一种高压旋转压缩‑扩展挤压大塑性变形成形装置的制作方法

一种高压旋转压缩-扩展挤压大塑性变形成形装置技术领域本发明一种高压旋转压缩-扩展挤压大塑性变形成形装置，属于金属大塑性变形加工装置技术领域。

背景技术：
随着航空航天、军事和交通工具的快速发展，对材料的性能提出了更高的要求，因此制备高性能金属材料是当今研究的热点。目前提高材料力学性能的主要途径有合金化、热处理、形变强化和细晶强化等方法。研究表明单纯依赖某一两种强化机制来提高材料的综合性能是有限的，将多种强化机制有机组合，不仅能充分挖掘材料的潜在性能，也是材料科学发展的必然趋势。大塑性变形方法具有较强的晶粒细化能力，通过强烈的剪切变形，使多晶金属材料内部组织细化至亚微米级(100nm-1.0μm)甚至纳米级(<100nm)，与传统材料相比，超细晶材料具有优良的力学性能。同时大塑性变形使材料内部大角度晶界所占比例增大，从多方面改善了材料的性能。因此，大塑性变形对合金强化是多种强化机制共同作用的结果，强化效果显著。目前大塑性变形方法主要有：等通道转角挤压（ECAP）、累积叠轧焊和多向锻造等。ECAP在大塑性变形方法中最受关注且发展最快，其原理是将试样在一定挤压力作用下通过两个轴线相交且截面尺寸相等并成一定角度的通道，使试样发生纯剪切变形，进而达到细化晶粒的目的。目前，越来越多的新型ECAP得到发展，如反复侧边挤压、连续剪切及等径角轧制等。虽然ECAP方法引起了广泛关注，但是目前仍存在着许多问题：(1)ECAP生产效率不高。研究结果表明，为了使材料晶粒细化，提高材料性能，一般要经过多道次ECAP挤压。但ECAP过程本身是不连续的，因此，中间过程复杂，生产效率低；(2)ECAP模具成本较高。ECAP挤压过程中模具的磨损比较大，加工成本较高；(3)制备材料尺寸受限。由于受挤压模具及挤压杆尺寸的限制，难以制备大尺寸制品；(4)试验原材料浪费比较严重。试样挤压后会沿挤压方向伸长，当伸长的试样再经ECAP时，容易发生开裂、脱落，导致材料浪费；(5)试样表面质量会受影响。实验一般采用MoS2作为润滑剂，试样在挤压后表面会挤入黑色MoS2颗粒，表面清洁程度会受到影响。因此开发短流程、能够制备大尺寸及多种截面制品的新型大塑性成形装置，具有重要意义。

