基于螺杆挤压的钛合金超细组织实现装置制造方法
【专利摘要】一种钛合金加工【技术领域】的基于螺杆挤压的钛合金超细组织实现装置，该装置包括：活动设置于容器内的挤压驱动机构和凹模机构，其中：凹模机构内部设有螺纹矩形截面通道，该螺纹矩形截面通道中各段横截面的面积相同且均为矩形；螺纹矩形截面通道的螺纹线的倾角β，即从凹模主轴线到挤压轴线夹角的范围为45°～60°。本实用新型与单调变形比较为周期性变形，具有更高塑性金属特征，能够获得材料纳米组织和超细晶粒组织。
【专利说明】基于螺杆挤压的钛合金超细组织实现装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及的是一种钛合金加工【技术领域】的装置，具体是一种基于螺杆挤压的钛合金超细组织实现装置。
【背景技术】
[0002]现在，在全世界对材料的纳米组织和超细小晶粒组织表现出极大兴趣(晶粒尺寸10~100纳米)。这样的材料具有独特的物理力学性能。
[0003]获得具有纳米材料和超细晶粒批量毛坯最有效方法是在整个毛坯体积内积蓄剧烈塑性变形而不改变其形状。属于激烈塑性变形工艺是:等径弯曲通道挤压、全方位锻造等。激烈塑性变形过程的特点是，毛坯变形一个周期之后仍回到原始形状，这就允许多次变形。由于金属大塑性变形结果(等效变形通常^=5~10)，其元素组织尺寸减小并达到纳米和超细晶粒材料特征值。随着超细晶粒变形之后，这些金属具有独特的性能，其中许多性能引起人们兴趣。特别是它们既有极高的塑性又有综合高的强度。极大地改变了这些金属的基本特征，例如弹性模量、居里温度、德拜电偶极矩和饱和磁化强度等等。受到航空航天等闻科技企业极大重视。
[0004]经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN1886446，
【公开日】2006_12_27，公开了一种螺杆型加工装置及用该装置加工的制品，该技术是螺杆式加工装置，其能将物质连续地与二氧化碳气体一起压缩而成为临界状态的流体并施以加工。其设置有真空部E，其后续于原料供给部X的挤压螺杆，是使螺杆轴变细并增大螺纹叶片间的空隙容积，于该真空部E导入二氧化碳气体；再于该真空部E后设置压缩部F，是使螺杆轴再度变粗并使螺纹叶片间隙变窄而构成，之后设置孔口部L，是使轴的口径与筒内周实质上为相同，并于该轴表面或周围设置 孔口 17。其中，孔口通过物质的最大流速以设计为10~1500cm/秒为优选。但该技术只能压缩流体，属于聚酯发泡体的制造；并不能应用于固体金属。
[0005]中国专利文献号CN201950084U，
【公开日】2011_08_31，公开了一种用于连续地挤压金属的设备，该技术包括布置成关于实质上垂直的轴线旋转的可旋转的螺杆、实质上包围螺杆的螺杆外壳、布置在螺杆的下游部分以形成挤压金属的形状的模具组件、含有适合于驱动螺杆的主马达和适合于将来自主马达的动力转移到螺杆的齿轮箱组件的基座框架，以及用于冷却至少螺杆外壳的冷却组件。冷却组件包括与基座框架相结合的冷却液容器。但该技术主要是螺杆制造装置，该装置用于连续挤压铅类软金属，且被挤压件只能向一个方向排出，无法用于反复挤压或超细晶粒硬金属或合金领域。
实用新型内容
[0006]本实用新型针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于螺杆挤压的钛合金超细组织实现装置，与单调变形比较为周期性变形，具有更高塑性金属特征，能够获得材料纳米组织和超细晶粒组织。
[0007]本实用新型是通过以下技术方案实现的:[0008]本实用新型涉及一种基于螺杆挤压的钛合金超细组织实现装置，包括:活动设置于容器内的挤压驱动机构和凹模机构，其中:凹模机构内部设有螺纹矩形截面通道，该螺纹矩形截面通道中各段横截面的面积相同且均为矩形。
[0009]所述的螺纹矩形截面通道的螺纹线的倾角β，即从凹模主轴线到挤压轴线夹角的范围为45。?60。。
[0010]所述的容器内优选设有支撑套筒，其中:支撑套筒位于挤压驱动机构和凹模机构之间并与挤压驱动机构相连，支撑套筒和挤压驱动机构之间构成第一腔室且其腔室中充满高压液体。
[0011]所述的凹模机构与容器之间构成第二腔室且其腔室中通过阀控制充满恒定压力液体，该第二腔室的一端设有工质排出孔。
