一种连接镁合金与铝合金的挤压装置及方法与流程

本发明涉及镁合金、铝合金的连接，尤其涉及一种连接镁合金与铝合金的挤压装置及方法。

背景技术：

现代机器制造业最迫切的问题之一，是在提高结构和设备工作技术性能和可靠性的同时，降低金属消耗量。由于铝合金具有密度低、强度高、耐腐蚀、热导和电导率高以及加工性能好等优良品质而发展迅速，已广泛应用于国民经济各领域及国防建设中，用量仅次于钢铁材料，成为第二大金属材料。镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、尺寸稳定性好、导热性能优越、切削加工性能好、易铸造、减震性能好、电磁屏蔽好、可无限地再利用等众多优点，被誉为21世纪绿色金属结构材料。在实用金属中镁是最轻的金属，镁的比重大约是铝的2/3，是铁的1/4。在航空航天、运输行业中降低结构重量成为提高性能的重要措施，轻型镁合金材料在这方面的应用需求更为迫切。但大量使用镁合金不仅成本高，而且不可能全面满足使用要求。镁、铝及其合金连接形成复合结构，不但能减轻构件的重量、节约材料，而且能发挥各自的性能优势。

现有技术中，关于镁、铝合金进行连接的技术主要是焊接技术，常用的有扩散焊、熔焊、点焊和搅拌摩擦焊等。有采用电场活化连接技术对镁合金与铝合金进行连接的方法。有利用搅拌摩擦焊方法焊接铝合金和镁合金的方法，利用搅拌头在焊缝内高速旋转，沿着焊接方向的移动实现固相连接。焊接技术主要是针对合金板材进行焊接复合。传统的焊接方式由于温度难以稳定控制，容易使铝、镁合金焊接热影响区的晶粒发生粗大。新兴的焊接方式以速度快、焊接热影响区窄和无污染的特征逐渐取代了传统焊接方式，然而由于镁和铝的相容性太差，在接口附近极易形成Al-Mg系金属间脆性化合物，同时由于铝合金和镁合金在焊缝处元素扩散速度相差太大，容易产生空隙，降低了接口处结合性能。因此，亟需解决铝合金与镁合金的连接问题，以进一步扩大镁合金和铝合金的应用空间。

技术实现要素：

本发明的第一目的是提供一种连接镁合金和铝合金的方法，该方法将块体非晶合金作为中间过渡层，对镁合金和铝合金进行共同热挤压形成高强度连接，提高镁合金和铝合金的连接强度，扩大镁合金和铝合金的应用空间。

本发明第二目的是提供一种连接镁合金与铝合金的挤压装置，该装置利用非晶合金在过冷液相区较低强度、粘度和硬度的内在秉性，以及异质合金如超强度铝/镁合金在高温变形时较低的变形抗力，通过高温下对铝合金、非晶合金和镁合金共同施加压力，使三者发生共同热变形，提高异质合金接口处的结合性能。

为了达成上述目的，本发明提供的第一个技术方案：

一种连接镁合金和铝合金的方法，对镁合金、铝合金与非晶合金进行同时挤压，非晶合金作中间过渡层，以实现镁合金与铝合金的粘结，其中，非晶合金优选为锆基非晶合金，如Zr₆₈Cu₁₂Ni₉Ti₈Be₃，由于锆基非晶合金具有很大的非晶形成能力和宽大的过冷液相区，因此本发明非晶合金优选为锆基非晶。

由于铝合金和镁合金晶格结构相差很大，而且二者冶金相容性比较差，铝合金和镁合金直接接触时，元素发生直接扩散，容易形成Al-Mg系金属间脆性化合物，而且由于元素间扩散速度的不同，容易在连接界面产生空洞等缺陷。

非晶合金没有晶体结构，没有晶格常数等限制，由一个一个原子随机组合而成，原子之间相对比较自由。非晶合金和铝合金、镁合金的冶金相容性高于铝合金和镁合金之间的冶金相容性。热挤压过程中，非晶合金和铝合金、镁合金同时受到三向压应力，铝合金、镁合金分别和非晶合金直接发生元素扩散，在压力的作用下，直接形成原子间结合，避免了Al-Mg系金属间脆性化合物的产生，通过使用非晶合金作中间过渡层，改善铝合金和镁合金的连接性能。

