一种ZrTiAlV合金电场辅助正反复合挤压成形方法
一种ZrTiAlV合金电场辅助正反复合挤压成形方法
【专利说明】
[0001]技术领域本发明涉及一种合金的塑性加工方法。
[0002]【背景技术】Zr基非晶合金最高可达到2GPa的超高强度及高硬度、耐磨、耐腐蚀等优异的物理化学性能，被认为是一种极具潜力的结构材料。但目前Zr基非晶合金的工业化应用面临着很大的困难，如塑性变形能力很差、临界尺寸较小、只能制备形状简单的构件且很难进行机械加工，极大的限制了它的工业应用。
[0003]ZrTiAlV四元合金是结构材料材料领域发展较为迅速的锆合金品种之一。刘日平等首先合成了 47Zr-45T1-5Al-3V(47Zr)、30Zr-62T1-5Al-3V(30Zr)、20Zr-69.5Τ?-6.5Al_4V(20Zr)等三种合金，并对锻造态、退火态以及固溶处理后的性能进行了深入的研宄，确定了在各种状态下，材料所具备的基本力学性能和微观组织，结果表明，三种成分的ZrTiAlV合金都具有优异的力学性能。47Zr合金的强度最高可达1638MPa, 30Zr合金的抗拉强度最大能达到1622MPa，20Zr合金的最大抗拉强度则可达1740MPa ;在保证断后延伸率不小5 %的情况下，通过适当的热处理，47Zr合金的强度最高可达1327MPa，延伸率为12.2 %，30Zr合金的抗拉强度能达到1335MPa，延伸率为8.4 %，20Zr合金强度能达到1437MPa，但延伸率仅为6.7%。
[0004]正是由于ZrTiAlV四元合金的强度很高，所以致使其加工成形较为困难。经研宄发现当电流通过正在进行塑性变形的金属时，漂移电子会对金属中的位错施加一定的推动力，帮助位错越过前进中的障碍，从而提高变形金属的塑性和韧性。电场辅助挤压成形工艺就是利用这一原理来降低材料的变形温度及变形抗力，提高材料的变形速率，改善其微观组织与力学性能。
[0005]
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种能够提高变形金属的塑性和韧性、在较低温下实现的ZrTiAlV合金电场辅助正反复合挤压成形方法。
[0006]本发明的技术方案如下:
[0007]1、ZrTiAlV合金电场辅助正反挤压模具
[0008]本发明的成形模具主要包括有:上垫块、下垫块、上压头、下压头、模套和模具，该成形模具的材质为高强度石墨。其中，上垫块设在柱形上压头的顶面，上压头置于截面与其形状对应的筒形模套内，上压头与坯料接触部分为尺寸较小的圆形突起，下压头与上压头相同，且对称放置，下垫块则位于柱形下压头下部；将上述成形模具放在放电等离子烧结设备上对ZrTiAlV合金进行正反复合挤压成形。
[0009]2、ZrTiAlV合金电场辅助正反复合挤压成形方法
[0010]I)预先计算挤压腔体容积，并计算出块状坯料尺寸，将棒状锆合金进行精准切割，得到挤压用坯料；
[0011]2)将合金坯料装入上述成形模具上、下压头及模套之间的空腔内；
[0012]3)将上述模具放入放电等离子烧结设备中进行加热挤压，在加热之前先施加最小接触压力10kN，同时抽真空，真空度为10_3MPa，上下压头之间加载电压为5V，最大加载电流在3000?4000A之间，合金的挤压温度在750?850°C，当炉内温度接近设定挤压温度时开始缓慢加压，最终挤压成形压力为50?60kN，变形的流动应力小于30MPa，在挤压过程中通过下压头被动进给施力使挤压制品成形；
[0013]4)当设备行走位移接近计算位移时，且位移不发生变化，则合金块体材料挤压完成，停止加热，并进行卸载；
[0014]5)挤压件随炉降温，待模具冷却后，取出挤压成形模具，将上下模打开，取出挤压成形的零件。
[0015]本发明与现有技术相比具有如下优点:
[0016]1、采用电场辅助正反挤压成形，使电流通过将要进行塑性变形的ZrTiAlV合金时，电场中的定向电子会对锆金属中的位错施加一定的推动力，帮助位错越过前进中的障碍，达到提高ZrTiAlV合金的塑性和韧性的作用，从而促进材料的变形速率，改善其微观组织与力学性能。