[0012]所述的挤压驱动机构为带有辅助冲头的柱塞或直接采用柱塞。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为毛坯通过螺纹形凹模后示意图。
[0014]图2为凹模的为矩形通道和螺纹矩形截面通道示意图。
[0015]图3为实施例中流体力学挤压装置示意图；
[0016]图中:1柱塞、2辅助冲头、3、9腔室、4容器、5毛坯、6支撑套筒、7矩形通道、8螺杆凹模、10通道。
[0017]图4为实施例中机械挤压装置示意图；
[0018]图中:1柱塞、4容器、8螺杆凹模、11、12毛坯加工、台阶13。
[0019]图5为图4局部放大示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
[0021]实施例1
[0022]如图3所示，本实施例涉及一种基于螺杆挤压的钛合金超细组织实现装置，包括:活动设置于容器4内的挤压驱动机构I和凹模机构8，其中:凹模机构8内部设有螺纹矩形截面通道7，该螺纹矩形截面通道7中各段横截面的面积相同且均为矩形。
[0023]所述的螺纹矩形截面通道7的螺纹线的倾角β，即从凹模主轴线到挤压轴线夹角的范围为45°?60°。
[0024]在本实施例中，高的液体静压力提高了金属的工艺塑性并储存了无破坏大的塑性变形。为了保证毛坯稳定，所述的容器4内设有支撑套筒6，其中:支撑套筒6位于挤压驱动机构I和凹模机构8之间，在实施挤压时与挤压驱动机构I相接触，支撑套筒6和挤压驱动机构I之间构成第一腔室3且其内部设有高压液体；该高压液体的压力为1500MPa。
[0025]为配合支撑套筒6，所述的挤压驱动机构I采用带有辅助冲头2的柱塞。
[0026]所述的凹模机构8与容器4之间构成第二腔室9且其内部设有60MPa的恒压液体，用于对待处理毛坯辅助挤压的凹模机构起到了阀及背压的作用，以保证容器中实实实在在恒定的压力。
[0027]所述的第二腔室的一端设有工质排出孔10。
[0028]如图1和图2所示，通过带螺纹凹模挤压棱柱毛坯(图1)，沟槽由通道部分a，螺杆部分b和孔型部分C，其中从通道部分至孔型部分各段横截面几何形状相同。
[0029]所述的容器4的内径为50mm。
[0030]在螺杆挤压的一个周期中，毛坯由第一腔室3位移到第二腔室9，柱塞I抵达凹模机构8。之后，柱塞上行，带有毛坯的凹模倒转，毛坯又一次转到凹模上面，即到达第一腔室
3。之后，再进行下一个螺杆挤压周期。
[0031]实施例2
[0032]如图4和图5所示，本实施例涉及的基于螺杆挤压的钛合金超细组织实现装置，包括:活动设置于容器4内的挤压驱动机构I和凹模机构8，其中:凹模机构8内部设有螺纹矩形截面通道7，该螺纹矩形截面通道7中各段横截面的面积相同且均为矩形。
[0033]所述的挤压驱动机构I采用单柱塞结构。
[0034]如图5所示，沿着凹模的通道部分a的全部周边设有不大的台阶13，该台阶13的宽度为横向尺寸的5%。
[0035]所述的台阶13用于方便毛坯11、12进入凹模机构8，在接着的变形中自由地进入容器4。如没有台阶13的条件下，从凹模机构8挤出的毛坯形状会由于弹性变形会产生一定的畸变。在螺杆挤压的每一个`工步中，除了第一工步，毛坯略微发生了镦粗，结果使其横向尺寸还原到原始尺寸。
[0036]在室温下机械冷挤压螺杆装置装在2500kN压力机上，装置的工艺参数为:挤压温度:室温、变形速度3mm/s、螺纹挤压压力2000MPa、最大背压力500kN、毛坯尺寸:截面14mmX 16 mm ; 18mmX28mm、长度100mm。本实施例能够用于加工具有足够塑性材料,例如某些工业纯钛、铝和铜合金。
[0037]实施例3
[0038]为了加工难变形材料(例如TC4钛合金)必须预热模具及毛坯，以便提高材料的塑性并降低变形抗力。为此，使用螺杆温机械挤压装置，该装置安装在2500MN压力机上，装置的工艺参数为:容器和凹模的加热温度400°C、变形速度3mm/s、螺杆挤压压力2000MPa、最大背压力5001^、毛还尺寸:截面18mm X 28mm、长度100mm、变性材料TC4。
[0039]变形模具
[0040]需要力学参数，制造精度，变形模具的表面粗糙度象用于模锻的模具一样。挤压螺杆象通常挤压模具一样，使用多层组和凹模。凹模型腔使用专门电极电火花腐蚀加工。
