高性能镁铝合金变截面挤扭复合加工装置及其制备工艺
阅读说明：本技术 高性能镁铝合金变截面挤扭复合加工装置及其制备工艺 (High-performance magnesium-aluminum alloy variable cross-section extrusion-torsion composite processing device and preparation process thereof ) 是由 王利飞 薛亮亮 李永峭 芦鹏彬 潘晓锾 王永祥 王红霞 于 2021-07-28 设计创作，主要内容包括：高性能镁铝合金变截面挤扭复合加工装置及其制备工艺,本发明属于镁合金成形技术领域,用于细化镁合金材料晶粒和弱化镁合金织构,本发明包括加热保温罩以及设置于加热保温罩中的挤压杆、上凹模、紧固凹模、下凹模和滑动底座,上凹模中设置模腔Ⅰ,下凹模中设有模腔Ⅱ,模腔Ⅰ包括引导模腔和变截面挤压模腔,模腔Ⅱ包括导出模腔和挤扭模腔。本发明由多级挤压扭转通道构成,通过变截面挤压技术,螺旋挤扭以及等通道转角挤压技术的复合加工方法连续引入不同的剪切变形,促进晶粒细化和织构弱化。另外,可滑动底座和可相对位移的下凹模使得在扭挤过程中变形通道产生变化,进而使得镁合金坯料产生流速差进一步细化晶粒和弱化织构。(The invention relates to a high-performance magnesium-aluminum alloy variable-section extrusion-torsion composite processing device and a preparation process thereof, belonging to the technical field of magnesium alloy forming and used for refining magnesium alloy material grains and weakening magnesium alloy textures. The invention is composed of multi-stage extrusion and torsion channels, and different shearing deformations are continuously introduced by a composite processing method of a variable cross-section extrusion technology, a spiral extrusion and torsion technology and an equal channel corner extrusion technology, so that the grain refinement and the texture weakening are promoted. In addition, the sliding base and the lower concave die capable of relatively moving enable the deformation channel to change in the twisting process, and further enable the magnesium alloy blank to generate flow speed difference to further refine grains and weaken texture.)
