电流辅助作用下高强塑性镁合金薄板的制备装置及方法
阅读说明：本技术 电流辅助作用下高强塑性镁合金薄板的制备装置及方法 (Device and method for preparing high-strength plastic magnesium alloy sheet under current assistance ) 是由 聂慧慧 梁伟 刘群峰 李线绒 郑留伟 于 2021-07-13 设计创作，主要内容包括：本发明目的在于提供一种可以获得强度高、塑性好的镁合金薄板的电流辅助作用下高强塑性镁合金薄板的制备装置及方法,属于有色金属材料塑性变形及应用的技术领域,本发明在脉冲电流辅助作用下对轧制或挤压的镁合金薄板进行余弦微弯,随后将变形后的镁合金薄板放置在限制宽度的模具中进行压平,迫使镁合金薄板发生整体压缩变形以激发拉伸孪生变形系统启动,充分发挥脉冲电流的电致塑性效应以及促进拉伸孪晶形核的作用,进一步提高拉伸孪晶体积分数,在拉伸孪晶切割晶粒与脉冲电流共同诱导再结晶的作用下,得到主要由再结晶和拉伸孪晶组成的混合组织,最终获得强度高、塑性好的镁合金薄板。(The invention aims to provide a device and a method for preparing a high-strength plastic magnesium alloy sheet under the current auxiliary action of the magnesium alloy sheet with high strength and good plasticity, belonging to the technical field of plastic deformation and application of non-ferrous metal materials Magnesium alloy sheet with good plasticity.)
技术领域
本发明属于有色金属材料塑性变形及应用的技术领域，具体涉及一种电流辅助作用下高强塑性镁合金薄板的制备装置及方法。
背景技术
镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料，具有密度小，比强度和比刚度高，传热性好等优点，其冲压壳体构件在汽车、航空航天航海仪器和3C产品外壳等领域具有广阔的应用前景。然而，镁合金冲压毛坯薄板多通过轧制或挤压方法制备，基面织构显著，组织和性能各向异性明显，导致镁合金薄板强度不高、塑性成形性能差。
常规强塑性变形方式，如等通道挤压、累积轧制、高压扭转等都只能提高强度。外加电场能够提高金属材料的塑性变形能力、降低残余应力，目前应用于塑性变形过程中以省略后续热处理工序。因此，在细化晶粒的同时弱化基面织构是一种行之有效的同步提高镁合金薄板强度和塑性成形性能的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电流辅助作用下高强塑性镁合金薄板的制备装置及方法，最终获得强度高、塑性好的镁合金薄板。
本发明采用如下技术方案：
一种电流辅助作用下高强塑性镁合金薄板的制备装置，包括炉箱、控制系统、开合式压弯模具、开合式约束压直模具和用于生产高频电流的脉冲电源；
所述炉箱的上下两端对称设有上压头和下压头，上压头和下压头分别通过位于炉箱外侧的顶座和底座固定，上压头底部设有石墨垫板，上压头和下压头相对的另一端分别连接有上电极和下电极，上电极和下电极的一端分别通过导线和脉冲电源的正极和负极连接，开合式压弯模具或开合式约束压直模具位于石墨垫板和下压头之间，开合式压弯模具和开合式约束压直模具上分别设有热电偶插孔，热电偶插孔内设有热电偶；控制系统通过导线分别与脉冲电源、上电极、下电极、热电偶和炉箱连接。
所述开合式压弯模具包括上模Ⅰ和下模Ⅰ，上模Ⅰ和下模Ⅰ之间设有波浪形的型腔。
