产生足够大的单道次变形量。

进一步的，所述正挤压工作带区与出口通道的拼接转角的内外侧采用圆角或者倒角过渡，以降低坯料内的拉应力和变形载荷。

一种制备块体超细晶材料的方法，采用上述的制备块体超细晶材料的复合挤压模具，包括以下步骤：

步骤一、对坯料进行预备热处理，提高材料塑性，降低变形抗力，并对坯料和挤压通道进行清理和润滑；

步骤二、将坯料放入入口通道中，控制挤压凸模将坯料向下挤压直至进入出口通道，坯料横截面尺寸由l×w变为w×w，再变回l×w；

步骤三、挤压凸模收回，重新放入一块坯料，控制挤压凸模将坯料向下挤压，直至挤出第一块坯料；

步骤四、将挤出的坯料旋转方向，对坯料和挤压凹模入口通道重新进行润滑，重复步骤二和三，挤压至所需变形道次。

优选的，考虑到坯料室温变形抗力较大或塑性较差时，可对坯料、挤压凸模和挤压凹模均进行加热，再进行温挤压或热挤压。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：首先，本发明所提出的复合挤压模具与方法将正挤压与变截面转角挤压相结合，通过合理控制模具结构参数，可以使挤出坯料的横截面尺寸与挤压前的坯料尺寸一致，从而实现坯料的重复挤压，优化材料组织与性能；其次，正挤压与变截面转角挤压相结合，其单道次变形程度比常规等径角挤压更大，可减少重复变形道次。材料先进行正挤压后经过转角处剪切变形，其变形方式与常规等径角挤压也不相同，丰富了材料组织调控的手段；再而，模具通道截面尺寸、正挤压锥角区结构参数、入口通道与出口通道之间的夹角以及变截面转角挤压转角处内外侧圆角大小均可进行调整，可用于不同截面尺寸及材料的变形，通过对坯料及模具加热还可以实现温挤压和热挤压，适用范围广。

附图说明

图1是本发明复合挤压模具三维视图；

图2是本发明挤压凹模内挤压通道结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1和图2所示的制备块体超细晶材料的复合挤压模具，包括挤压凸模1和挤压凹模2，所述挤压凹模2中开设挤压通道，该挤压通道由入口通道201、正挤压锥角区202、正挤压工作带区203和出口通道204依次拼接构成，所述挤压凸模1和入口通道201的横截面一致，均为l×w的矩形，所述正挤压工作带203的横截面为w×w的矩形，所述正挤压锥角区202为一个上底为w×w，下底为l×w的梯形柱结构，在入口通道201和正挤压工作带203之间形成过渡，所述出口通道204的横截面形状尺寸与入口通道201相同，位向不同，使原长宽尺寸实现交换。

所述挤压凹模2的入口通道横截面长度l与宽度w之比应满足所述l/w≤2，所述入口通道201与出口通道204之间的夹角Φ满足60°≤Φ≤120°。所述正挤压工作带区203与出口通道204的拼接转角的内外侧采用圆角或者倒角过渡。

挤压时，坯料3由挤压通道的入口通道201进入，在挤压凸模1的挤压下，由入口通道201依次经过正挤压锥角区202、正挤压工作带区203进入出口通道204，坯料3的长宽尺寸实现交换。

一种制备块体超细晶材料的方法，采用上述的制备块体超细晶材料的复合挤压模具，模具通道截面尺寸、正挤压锥角区结构参数、入口通道与出口通道之间的夹角以及变截面转角挤压转角处内外侧圆角大小均可根据不同尺寸和材料的坯料进行调整。

包括以下步骤：

步骤一、对坯料3进行预备热处理，提高材料塑性，降低变形抗力，虑到坯料室温变形抗力较大或塑性较差时，可对坯料3、挤压凸模1和挤压凹模2均进行加热，并对坯料3和挤压通道进行清理和润滑；

步骤二、将坯料3放入入口通道201中，将挤压凹模2固定装配在挤压机上，将挤压凸模1连接固定到挤压机的动力设备端，控制挤压凸模1下行，将坯料3向下挤压，坯料3在进入正挤压锥角区202后，横截面尺寸由l×w变为w×w，经过正挤压锥角区202的正挤压后，经过正挤压工作带区203转角处剪切变形，当坯料3前端挤入出口通道204后，其横截面尺寸恢复为l×w，即完成了第一次的挤压变形；

步骤三、控制挤压凸模1收回，重新放入一块坯料3，控制挤压凸模1将坯料3向下挤压，直至将第一块坯料3从出口通道204挤出；

步骤四、将挤出的坯料3旋转方向，对坯料3和挤压凹模2入口通道201重新进行润滑，重复步骤二和三，挤压至所需变形道次，从而实现坯料的重复挤压，优化材料组织与性能。