技术领域
本发明属于镁合金成形技术领域，具体涉及的是高性能镁铝合金变截面挤扭复合加工装置及其制备工艺。
背景技术
镁合金具有重量轻、比强度高、电磁屏蔽性能好且不易老化、热疲劳性和抗振性能好、可降解、环保可回收利用等特点，它是代替钢铁，工程塑料，铝合金等的优良材料，被广泛应用在航空航天、数码3C、军事工业、医疗器械和交通运输等领域。但由于镁是密排六方结构，室温下独立滑移系较少，表现出成形能力差、强度不满足使用要求的特点。晶粒细化和织构弱化被证实是能够显著提高金属材料强度及塑性等综合性能的方法，进而被广泛应用。剧烈塑性变形可以在变形过程中引入大的变形量，从而有效的细化晶粒和弱化织构，是目前镁合金获得优异的力学性能和使用性能的有效方法，其代表性工艺有等通道转角挤压（ECAP）、高压扭转(HPT)、累积叠轧法（ARB）和多向锻造。
然而当前一般剧烈塑性变形技术还存在着一定的局限性，如等通道转角挤压，镁合金坯料尺寸非常有限，且不能连续进行生产；累积叠轧技术可以将厚板轧制成为尺寸较大的薄板，有效细化晶粒，但是出现组织结构梯度变化。因此，亟待发明一种新型镁合金大尺寸镁合金坯料晶粒细化、织构弱化且连续化生产的加工工艺及方法。
发明内容
针对背景技术中所述的不足，本发明的目的是提供一种细化镁合金材料晶粒和弱化镁合金织构的高性能镁铝合金变截面挤扭复合加工装置及其制备工艺，达到制备高性能镁合金材料的目的，从而促进镁合金的产业化应用，扩大镁合金的应用范围。
本发明的设计构思为：由多级挤压扭转通道构成，通过变截面挤压技术，螺旋挤扭以及等通道转角挤压技术的复合加工方法连续引入不同的剪切变形，促进晶粒细化和织构弱化。另外，可滑动底座和可相对位移的下凹模使得在扭挤过程中变形通道产生变化，进而使得镁合金坯料产生流速差进一步细化晶粒和弱化织构。
为了解决上述问题，本发明的技术方案为：
高性能镁铝合金变截面挤扭复合加工装置，它包括加热保温罩以及设置于加热保温罩中的挤压杆、上凹模、紧固凹模、下凹模和滑动底座，所述下凹模包括左侧下凹模和右侧下凹模，其中：
所述加热保温罩的前侧面设置填料窗，加热保温罩的顶面上设置通孔，挤压杆的上端贯穿通孔与立式液压挤压机连接；所述滑动底座的上表面上设置有滑槽，滑槽中设置有滑块；所述下凹模设置于滑动底座的上方，下凹模的上方设置紧固凹模，紧固凹模的上方固定设置上凹模；所述左侧下凹模固定设置在滑动底座的上方，并且左侧下凹模固定设置在紧固凹模的下方，横跨左侧下凹模的外壁和右侧下凹模的外壁之间设置滑杆，滑块推动右侧下凹模沿滑槽和滑杆相对于左侧下凹模滑动；在所述紧固凹模下檐的内侧壁上位于紧固凹模与右侧下凹模的外壁之间设置限位杆，限位杆与右侧下凹模的外壁之间的间距为1~2mm，限位杆上套装硬质弹簧；
所述上凹模中设置模腔Ⅰ，下凹模中设有模腔Ⅱ，紧固凹模的心部设置有过渡连接孔；所述模腔Ⅰ包括引导模腔和变截面挤压模腔，引导模腔的上端延伸至上凹模的外部，挤压杆的下端插装于引导模腔中，并且挤压杆横截面的形状与引导模腔横截面的形状相同，挤压杆将待成形物料填充于引导模腔中并挤压成形；所述变截面挤压模腔设置于引导模腔的下方，引导模腔和变截面挤压模腔相互连通，引导模腔的内壁与变截面挤压模腔的内壁平滑过渡连接；所述模腔Ⅱ包括导出模腔和挤扭模腔，挤扭模腔的上端贯穿过渡连接孔与变截面挤压模腔的下端连通，挤扭模腔的横截面积小于变截面挤压模腔上端横截面面积，挤扭模腔的下端沿着挤压方向向上弯曲90°，并且挤扭模腔下端的纵截面相对于挤扭模腔上端的横截面扭转角度θ=90°、120°、150°或者180°；所述滑块和右侧下凹模下方形成的空腔为导出模腔，导出模腔水平设置，挤扭模腔的下端的内壁与导出模腔的内壁平滑过渡连接。