所述开合式约束压直模具包括上模Ⅱ和下模Ⅱ，上模Ⅱ和下模Ⅱ之间设有矩形的型腔，下模Ⅱ的两端分别设有挡板。
所述热电偶插孔分别位于下模Ⅰ和下模Ⅱ。
一种电流辅助作用下高强塑性镁合金薄板的制备方法，包括如下步骤：
第一步，根据模具选择镁合金薄板，将镁合金薄板放置在开合式压弯模具中进行装配；
第二步，将装配好的部件放置在高频脉冲作用的上电极和下电极之间通电，炉箱加热的同时施加载荷，对镁合金薄板进行压弯变形；
第三步，将弯曲变形的镁合金薄板放置在开合式约束压直模具中进行装配，将装配好的部件放置在高频脉冲作用的上电极和下电极之间通电，炉箱加热的同时施加载荷，对镁合金薄板进行约束压直。
进一步地，第二步中所述炉箱的温度为200℃，炉箱内的压强低于大气压，施加载荷压强为1-3MPa，施压时间为5-20min。
进一步地，第三步中所述炉箱的温度为200℃，炉箱内的压强低于大气压，施加载荷压强为1-3MPa，施压时间为5-20min。
本发明的有益效果如下：
本发明针对镁合金薄板室温下强度较低、塑性成形性能差的问题，提出在脉冲电流辅助作用下迫使镁合金薄板在模具中发生整体压缩变形，充分发挥拉伸孪晶切割晶粒并与脉冲电流共同诱导再结晶的作用，获得主要由再结晶和拉伸孪晶组成的混合组织，最终同步提高镁合金薄板的强度和塑性，此制备方法工艺先进，数据精确翔实，是一种先进的高强塑性镁合金薄板的制备方法。
附图说明
图1是本发明实施例提供的电流辅助作用下高强塑性镁合金薄板的制备方法的变形准备状态图；
图2是本发明实施例提供的电流辅助作用下高强塑性镁合金薄板的制备方法的变形状态图；
图3是本发明实施例提供的电流辅助作用下高强塑性镁合金薄板的制备方法的压直准备状态图；
图4是本发明实施例提供的电流辅助作用下高强塑性镁合金薄板的制备方法的压直状态图。
图5是本发明实施例提供的电流辅助作用下镁合金薄板的原始组织和变形后的组织对比图，其中，（a）为原始组织图，（b）为变形后的组织图。
图6是本发明实施例提供的电流辅助作用下镁合金薄板变形前后的力学性能曲线图。
其中：1-上电极；2-顶座；3-炉箱；4-上压头；5-石墨垫板；6-上模Ⅱ；7-下模Ⅱ；8-热电偶插孔；9-下压头；10-热电偶；11-底座；12-下电极；13-脉冲电源；14-显示器；15-控制箱；16-电源开关按钮；17-压力机控制按钮；18-温度控制按钮；19-电流调节按钮；20-电压调节按钮；21-频率调节按钮；22-上模Ⅰ；23-下模Ⅰ；24-弯曲变形的镁合金薄板；25-压直的镁合金薄板。
具体实施方式
结合附图，对本发明做进一步说明。
如图所示，一种电流辅助作用下高强塑性镁合金薄板的制备方法，包括下述步骤：
（1）根据模具选择合适尺寸的镁合金薄板，将镁合金薄板放置在压弯模具中进行装配；
（2）将装配好的部件放置在高频脉冲作用的上下压头电极之间通电，加热的同时施加载荷，对镁合金薄板进行压弯变形；
（3）同样，将镁合金薄板放置在压直模具中进行装配，将装配好的部件放置在高频脉冲作用的上下压头电极之间通电，加热的同时施加载荷，对镁合金薄板进行约束压直。
步骤（1）镁合金板材尺寸为32mm×26mm×1mm，开合式压弯模具制造材料为可以导电的石墨，型腔为波浪形，波浪曲线方程是Y=-2cos(π/20)x；
步骤（2）将装配好的部件放置在高频脉冲作用的上下压头电极之间通电，加热的同时施加载荷，对镁合金薄板进行压弯变形，炉内温度为200℃，炉内压强低于大气压，施压压强1-3 MPa，施压时间5-20min；
步骤（3）将镁合金薄板放置在压直模具中进行装配，将装配好的部件放置在高频脉冲作用的上下压头电极之间通电，加热的同时施加载荷，对镁合金薄板进行约束压直炉内温度为200℃，炉内压强低于大气压，施压压强1-3 MPa，施压时间5-20min。
一种电流辅助作用下高强塑性镁合金薄板的制备装置，包括炉箱3、控制系统15、开合式压弯模具、开合式约束压直模具以及用于产生高频电流的脉冲电源13。