[0041]在研究的基础上推荐如下:β角(见图2)应该取45~60°，凹模孔径段的长度不小于通道横截面外接圆的直径。此时，一个工步下的等效变形ε i=l，对应等径弯曲通道90°挤压变形。
[0042]在加工工业纯钛TAO时，螺杆挤压压力不超过2000MPa，对应冷模锻压力。
[0043]模具寿命一螺杆挤压关键问题之一。现在，螺杆挤压工艺还是在实验室中，暂时还没有在各种挤压条件下的模具寿命足够数据。有个别模具寿命数据，各种有色金属及其合金进行冷温螺杆挤压到模具破坏寿命约600件。
[0044]为了提高模具寿命，现在进行了在模具工作表面施以高强度涂层(氮化钛，类似金刚石薄膜)，不仅降低了摩擦系数，而且也减小了通道磨损程度。甚至使用各种热强钢以提高结构的强度。
[0045]获得超细晶粒的TAl及TC4组织和性能改善
[0046]工业纯钛TAl试样经过预变形和热处理后，在实验室里用流体力学挤压装置和机械挤压装置进行螺杆挤压。凹模孔横截面14 X 16_，与挤压轴线倾角β~60°，在室温下变形。容器的压力700MPa。
[0047]钛组织用最佳微观仪表Neophot-32观察。组织元素平均尺寸用割线法计算。
[0048]钛力学性能评定按照GJB2744-1996拉伸实验结果。
[0049]一个工步等效变形的最大和最小值按照文中公式计算为:eimax=l.38，
=0.54。
[0050]金相学的分析指出，在螺杆挤压时，无论是横截面还是纵截面都增加了通过量，因此，增加了等效变形程度，晶粒尺寸d减小了。如果原始状态(1=20μ Μ，则通过第一道工步后d < 10 μ M，而第三道工步后d < I μ M。因此，晶粒尺寸均匀性水平随着工步数量的增加而增加。
[0051]螺杆挤压拉伸结果证明，金相组织的极大改变，改善了钛的力学性能。变形加工以后产生了极大的各向异性。
[0052]工业纯钛TAl在原始状态下强度极限σ b=400MPa，假定流动极限σ Q 2=360MPa和对应的伸长率3=40%。三工序螺杆挤压之后，毛坯的纵向强度指标增加不大，而塑性却降低:ob=505MPa ，σ 0 2=463MPa, δ =31%。在这种情况下，进行变形后退火，事实上没有影响到钛的强度指标，但却有限地改善了它的塑性指标:σ b=500MPa，σ 0 2=441MPa, δ =37.5%。
[0053]垂直于毛坯轴线方向上，强度极限和流动极限几乎增加一倍:σ b=835MPa，
[0054]oQ 2=765MPa;与此同时，δ值由40%减少到17%。当变形后退火温度降低些(300。。，Ih)导致强度增加，甚至塑性指标增加:σ b=865MPa, σ 0 2=737MPa, δ =37.5%。由工业纯钛TAl实心毛坯模锻后和经螺杆挤压后力学性能比较列于表1。
[0055]表1TAl通过螺杆挤压变形获得超细晶粒与普通模锻件力学性能比较
[0056]
【权利要求】
1.一种基于螺杆挤压的钛合金超细组织实现装置，其特征在于，包括:活动设置于容器内的挤压驱动机构和凹模机构，其中:凹模机构内部设有螺纹矩形截面通道，该螺纹矩形截面通道中各段横截面的面积相同且均为矩形； 所述的螺纹矩形截面通道的螺纹线的倾角β，即从凹模主轴线到挤压轴线夹角的范围为 45。?60。。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的容器内设有支撑套筒，其中:支撑套筒位于挤压驱动机构和凹模机构之间并与挤压驱动机构相连，支撑套筒和挤压驱动机构之间构成第一腔室且其腔室中充满高压液体。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的凹模机构与容器之间构成第二腔室且其腔室中通过阀控制充满恒定压力液体，该第二腔室的一端设有工质排出孔。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的挤压驱动机构为带有辅助冲头的柱塞或直接采用柱塞。
【文档编号】B21C23/21GK203621126SQ201320719235
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2013年11月14日 优先权日:2013年11月14日
【发明者】张骥伟, 阎东辉, 林健, 王以华, 唐勤丽 申请人:上海桦厦实业有限公司