[0017]2、电场辅助正反挤压变形的温度范围为750°C?850°C，这比非电场辅助的锻造成形温度降低200°C左右，变形的流动应力小于30MPa，能实现在电场辅助状态下模具内合金低温快速挤压成形。
[0018]3、在放电烧结设备上进行挤压成形，所得挤压制品并未产生飞边，具有良好的表面形貌，实现了制品的近净挤压成形。
【附图说明】
[0019]图1为本发明挤压成形模具的结构示意简图。
【具体实施方式】
[0020]在图1所示挤压成形模具示意图中，上垫块I设在圆柱形上压头2的顶面，该上压头下部置于截面与其形状对应的圆筒形模套3内，上压头下端接触合金坯料4，与上压头相同的下压头5上部也接触到合金坯料，其下端置于下垫块6上部，上述成形模具的材质为高强度石墨。
[0021]实施例1
[0022]预先计算挤压腔体容积，并计算出块状坯料尺寸，将直径41mm的棒状47Zr合金利用线切割精准切割成高34mm块状坯料，将此坯料装入上述成形模具上、下压头及模套之间的空腔内，并将上述模具放入放电等离子烧结炉中进行加热挤压。在加热之前先施加最小接触压力10kN，加热过程同时抽真空，真空度为10_3MPa，上下压头之间加载电压为5V，最大加载电流在4000A，合金的挤压温度为850°C。在温度上升至800°C时，开始缓慢加压，最终挤压成形压力为50kN，变形的流动应力小于30MPa ;当设备行走位移接近计算位移时，且位移不发生变化，则合金块体材料挤压完成，停止加热，并进行卸载。挤压件随炉降温，待模具冷却后，取出挤压成形模具，将上下模打开，取出挤压成形的零件。将47Zr挤压件进行分析其晶粒尺寸由原来的350?400 μ m，变为350 μ m左右的均匀等轴晶组织。
[0023]实施例2:
[0024]预先计算挤压腔体容积，并计算出块状坯料尺寸，将直径41mm的棒状30Zr合金利用线切割精准切割成高34mm块状坯料，将此坯料装入上述成形模具上、下压头及模套之间的空腔内，并将上述模具放入放电等离子烧结炉中进行加热挤压。在加热之前先施加最小接触压力1kN,加热过程同时抽真空，真空度为10_3MPa，上下压头之间加载电压为5V，最大加载电流在3500A，合金的挤压温度为800°C。在温度上升至750°C时，开始缓慢加压，最终挤压成形压力为55kN，变形的流动应力小于30MPa ;当设备行走位移接近计算位移时，且位移不发生变化，则合金块体材料挤压完成，停止加热，并进行卸载。挤压件随炉降温，待模具冷却后，取出挤压成形模具，将上下模打开，取出挤压成形的零件。将30Zr挤压件进行分析其晶粒尺寸由原来的300?350 μ m，变为300 μ m左右的均匀等轴晶组织。
[0025]实施例3:
[0026]预先计算挤压腔体容积，并计算出块状坯料尺寸，将直径41mm的棒状20Zr合金利用线切割精准切割成高34mm块状坯料，将此坯料装入上述成形模具上、下压头及模套之间的空腔内，并将上述模具放入放电等离子烧结炉中进行加热挤压。在加热之前先施加最小接触压力1kN,加热过程同时抽真空，真空度为10_3MPa，上下压头之间加载电压为5V，最大加载电流在3000A，合金的挤压温度为750°C。在温度上升至700°C时，开始缓慢加压，在挤压过程中通过下压头被动进给施力并采用不断加压-保压的加载方法，最终挤压成形压力为60kN，变形的流动应力小于30MPa ;当设备行走位移接近计算位移时，且位移不发生变化，则合金块体材料挤压完成，停止加热，并进行卸载。挤压件随炉降温，待模具冷却后，取出挤压成形模具，将上下模打开，取出挤压成形的零件。将47Zr挤压件进行分析其晶粒尺寸由原来的400?450 μ m，变为400 μ m左右的均匀等轴晶组织。
【主权项】