所述炉箱3包括相对设置的上压头4和下压头9，所述上压头4和下压头9中间有石墨垫板5，所述上压头4和下压头9分别连接着上电极1和下电极12，所述上压头4和下压头9分别由顶座2和底座11固定，所述上电极1和下电极12通过导线和脉冲电源13相连，所述上电极1和下电极12通过导线和控制系统相连，所述炉箱3通过导线与控制系统相连。
所述控制系统上设置有显示上述炉箱3的电流、温度和加载压力的显示器14、电源开关按钮16、压力机控制按钮17、温度控制按钮18、电流调节按钮19、电压调节按钮20、频率调节按钮21。
所述上压头4和下压头9之间为模具放置空间；所述开合式弯曲模具包括上模Ⅰ22和下模Ⅰ23，模具型腔为波浪形，模具型腔的曲线方程是Y=-2cos(π/20)x；所述开合式约束压直模具包括上模Ⅱ6和下模Ⅱ7，模具型腔为矩形。
进一步地，所述开合式压弯模具用石墨材料制作；所述开合式约束压直模具用石墨材料制作。
实施例
本实施例以退火态AZ31镁合金板为实验对象，根据所述方法和装置对退火态AZ31镁合金板进行通电加工。开合式压弯模具的尺寸为32 mm×26 mm×20 mm，型腔表面粗糙度Ra 0.08-0.16μm；开合式约束压直模具的尺寸为60mm×50mm×34mm，型腔表面粗糙度Ra0.08-0.16 μm；镁合金板轧制方向（RD）长度为26 mm，横向（TD）长度为32 mm，厚度为1mm；具体步骤如下：
（1）切割镁合金板材，尺寸为32mm×26mm×1mm。
（2）打磨，将镁合金板各个表面打磨平整。
（3）在压弯模具中装配镁合金薄板。
（4）将装配好的部件放置在高频脉冲作用的上下压头电极之间通电，加热的同时施加载荷，对镁合金薄板进行压弯变形。
①打开炉腔，在上压头和下压头之间放置模具，石墨垫，下压头上依次是压弯模具，石墨垫板，调节石墨垫板和上压头的位置使其压住石墨垫板并固定整体，关闭炉箱。
②温度检测是通过炉内热电偶与温度控制系统相连接，实时温度显示在显示器中，从而可以对炉内温度实时监测。
③打开控制系统电源开关按钮，调节控制系统的温度调节按钮，将炉内温度从室温升到200℃，时间为5min。
⑤开启高频电流电源，调节电流控制按钮和电压控制按钮控制电流电压。
⑥开启压力电机控制系统，通过上电极和上压头对压弯模具施加压力，施压压强2MPa，施压时间5min。
⑦关闭高频电流电源，关闭压力电机控制系统，随炉冷却至室温，打开炉箱取出模具，从模具中取出压弯的镁合金板材。
（5）将压弯的镁合金薄板各个表面打磨平整，尺寸为28mm×26mm×1mm，放置在约束中进行装配，将装配好的部件放置在高频脉冲作用的上下压头电极之间通电，加热的同时施加载荷，对镁合金薄板进行约束压直。
①打开炉腔，在上压头和下压头之间放置模具，石墨垫板，下压头上依次是压直模具，石墨垫板，调节石墨垫板和上压头的位置使其压住石墨垫板并固定整体，关闭炉箱。
②温度检测是通过炉内热电偶与温度控制系统相连接，实时温度显示在显示器中，从而可以对炉内温度实时监测。
③打开控制系统电源开关按钮，调节控制系统的温度调节按钮，将炉内温度从室温升到200℃，时间为5min。
⑤开启高频电流电源，调节电流控制按钮和电压控制按钮控制电流电压。
⑥开启压力电机控制系统，通过上电极和上压头对压直模具施加压力，施压压强2MPa，施压时间5min。
⑦关闭高频电流电源，关闭压力电机控制系统，随炉冷却致室温，打开炉箱取出模具，从模具中取出压直的镁合金板材。
由图5和图6可知：原始镁合金板材晶粒尺寸极不均匀，主要由大晶粒组成，还有少量的细小晶粒和孪晶。变形后出现大量的拉伸孪晶，镁合金中初始大晶粒被孪晶切割，晶粒细化效果明显。因此，相比于原始板材，变形后的板材的强度和塑性都显著提高。
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