一种制备扩散多元结的挤压模具的制作方法

本实用新型涉及一种模具，尤其涉及一种制备扩散多元结的挤压模具。

背景技术：

扩散多元结是由不同种类的三块及其以上的金属块组成。金属块界面紧密接触，并且在高温下相互扩散形成固溶体或中间相。通过微观尺度上的测量工具可以得到这些固溶体或中间相的硬度、弹性模量、热导率等随局部成分变化的规律，从而构造“成分-结构-性质”之间的关系。

扩散多元结由俄亥俄州立大学赵继成教授在扩散偶的基础上发展而来。目前，制备扩散多元结需要在真空条件下用电子束将扩散结和封盖焊接在一起，再采用热等静压使扩散多元结受到三向压应力，进而发生塑性变形、焊合空隙。但是，一般的实验室环境很难满足上述方法所要求的条件，严重阻碍了扩散多元结的应用。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供了一种对实验室环境要求不高的制备扩散多元结的挤压模具。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种制备扩散多元结的挤压模具。该挤压模具包括：

设有锥形通孔的外模、设有样品容置空间的内套、上封盖、下封盖、挤压杆以及隔绝层；

所述内套置于所述锥形通孔内；所述内套上表面上设有所述上封盖，所述上封盖下表面的直径与所述内套上表面的直径相同；所述内套下表面上设有所述下封盖，所述下封盖上表面的直径与所述内套下 表面的直径相同；且所述内套、所述上封盖以及所述下封盖的锥度与所述锥形通孔的锥度相同；

所述挤压杆通过挤压所述内套上表面使所述内套在所述锥形通孔内向下运动；

所述通孔侧壁内表面设有防止所述外模与所述内套之间相互扩散的隔绝层。

优选地，所述隔绝层为高熔点材质。

优选地，所述上封盖、所述下封盖与所述内套均为所述扩散多元结中体积分数最大的材料。

优选地，所述上封盖、所述下封盖与所述内套为不同材料，所述上封盖、所述下封盖与所述内套之间均设有所述隔绝层。

优选地，所述挤压杆、所述外模均为刚性材质。

优选地，所述通孔的锥度为0.03:1～0.2:1。

优选地，所述外模、所述挤压杆为圆柱体，所述内套、所述上封盖以及所述下封盖为圆台。

优选地，所述容置空间的上表面为以所述内套上表面的圆心为中心点的正方形。

优选地，所述外模与所述内套之间加有润滑剂，以减小所述外模与所述内套之间的摩擦系数。

本实用新型的上述技术方案具有如下优点：在一般的实验室环境下，使用普通的挤压机以及热模拟机，能够达到传统制备方法一样的三向挤压效果。利用本实用新型提供的挤压模具制备扩散多元结的制备工艺简单、容易实现，并且制备成品低廉。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的制备扩散多元结的挤压模具的剖视图；

图2是本实用新型实施例提供的制备扩散多元结的挤压模具的 内套的示意图。

图中：1：外模；2：挤压杆；3：上封盖；4：内套；5：钽箔；6：下封盖。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

如图1所示，为本实用新型实施例提供的制备扩散多元结的挤压模具的剖视图。

本实用新型实施例提供的制备扩散多元结的挤压模具包括：设有锥形通孔的外模1、设有样品容置空间的内套4、挤压杆2以及隔绝层；内套4置于锥形通孔内，且内套4的锥度与锥形通孔的锥度相同；挤压杆2通过挤压内套4上表面使内套4在锥形通孔内向下运动；通孔侧壁内表面设置有防止外模1与内套4之间相互扩散的隔绝层。

其中，为了防止外模1和内套4之间的相互扩散，进而导致制备的扩散多元结含有不必要的杂质，因此在外模1内整个通孔两个侧壁内表面设置隔绝层。金属钽具有很高的熔点，故在高温退火时可以防止外模1与待加工金属发生扩散。隔绝层为高熔点材质，本实施例的隔绝层以钽箔5为例，但并不以此为限，其他具有高熔点，且能防止外模1与内套4发生扩散的材料均可。