1.一种ZrTiAlV合金电场辅助正反复合挤压成形方法，其特征在于: (1)预先计算挤压腔体容积，并计算出块状坯料尺寸，将棒状锆合金进行精准切割，得到挤压用坯料； (2)将合金坯料装入成形模具上、下压头及模套之间的空腔内； (3)将上述模具放入放电等离子烧结设备中进行加热挤压，在加热之前先施加最小接触压力10kN，同时抽真空，真空度为10_3MPa，上下压头之间加载电压为5V，最大加载电流在3000?4000A之间，合金的挤压温度在750?850°C，当炉内温度接近设定挤压温度时开始缓慢加压，最终挤压成形压力为50?60kN，变形的流动应力小于30MPa，在挤压过程中通过下压头被动进给施力使挤压制品成形； (4)当设备行走位移接近计算位移时，且位移不发生变化，则合金块体材料挤压完成，停止加热，并进行卸载； (5)挤压件随炉降温，待模具冷却后，取出挤压成形模具，将上下模打开，取出挤压成形的零件。2.权利要求1所述的成形模具，它主要包括有:上垫块、下垫块、上压头、下压头、模套和模具，其中，上垫块设在柱形上压头的顶面，上压头置于截面与其形状对应的筒形模套内，上压头与坯料接触部分为圆形突起，下压头与上压头相同，且对称放置，下垫块则位于柱形下压头下部，其特征在于:所述成形模具的材质为高强度石墨。
【专利摘要】一种ZrTiAlV合金电场辅助正反复合挤压成形方法，它主要是将合金坯料装入成形的空腔内，再将模具放入放电等离子烧结设备中进行加热挤压，温度为750℃～850℃，最终挤压成形压力为50～60kN，变形的流动应力小于30MPa。成形模具包括：上下垫块、上下压头、模套和模具，上垫块设在上压头的顶面，上压头置于截面与其形状对应的模套内，上压头与坯料接触部分为圆形突起，下压头与上压头相同，且对称放置，下垫块则位于下压头下部；该成形模具的材质为高强度石墨，成形模具放置在放电等离子烧结设备上实现正反复合挤压成形。本发明能够提高ZrTiAlV合金的塑性和韧性，实现在电场辅助状态下合金低温快速挤压成形。
【IPC分类】B21C23/03, B21C29/04, B21C25/02
【公开号】CN104889186
【申请号】CN201510339125
【发明人】骆俊廷, 张春祥, 刘永康, 刘日平
【申请人】燕山大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月18日
【专利说明】
[0001]技术领域本发明涉及一种合金的塑性加工方法。
[0002]【背景技术】Zr基非晶合金最高可达到2GPa的超高强度及高硬度、耐磨、耐腐蚀等优异的物理化学性能，被认为是一种极具潜力的结构材料。但目前Zr基非晶合金的工业化应用面临着很大的困难，如塑性变形能力很差、临界尺寸较小、只能制备形状简单的构件且很难进行机械加工，极大的限制了它的工业应用。
[0003]ZrTiAlV四元合金是结构材料材料领域发展较为迅速的锆合金品种之一。刘日平等首先合成了 47Zr-45T1-5Al-3V(47Zr)、30Zr-62T1-5Al-3V(30Zr)、20Zr-69.5Τ?-6.5Al_4V(20Zr)等三种合金，并对锻造态、退火态以及固溶处理后的性能进行了深入的研宄，确定了在各种状态下，材料所具备的基本力学性能和微观组织，结果表明，三种成分的ZrTiAlV合金都具有优异的力学性能。47Zr合金的强度最高可达1638MPa, 30Zr合金的抗拉强度最大能达到1622MPa，20Zr合金的最大抗拉强度则可达1740MPa ;在保证断后延伸率不小5 %的情况下，通过适当的热处理，47Zr合金的强度最高可达1327MPa，延伸率为12.2 %，30Zr合金的抗拉强度能达到1335MPa，延伸率为8.4 %，20Zr合金强度能达到1437MPa，但延伸率仅为6.7%。
[0004]正是由于ZrTiAlV四元合金的强度很高，所以致使其加工成形较为困难。经研宄发现当电流通过正在进行塑性变形的金属时，漂移电子会对金属中的位错施加一定的推动力，帮助位错越过前进中的障碍，从而提高变形金属的塑性和韧性。电场辅助挤压成形工艺就是利用这一原理来降低材料的变形温度及变形抗力，提高材料的变形速率，改善其微观组织与力学性能。
[0005]
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种能够提高变形金属的塑性和韧性、在较低温下实现的ZrTiAlV合金电场辅助正反复合挤压成形方法。