进一步地，所述左侧下凹模和右侧下凹模模腔内壁表面粗糙度不同，右侧下凹模的粗糙度和滑块的表面粗糙度不同。
进一步地，根据实际要求，所述变截面挤压模腔的横截面设置为正n边形形状，其中n为大于2的偶数。
进一步地，所述滑杆通过紧固螺钉固定安装在左侧下凹模的侧壁上。
进一步地，所述引导模腔的下方依次通过挤压模腔、过渡段模腔与变截面挤压模腔连通。
进一步地，所述引导模腔为长方体结构，引导模腔的高度为50mm，引导模腔横截面的尺寸为长40 mm *宽30mm。
进一步地，所述变截面挤压模腔的形状为上大下小的四棱台，变截面挤压模腔下端横截面的尺寸为长30 mm *宽30mm。
进一步地，所述导出模腔为长方体形状，导出模腔纵截面的尺寸为长30 mm *宽30mm。
高性能镁铝合金变截面挤扭复合加工装置的制备工艺，包括以下步骤：
S1、安装模具：将变截面挤扭复合加工装置安装在立式液压挤压机上，挤压杆的上端与挤压机压台连接，并使挤压杆的轴线方向与引导模腔的轴线方向共线；
S2、若干镁合金坯料预处理：
首先，镁合金坯料外表面用600目的砂纸进行打磨，去除油污，随后依次使用1000目、1200目以及2500目砂纸进行打磨，使镁合金坯料表面清洁、光滑；然后，将丙酮与无水乙醇按照体积比为3:2配制超声波清洗液，将打磨后的镁合金坯料放入超声波清洗液中清洗30min；最后，取出镁合金坯料，用无水乙醇清洗后用吹风机冷风吹干；
S3、若干镁合金坯料预热：开启真空气氛加热炉，预设温度为300℃-450℃，达到预设温度后将步骤S2预处理后的若干镁合金坯料放置于加热炉中保温1-4h；
S4、模具预热：开启加热保温罩，对挤扭复合挤压装置进行预热，预热温度设为300℃-450℃，达到预定温度后继续保温1-4h，保持恒定温度；
S5、镁合金坯料装填：首先，立式液压挤压机驱动挤压杆向上运动退出引导模腔；其次，取出步骤S3预热后的第一块镁合金坯料，并在第一块镁合金坯料表面涂抹耐高温石墨油液，然后将第一块镁合金坯料置于引导模腔内；再次，立式液压挤压机驱动挤压杆贯穿通孔伸入引导模腔内，直至挤压杆的下端面刚刚接触第一块镁合金坯料为止；最后，再次开启加热保温罩，升温至300℃-450℃后保温2-4h；
S6、镁合金坯料挤压成形：首先，立式液压挤压机驱动挤压杆向下运动，挤压杆挤压第一块镁合金坯料由引导模腔进入变截面挤压模腔；其次，立式液压挤压机驱动挤压杆向上运动至引导模腔的上方，然后取出步骤S3预热后的第二块镁合金坯料，并在第二块镁合金坯料表面涂抹耐高温石墨油液，将第二块镁合金坯料置于引导模腔内；再次，立式液压挤压机驱动挤压杆向下运动，挤压杆挤压第二块镁合金坯料由引导模腔进入变截面挤压模腔，此时变截面挤压模腔中的第一块镁合金坯料由变截面挤压模腔挤压入挤扭模腔；最后，以此类推，第一块镁合金坯料由挤扭模腔进入导出模腔，镁合金坯料在滑动底座上随滑块一起向右滑动，直至从导出模腔挤出；
S7、重复上述步骤S5~S6，若干镁合金坯料依次经模腔Ⅰ与模腔Ⅱ挤扭复合成形；
S8、拆除上下凹模，取出未成形的镁合金坯料留待后续继续加工，取出挤扭复合成形后的镁合金坯料，用砂纸对其外表面打磨后放置于超声波清洗液中清洗30min，最后取出镁合金坯料并用无水乙醇清洗后用吹风机冷风吹干，制得高性能细晶镁铝合金。
与现有技术相比本发明的有益效果为：