进一步地，为了防止样品太小而脱离内套4，同时防止内部金属挥发，应用上下封盖封住内套4的上下底面。内套4上表面上设有上封盖3，上封盖3下表面的直径与内套4上表面的直径相同。内套4下表面上设有下封盖6，下封盖6上表面的直径与内套4下表面的直径相同。与外模1内通孔锥度完全相同的上下封盖直接和内套4的上下表面接触，这样可以使挤压后封装严密。上封盖3、下封盖6应与内套4可以选用相同的材料，也可以选用不一样的材料。选用不一样 的材料时需要在上封盖3与内套4之间、下封盖6与内套4之间贴上钽箔5以防止制备的扩散多元结带有其他杂质，上下封盖的厚度取0.5mm到5mm。

进一步地，内套4、上封盖3以及下封盖6均为多元结的主元。内套4置于外模1的通孔内，与传统扩散多元结相同，内套4一般选取强度低、塑性好的多元结中的主元作为内套的材质，即需要进行挤压操作的几种材料中体积分数最大的一种材料。如图2所示，为本实用新型实施例提供的制备扩散多元结的挤压模具的内套的示意图。内套4既起到容置样品金属块的模具作用，同时也是待制备的扩散多元结中的一个金属组元。

进一步地，挤压杆2、外模1均为刚性材质。外模1一般只做一次性使用，因此可以选用热处理后的45号钢作为外模1材料。若挤压的样品(如Ti和Ni)强度高、尺寸大时，则应选用性能较好的工具钢。同时，外模1的壁厚应根据不同的金属样品强度和内套4的尺寸来设计。挤压杆2可重复多次使用，可选用材质较好的工具钢等材料。

进一步地，外模1通孔的锥度越小，多元结挤压的越均匀，其周向压力也越大。但同时，锥度越小压缩得到同样的应变时，挤压的行程也越长，进而作为制备扩散多元结的挤压模具的长度也越长。因此，综合上述因素通孔的锥度在0.03:1～0.2:1之间进行选取为宜。

进一步地，挤压杆2的直径小于上封盖3上表面的直径。挤压杆的长度需大于挤压行程(一般为10mm～30mm)，以便于试验后挤压杆2的拔出。

进一步地，外模1、挤压杆2为圆柱体，内套4、上封盖3以及下封盖6为圆台。内套4、上封盖3及下封盖6置于外模1通孔内应与外模1通孔的锥度严格一致，内套4中的容置空间为容置多个金属块的长方体空间。容置空间的上表面为以内套4上表面的圆心为中心 点的正方形。

进一步地，外模1、挤压杆2、内套4、上封盖3以及下封盖6在使用前，均需用砂纸仔细打磨，消除加工时产生的条纹，使表面变得光滑，尽量地减小金属表面的摩擦系数。同时，样品金属块、内套4、封盖之间接触，且对齐地放置。摩擦系数对于在挤压过程中产生的外模对内套的周向压力有很大影响，实验中应该尽量减小内套4与外模1之间的摩擦系数，因此在组装模具时应适当地加入一些润滑剂，可以显著改善挤压效果。挤压完成后，容置有挤压后的扩散多元结的整个模具一并进行退火处理，在模具和多元结上仍然存在很大的残余弹性应力，使得退火过程金属界面始终承受很大的压力，进而能够加速扩散并得到良好的金属扩散界面。

进一步地，将本实用新型提供的模具用于Mg-Ce-Gd-Zr多元结的制备，具体实施步骤为：内套4、上封盖3以及下封盖6选用Mg-Ce-Gd-Zr多元结的主元金属Mg，将金属Ce、Gd以及Zr制成金属方条并置于内套4的方孔容置空间中，用钽箔5把外模1的锥孔内表面覆盖，然后放入下封盖6，再将容置有金属方条的内套4置于外模1中，最后加上上封盖3；再使用挤压机通过挤压杆2施加载荷10kN的力使内套4压至外模1底部；将挤压后的整个模具封于石英管内，并置于退火炉中，在450℃的温度下退火16天。退火后，用扫描电镜(SEM)来测定，扩散厚度可达500μm。

需要说明的是，本文中所使用的“左”、“右”、“上”、“下”等方位词是以图中所示的构件相对位置为基准定义的，显然，上述方位词的应用仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

综上所述，本实用新型提供的制备扩散多元结的挤压模具在一般的实验室环境下，使用普通的挤压机以及热模拟机，能够达到传统制 备方法一样的三向挤压效果。利用本实用新型提供的挤压模具制备扩散多元结的制备工艺简单、容易实现，并且制备成品低廉。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。