[0006]本发明的技术方案如下:
[0007]1、ZrTiAlV合金电场辅助正反挤压模具
[0008]本发明的成形模具主要包括有:上垫块、下垫块、上压头、下压头、模套和模具，该成形模具的材质为高强度石墨。其中，上垫块设在柱形上压头的顶面，上压头置于截面与其形状对应的筒形模套内，上压头与坯料接触部分为尺寸较小的圆形突起，下压头与上压头相同，且对称放置，下垫块则位于柱形下压头下部；将上述成形模具放在放电等离子烧结设备上对ZrTiAlV合金进行正反复合挤压成形。
[0009]2、ZrTiAlV合金电场辅助正反复合挤压成形方法
[0010]I)预先计算挤压腔体容积，并计算出块状坯料尺寸，将棒状锆合金进行精准切割，得到挤压用坯料；
[0011]2)将合金坯料装入上述成形模具上、下压头及模套之间的空腔内；
[0012]3)将上述模具放入放电等离子烧结设备中进行加热挤压，在加热之前先施加最小接触压力10kN，同时抽真空，真空度为10_3MPa，上下压头之间加载电压为5V，最大加载电流在3000?4000A之间，合金的挤压温度在750?850°C，当炉内温度接近设定挤压温度时开始缓慢加压，最终挤压成形压力为50?60kN，变形的流动应力小于30MPa，在挤压过程中通过下压头被动进给施力使挤压制品成形；
[0013]4)当设备行走位移接近计算位移时，且位移不发生变化，则合金块体材料挤压完成，停止加热，并进行卸载；
[0014]5)挤压件随炉降温，待模具冷却后，取出挤压成形模具，将上下模打开，取出挤压成形的零件。
[0015]本发明与现有技术相比具有如下优点:
[0016]1、采用电场辅助正反挤压成形，使电流通过将要进行塑性变形的ZrTiAlV合金时，电场中的定向电子会对锆金属中的位错施加一定的推动力，帮助位错越过前进中的障碍，达到提高ZrTiAlV合金的塑性和韧性的作用，从而促进材料的变形速率，改善其微观组织与力学性能。
[0017]2、电场辅助正反挤压变形的温度范围为750°C?850°C，这比非电场辅助的锻造成形温度降低200°C左右，变形的流动应力小于30MPa，能实现在电场辅助状态下模具内合金低温快速挤压成形。
[0018]3、在放电烧结设备上进行挤压成形，所得挤压制品并未产生飞边，具有良好的表面形貌，实现了制品的近净挤压成形。
【附图说明】
[0019]图1为本发明挤压成形模具的结构示意简图。
【具体实施方式】
[0020]在图1所示挤压成形模具示意图中，上垫块I设在圆柱形上压头2的顶面，该上压头下部置于截面与其形状对应的圆筒形模套3内，上压头下端接触合金坯料4，与上压头相同的下压头5上部也接触到合金坯料，其下端置于下垫块6上部，上述成形模具的材质为高强度石墨。
[0021]实施例1
[0022]预先计算挤压腔体容积，并计算出块状坯料尺寸，将直径41mm的棒状47Zr合金利用线切割精准切割成高34mm块状坯料，将此坯料装入上述成形模具上、下压头及模套之间的空腔内，并将上述模具放入放电等离子烧结炉中进行加热挤压。在加热之前先施加最小接触压力10kN，加热过程同时抽真空，真空度为10_3MPa，上下压头之间加载电压为5V，最大加载电流在4000A，合金的挤压温度为850°C。在温度上升至800°C时，开始缓慢加压，最终挤压成形压力为50kN，变形的流动应力小于30MPa ;当设备行走位移接近计算位移时，且位移不发生变化，则合金块体材料挤压完成，停止加热，并进行卸载。挤压件随炉降温，待模具冷却后，取出挤压成形模具，将上下模打开，取出挤压成形的零件。将47Zr挤压件进行分析其晶粒尺寸由原来的350?400 μ m，变为350 μ m左右的均匀等轴晶组织。
[0023]实施例2:
[0024]预先计算挤压腔体容积，并计算出块状坯料尺寸，将直径41mm的棒状30Zr合金利用线切割精准切割成高34mm块状坯料，将此坯料装入上述成形模具上、下压头及模套之间的空腔内，并将上述模具放入放电等离子烧结炉中进行加热挤压。在加热之前先施加最小接触压力1kN,加热过程同时抽真空，真空度为10_3MPa，上下压头之间加载电压为5V，最大加载电流在3500A，合金的挤压温度为800°C。在温度上升至750°C时，开始缓慢加压，最终挤压成形压力为55kN，变形的流动应力小于30MPa ;当设备行走位移接近计算位移时，且位移不发生变化，则合金块体材料挤压完成，停止加热，并进行卸载。挤压件随炉降温，待模具冷却后，取出挤压成形模具，将上下模打开，取出挤压成形的零件。将30Zr挤压件进行分析其晶粒尺寸由原来的300?350 μ m，变为300 μ m左右的均匀等轴晶组织。
[0025]实施例3:
[0026]预先计算挤压腔体容积，并计算出块状坯料尺寸，将直径41mm的棒状20Zr合金利用线切割精准切割成高34mm块状坯料，将此坯料装入上述成形模具上、下压头及模套之间的空腔内，并将上述模具放入放电等离子烧结炉中进行加热挤压。在加热之前先施加最小接触压力1kN,加热过程同时抽真空，真空度为10_3MPa，上下压头之间加载电压为5V，最大加载电流在3000A，合金的挤压温度为750°C。在温度上升至700°C时，开始缓慢加压，在挤压过程中通过下压头被动进给施力并采用不断加压-保压的加载方法，最终挤压成形压力为60kN，变形的流动应力小于30MPa ;当设备行走位移接近计算位移时，且位移不发生变化，则合金块体材料挤压完成，停止加热，并进行卸载。挤压件随炉降温，待模具冷却后，取出挤压成形模具，将上下模打开，取出挤压成形的零件。将47Zr挤压件进行分析其晶粒尺寸由原来的400?450 μ m，变为400 μ m左右的均匀等轴晶组织。
【主权项】
1.一种ZrTiAlV合金电场辅助正反复合挤压成形方法，其特征在于: (1)预先计算挤压腔体容积，并计算出块状坯料尺寸，将棒状锆合金进行精准切割，得到挤压用坯料； (2)将合金坯料装入成形模具上、下压头及模套之间的空腔内； (3)将上述模具放入放电等离子烧结设备中进行加热挤压，在加热之前先施加最小接触压力10kN，同时抽真空，真空度为10_3MPa，上下压头之间加载电压为5V，最大加载电流在3000?4000A之间，合金的挤压温度在750?850°C，当炉内温度接近设定挤压温度时开始缓慢加压，最终挤压成形压力为50?60kN，变形的流动应力小于30MPa，在挤压过程中通过下压头被动进给施力使挤压制品成形； (4)当设备行走位移接近计算位移时，且位移不发生变化，则合金块体材料挤压完成，停止加热，并进行卸载； (5)挤压件随炉降温，待模具冷却后，取出挤压成形模具，将上下模打开，取出挤压成形的零件。2.权利要求1所述的成形模具，它主要包括有:上垫块、下垫块、上压头、下压头、模套和模具，其中，上垫块设在柱形上压头的顶面，上压头置于截面与其形状对应的筒形模套内，上压头与坯料接触部分为圆形突起，下压头与上压头相同，且对称放置，下垫块则位于柱形下压头下部，其特征在于:所述成形模具的材质为高强度石墨。
【专利摘要】一种ZrTiAlV合金电场辅助正反复合挤压成形方法，它主要是将合金坯料装入成形的空腔内，再将模具放入放电等离子烧结设备中进行加热挤压，温度为750℃～850℃，最终挤压成形压力为50～60kN，变形的流动应力小于30MPa。成形模具包括：上下垫块、上下压头、模套和模具，上垫块设在上压头的顶面，上压头置于截面与其形状对应的模套内，上压头与坯料接触部分为圆形突起，下压头与上压头相同，且对称放置，下垫块则位于下压头下部；该成形模具的材质为高强度石墨，成形模具放置在放电等离子烧结设备上实现正反复合挤压成形。本发明能够提高ZrTiAlV合金的塑性和韧性，实现在电场辅助状态下合金低温快速挤压成形。
【IPC分类】B21C23/03, B21C29/04, B21C25/02
【公开号】CN104889186
【申请号】CN201510339125
【发明人】骆俊廷, 张春祥, 刘永康, 刘日平
【申请人】燕山大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月18日
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