本发明提供的高性能镁铝合金变截面挤扭复合加工装置及其制备工艺，镁合金坯料经过了多次变截面挤压扭转变形，变形过程中引入了大量的剪切变形，相较于常规使用镁合金，其平均晶粒尺寸大大减小，细化晶粒效果明显，同时织构也显著弱化。此外滑动底座和可滑动凹模以及硬质弹簧的设计可以减小挤压过程中镁合金坯料与凹模之间的摩擦力，同时给镁合金坯料一个背压力，使变形与获得的组织更均匀。
本发明针对镁合金强度较低、塑性较差的情况，将不同剧烈塑性变形技术相结合，实现模具通道复合变形，采用变截面挤压、螺旋扭挤以及转角挤压技术的复合加工方法，结合滑动凹模和滑块底座设计，使得镁合金材料经历连续性剧烈塑性变形的加工，镁合金坯料变形均匀，晶粒不断得到细化，织构显著弱化，挤出材料组织均匀，强度、塑性显著增加。本发明中所设计的挤压模具可通过设计更换变截面挤压通道的形状，实现基于正n边形变截面的挤压变形。通过调整引入螺旋扭转角度，当n与θ数值变化时，变形过程的挤压力，模腔通道，材料形状和显微组织等发生变化，实现需求变形量的挤扭加工，其结构简单，加工工艺容易，适用范围广，设备成本较低，具有非常良好的大规模化应用前景。合理设计相关尺寸规格及技术参数，可实现镁合金坯料的连续复合剧烈塑性变形生产加工，有效提高镁合金的强度和塑性等。本发明除了可用于镁合金的晶粒细化和织构弱化外，铝以及其他的有色金属也可以产生同样的效果。
附图说明
图1为本发明中组合式凹模结构示意图；
图2为本发明中变截面挤扭复合加工装置的结构示意图；
图3为滑动底座的侧视结构示意图；
图4为左侧下凹模和滑动底座装配结构示意图；
图5为实施例一中整体挤扭模腔的示意图；
图6为图5中挤扭模腔（横截面为正方形）及其垂直于轴线的横截面示意图；
图7为实施例二中整体挤扭模腔的示意图；
图8为实施例三中整体挤扭模腔的示意图；
图9为图8挤扭模腔（横截面为正六边形）及其垂直于轴线的横截面示意图。
其中，1-挤压杆；2-上凹模；3-加热保温罩；4-紧固凹模；5-滑杆；6-紧固螺钉；7-左侧下凹模；8-滑动底座；9-导出模腔；10-挤扭模腔；11-右侧下凹模；12-限位杆；13-变截面挤压模腔；14-引导模腔；15-挤压模腔；16-过渡段模腔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
实施例一
如图1至图6所示的高性能镁铝合金变截面挤扭复合加工装置，它包括加热保温罩3以及设置于加热保温罩3中的挤压杆1、上凹模2、紧固凹模4、下凹模和滑动底座8，所述下凹模包括左侧下凹模7和右侧下凹模11，其中：
所述加热保温罩3的前侧面设置填料窗，加热保温罩3的顶面上设置通孔，挤压杆1的上端贯穿通孔与立式液压挤压机连接；所述滑动底座8的上表面上设置有滑槽，滑槽中设置有滑块；所述下凹模设置于滑动底座8的上方，下凹模的上方设置紧固凹模4，紧固凹模4的上方固定设置上凹模2；所述左侧下凹模7固定设置在滑动底座8的上方，并且左侧下凹模7固定设置在紧固凹模4的下方，横跨左侧下凹模7的外壁和右侧下凹模11的外壁之间设置滑杆5，滑杆5通过紧固螺钉6固定安装在左侧下凹模7的侧壁上，滑块推动右侧下凹模11沿滑槽和滑杆5相对于左侧下凹模7滑动；在所述紧固凹模4下檐的内侧壁上位于紧固凹模4与右侧下凹模11的外壁之间设置限位杆12，限位杆12与右侧下凹模11的外壁之间的间距为1mm，限位杆12上套装硬质弹簧；