技术实现要素：
本发明克服现有技术的不足，所要解决的技术问题是提供一种能够实现连续生产的大塑性变形成形装置。为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种高压旋转压缩-扩展挤压大塑性变形成形装置，包括旋转挤压机、压缩-扩展挤压筒和挤压模具；所述压缩-扩展挤压筒外部设置有加热装置，所述加热装置用于给压缩-扩展挤压筒加热；所述压缩-扩展挤压筒通过机架固定在底座上；所述压缩-扩展挤压筒内部设置有压缩-扩展腔、进料段和挤压模具，所述压缩-扩展腔由压缩段和扩展段组成，压缩段位于压缩-扩展挤压筒的进料段与扩展段之间，且压缩段的直径比所述进料段的直径和扩展段的直径都小；压缩段与进料段和扩展段分别通过一段锥形过渡腔连接；挤压模具设置在压缩-扩展挤压筒内部且位于扩展段的末端；所述旋转挤压机也固定在底座上，旋转挤压机的挤压杆的直径与所述进料段的直径吻合，所述挤压杆能够伸入进料段中。工作过程如下：启动加热装置，对压缩-扩展挤压筒进行预热，同时将原料投放在进料段中进行保温预热，此时挤压杆伸入进料段处就位，然后开动旋转挤压机，将挤压杆在高速旋转下向前推动，原料在旋转和挤压的双重作用下，逐渐被压入压缩段，压缩段的物料随之进入扩展段得到扩展，扩展之后的原料在挤压作用下通过挤压模具成型。原料在最终进入模具的塑形部分之前，一直在挤压杆的高速旋转作用下进行旋动扭曲，并且经过压缩-扩展腔的压缩-扩展过程，实现原料的大塑性变形，高压旋转和压缩-扩展挤压相结合，实现了高效制备超细晶高性能合金制品。同时，本发明的成形过程不需要间断，对于某种材料、尺寸的合金产品，根据性能的要求，只需要通过适当的模拟和试验，就能确定合适的压缩-扩展比和旋转转速，通过本发明的装置可以实现一次成形制得产品。制备过程简单，生产效率显著提高。另外不需要添加润滑剂等，产品表观质量优秀。相应的，本发明的大塑性变形成形装置还应当包括对挤出的型材进行定型和冷却的冷却系统，以及对整个装置的工作过程和工艺参数进行设定和调整的控制系统。冷却系统的类型以及控制系统是可以根据实际生产需要进行设计和选择的。加热装置的目的是给压缩-扩展挤压筒加热，最简单的结构包括电阻丝和耐火砖，耐火砖贴覆在压缩-扩展挤压筒的外壁上形成耐火砖覆层，电阻丝螺旋盘绕在耐火砖覆层内。但是基于加热装置的设置目的，也可以选择其他类型的加热方式和配套装置。为了不对加热装置构成影响，机架可以选择常规的结构，包括前固定板、后固定板和固定横梁，前固定板和后固定板的四角通过四根固定横梁连接，将压缩-扩展挤压筒固定在前固定板和后固定板之间。本发明的核心结构是压缩-扩展挤压筒，最主要的就是压缩段和扩展段。基于常规的型材尺寸，压缩段的直径可以在10-390mm范围内选择，相应的，扩展段的直径则在20-400mm范围内选择；进料段的直径也可以在20-400mm范围内选择，同时，需要伸入进料段中的挤压杆的直径优选比进料段的直径小0.2mm。挤压模具的入口直径应当与扩展段的直径一致。挤压杆、挤压筒和挤压模具的材料、性能要求等，可以根据通常处理的原料的性质进行选择和设计。例如：挤压杆材质可选H13、3Cr2W8V、3Cr3Mo3W2V、Cr4W5Mo2V。压缩-扩展挤压筒材质可选H13、3Cr2W8V、3Cr3Mo3W2V、Cr4W5Mo2V模具钢。挤压模具材质可选H13、3Cr2W8V、3Cr3Mo3W2V、Cr4W5Mo2V。与现有技术相比本发明具有以下有益效果。1、将高压旋转和压缩-扩展挤压相结合，实现了高效制备超细晶高性能合金制品。2、对成形过程温度进行控制，实现了成形过程的稳定性，同时也实现了对制品内部组织的控制。3、成本低，工艺流程短，更容易实现工业化生产。4、可以连续制备大尺寸超细晶金属制品。附图说明下面结合附图对本发明作进一步说明。图1是高压旋转压缩-扩展挤压大塑性变形成形装置示意图。图2是加热装置示意图。图3是制备的Al-0.5Sc合金管材及其内部组织：(a)挤压筒温度300℃，挤压速度为5mm/min，冷却水流量为15L/min，制备的超细晶合金管材；(b)该管材对应的内部组织。图中：1为旋转挤压机，2为挤压杆，3为机架，4为加热装置，5为压缩-扩展挤压筒，6为挤压模具，7为冷却系统，8为控制器，9为底座，10为电阻丝，11为耐火砖。具体实施方式以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。实施例1如图1和图2所示，一种高压旋转压缩-扩展挤压大塑性变形成形装置，包括旋转挤压机1、压缩-扩展挤压筒5和挤压模具6；所述压缩-扩展挤压筒5外部设置有加热装置4，所述加热装置4用于给压缩-扩展挤压筒5加热；所述压缩-扩展挤压筒5通过机架3固定在底座9上；所述压缩-扩展挤压筒5内部设置有压缩-扩展腔，所述压缩-扩展腔由压缩段和扩展段组成，压缩段位于压缩-扩展挤压筒5的进料段与扩展段之间，且压缩段的直径比所述进料段的直径和扩展段的直径都小；压缩段与进料段和扩展段分别通过一段锥形过渡腔连接；挤压模具6设置在压缩-扩展挤压筒5内部且位于扩展段的末端；所述旋转挤压机1也固定在底座9上，旋转挤压机1的挤压杆2的直径与所述进料段的直径吻合，所述挤压杆2能够伸入进料段中；还包括冷却系统7和控制系统8；所述冷却系统7用于对经过挤压模具6挤出的型材进行定型和冷却；所述控制系统8用于控制大塑性变形成形装置动作以及参数的设定和调控；所述加热装置4包括电阻丝10和耐火砖11，耐火砖11贴覆在压缩-扩展挤压筒5的外壁上形成耐火砖覆层，电阻丝10螺旋盘绕在耐火砖覆层内；所述机架3包括前固定板、后固定板和固定横梁，前固定板和后固定板的四角通过四根固定横梁连接，所述压缩-扩展挤压筒5固定在前固定板和后固定板之间。实施例2采用本发明装置制备Al-0.5Sc合金超细晶管材步骤如下：第一步：安装好成形模具，打开冷却系统。第二步：打开压缩-扩展挤压筒加热装置，将挤压筒温度加热到300℃；第三步：将Al-0.5Sc合金放入挤压筒，300℃保温10min；第四步：开动旋转挤压机，挤压速度为5mm/min；第五步：对制备的制品进行冷却，冷却水流量为15L/min。利用该装置制备的超细晶合金管材组织性能优良。上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。