所述上凹模2中设置模腔Ⅰ，下凹模中设有模腔Ⅱ，紧固凹模4的心部设置有过渡连接孔；所述模腔Ⅰ包括引导模腔14和变截面挤压模腔13，所述引导模腔14为长方体结构，引导模腔14的高度为50mm，引导模腔14横截面的尺寸为长40 mm *宽30mm；所述变截面挤压模腔13的形状为上大下小的四棱台，变截面挤压模腔13的横截面为正方形，变截面挤压模腔13下端横截面的尺寸为长30 mm *宽30mm；引导模腔14的上端延伸至上凹模2的外部，挤压杆1的下端插装于引导模腔14中，并且挤压杆1横截面的形状与引导模腔14横截面的形状相同，挤压杆1选用3Cr2W8V材料制造，挤压杆1横截面的尺寸为长40 mm *宽30mm，挤压杆1外壁与引导模腔14内壁之间的间隙设置为0.02mm，挤压杆表面粗糙度为Ra：0.16μm，挤压速度设为10mm/s，挤压杆1将待成形物料填充于引导模腔14中并挤压成形；所述变截面挤压模腔13设置于引导模腔14的下方，引导模腔14和变截面挤压模腔13相互连通，引导模腔14的内壁与变截面挤压模腔13的内壁平滑过渡连接；所述模腔Ⅱ包括导出模腔9和挤扭模腔10，所述导出模腔9为长方体形状，导出模腔9纵截面的尺寸为长30 mm *宽30mm；挤扭模腔10的上端贯穿过渡连接孔与变截面挤压模腔13的下端连通，挤扭模腔10的横截面积小于变截面挤压模腔13上端横截面面积，挤扭模腔10的下端沿着挤压方向向上弯曲90°，并且挤扭模腔10下端的纵截面相对于挤扭模腔10上端的横截面扭转角度θ=90°；所述滑块和右侧下凹模11下方形成的空腔为导出模腔9，导出模腔9水平设置，挤扭模腔10的下端的内壁与导出模腔9的内壁平滑过渡连接。
当坯料从引导模腔进入变截面挤压模腔时，由于模腔不断变化的横截面，坯料产生较大的剪切变形促进了晶粒细化，同时也使得织构弱化；随着挤压杆的下行，坯料进入挤扭模腔，挤扭通道在产生扭转变形的同时，通道本身也产生转角，在这种复合模腔的作用下，坯料将产生剧烈的塑性变形，同时由于右侧下凹模的相对滑动以及其与左侧下凹模粗糙度不同的内表面使得坯料两端产生流速差，其中靠近右侧下凹模的坯料流动速度v1小于靠近左侧下凹模的流动速度v2（v1:v2=1:1.2），这样就促进晶粒更加细化，同时也引入了剪切变形使得织构进一步弱化；坯料从挤扭模腔进入导出模腔时，坯料可随滑块向右平稳滑动，由于滑块和右侧下凹模组成的模腔粗糙度不同，再一次引入剪切变形，促进晶粒的细化和织构的弱化。滑块的存在也使得坯料在导出通道的导出更加顺畅，同时也让坯料的取出更加方便。本发明装置多次引入大的剪切变形，使得坯料在经历多次变形后晶粒尺寸明显细化，织构也显著弱化，力学性能大幅提升。
进一步地，所述左侧下凹模7和右侧下凹模11模腔内壁表面粗糙度不同，右侧下凹模11的粗糙度和滑块的表面粗糙度不同。
本实施例一中：多次变截面挤扭复合加工模具，挤压凹模模具和滑座材料因温挤压选择为4Cr5MoSiV，上凹模形式采用常见的两层组合凹模，凹模结构示意如图1所示，设计相对应通道宽度d1=50mm，内层凹模直径d2=200mm，d3=6d1=300mm，角度γ为2.0°。挤压采用温挤压，挤压模腔及传动机构内部模腔表面光滑，除右侧下凹模外其余凹模模腔的粗糙度为Ra：0.16μm，右侧下凹模模腔成型面的粗糙度为Ra：0.4μm。
本实施例一中精选材料、化学试剂：AZ31镁合金块体坯料；砂纸：SiC，600目，1000目，1200目，2500目各2张；高温石墨润滑油溶液：C，30ml；无水乙醇：99.5%浓度，1200ml；丙酮：99%浓度，800ml。
高性能镁铝合金变截面挤扭复合加工装置的制备工艺，包括以下步骤：
S1、安装模具：将变截面挤扭复合加工装置安装在立式液压挤压机上，挤压杆1的上端与挤压机压台连接，并使挤压杆1的轴线方向与引导模腔14的轴线方向共线；
S2、若干镁合金坯料预处理：
首先，镁合金坯料外表面用600目的砂纸进行打磨，去除油污，随后依次使用1000目、1200目以及2500目砂纸进行打磨，使镁合金坯料表面清洁、光滑；然后，将丙酮与无水乙醇按照体积比为3:2配制超声波清洗液，将打磨后的镁合金坯料放入超声波清洗液中清洗30min；最后，取出镁合金坯料，用无水乙醇清洗后用吹风机冷风吹干；
S3、若干镁合金坯料预热：开启真空气氛加热炉，预设温度为300℃，达到预设温度后将步骤S2预处理后的若干镁合金坯料放置于加热炉中保温4h；
S4、模具预热：开启加热保温罩3，对挤扭复合挤压装置进行预热，预热温度设为300℃，达到预定温度后继续保温1h，保持恒定温度；
S5、镁合金坯料装填：首先，立式液压挤压机驱动挤压杆1向上运动退出引导模腔14；其次，取出步骤S3预热后的第一块镁合金坯料，并在第一块镁合金坯料表面涂抹耐高温石墨油液，然后将第一块镁合金坯料置于引导模腔14内；再次，立式液压挤压机驱动挤压杆1贯穿通孔伸入引导模腔14内，直至挤压杆1的下端面刚刚接触第一块镁合金坯料为止；最后，再次开启加热保温罩3，升温至300℃后保温2h；
S6、镁合金坯料挤压成形：首先，立式液压挤压机驱动挤压杆1向下运动，挤压杆1挤压第一块镁合金坯料由引导模腔14进入变截面挤压模腔13；其次，立式液压挤压机驱动挤压杆1向上运动至引导模腔14的上方，然后取出步骤S3预热后的第二块镁合金坯料，并在第二块镁合金坯料表面涂抹耐高温石墨油液，将第二块镁合金坯料置于引导模腔14内；再次，立式液压挤压机驱动挤压杆1向下运动，挤压杆1挤压第二块镁合金坯料由引导模腔14进入变截面挤压模腔13，此时变截面挤压模腔13中的第一块镁合金坯料由变截面挤压模腔13挤压入挤扭模腔10；最后，以此类推，第一块镁合金坯料由挤扭模腔10进入导出模腔，镁合金坯料在滑动底座上随滑块一起向右滑动，直至从导出模腔9挤出；
S7、重复上述步骤S5~S6，若干镁合金坯料依次经模腔Ⅰ与模腔Ⅱ挤扭复合成形；
S8、拆除上下凹模，取出未成形的镁合金坯料留待后续继续加工，取出挤扭复合成形后的镁合金坯料，用砂纸对其外表面打磨后放置于超声波清洗液中清洗30min，最后取出镁合金坯料并用无水乙醇清洗后用吹风机冷风吹干，制得高性能细晶镁铝合金。
实施例二
如图7所示，镁合金坯料采用6063铝合金，整体挤扭通道在实施例一的基础上增加了挤压模腔15和过渡段模腔16，引导模腔14的下方依次通过挤压模腔15、过渡段模腔16与变截面挤压模腔13连通。引导模腔14和挤压模腔15交界处的截面为第一长方形截面，6063铝合金坯料经过挤压模腔15后，长边a由40mm缩为30mm，短边b由30mm扩为40mm，过渡段模腔16和变截面挤压模腔13交界处的截面为第二长方形截面，进行与实施例1相同工序，经变截面挤压模腔13和螺旋扭挤加转角挤压复合型腔后导出，铝合金坯料经多道次剪切变形后，晶粒得到充分细化，织构显著弱化，材料性能得到提升。
实施例三
如图8和图9所示，坯料采用7075铝合金。整体挤压通道的横截面变为正六边形，正六边形的内接圆半径为20mm，同时挤扭模腔的横截面沿挤压方向引入θ=120°的扭转。本实施例三中除n和θ均与实施例一、实施例二均不同外，其余与实施例一均相同，由于模腔与7075铝合金坯料接触的面不同，坯料在每次变形过程中受到的剪切变形量也有所改变，所以在多次剪切变形后，晶粒细化和织构弱化的程度都与上述实施例不同。但是经过多次累计的剪切变形后，晶粒会明显细化，织构也显著弱化，力学性能得以提升，应用范围得以扩大。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。