非晶合金是20世纪材料领域的重大发现，材料内部原子排列呈长程无序短程有序结构，没有位错和晶界等缺陷，这种独特的结构使得非晶合金具有高强度、超塑性、高弹性、高硬度、高耐磨性和高耐腐蚀性能。在过冷液相区内，非晶合金具有低强度、粘度和硬度的内在秉性，非晶合金和铝、镁合金在非晶过冷液相区进行共同热成型，可以形成良好结合，并且结合部位元素扩散均匀。本发明从避免铝、镁合金直接接触为出发点，通过高强、硬度的非晶合金作为中间层进行过渡，实现铝合金和镁合金的异质连接。

一种连接镁合金和铝合金的方法，具体步骤如下：

1)对块体的非晶合金、镁合金、铝合金清洗、干燥后备用，在清洗之间要进行切割、打磨和抛光；

2)电热元件加热到设定温度后保温设定时间；该设定温度为挤压温度，挤压温度位于非晶合金过冷液相区(玻璃化温度Tg和晶化温度Tx之间)、镁合金同铝合金的常规热挤压温度范围内，挤压温度优选范围：420-460℃，达到设定挤压温度后再放入合金材料，减少非晶合金的热状态时间，防止发生晶化；

3)在凹模的挤压腔内依次放入设定高度比的镁合金、非晶合金和铝合金或者是铝合金、非晶合金和镁合金；

4)在挤压腔内凸模以设定的速度对非晶合金、镁合金、铝合金进行挤压；

5)挤压结束后，卸载凸模的挤压力，停止加热，对模具进行降温；

6)拆除凸模，收集成型的工件；

其中，设定温度界于非晶玻璃化温度Tg和晶化温度Tx之间。

本发明挤压坯料放置顺序为镁合金、非晶合金和铝合金，或铝合金、非晶合金和镁合金。挤压结束后，黏在模腔内壁的剩余铝合金或镁合金坯料可以分别用NaOH溶液或HCl溶液进行清洗。

成型件的取样过程为：先拆卸导向套，然后拆卸紧固压板，将凹模拼块及工件一起从夹紧套中取出，分离凹模拼块，得到工件。

其中，所述镁合金、非晶合金和铝合金的高度比为15-40:1:10-30；

进一步地，为了提高效率同时保证非晶部位不发生晶化，对非晶合金、镁合金、铝合金部位采用不同的速度进行挤压；

优选地，在所述步骤4)中对镁合金的挤压速度为100mm/min---1000mm/min，对铝合金的挤压速度为100mm/min---800mm/min，对非晶合金的挤压速度为2mm/min---5mm/min；优选地，可对镁合金部位：挤压速度为200mm/min，非晶合金过渡部位(包括非晶合金片上下1mm范围)：挤压速度为2mm/min，铝合金部位：挤压速度为200mm/min，非晶过渡区域的挤压速度设置为合理的较慢速度，可以保证挤压工件过渡区域保持良好的高强硬度的非晶状态。

本发明提供的第二方案是：

一种连接镁合金与铝合金的挤压装置，包括：

凸模和带有挤压腔的凹模，在挤压腔内设置镁合金、非晶合金和铝合金，凸模在外力作用下对挤压腔内的镁合金、非晶合金和铝合金进行挤压，凹模内设置镁合金、非晶合金和铝合金，镁合金、非晶合金和铝合金受热后在凸模的挤压作用下进入到成型腔内成型，成型腔的体积小于挤压腔的体积，挤压腔的底部逐渐收缩，成型腔的形状与工件的形状相同。

上述适用于镁合金铝合金的热挤压装置，无需采用现有技术中的焊接方案，成型速度快，挤压温度通过电热元件实现控制，较为方便地对挤压温度进行控制，凸模与凹模在挤压腔内挤压非晶合金、镁合金和铝合金进而在成型腔内成型，通过使用非晶合金作过渡层，避免镁合金和铝合金直接连接产生金属间脆性化合物，实现两大轻量合金的高强度连接。此外，经过大塑性变形，镁、铝合金由于细晶强化而提高了自身强度。

所述凹模包括至少两个拼块，拼块以模具中轴线进行拼合，拼块拼装形成所述的挤压腔，通过拼装挤压腔的设置，便于成型冷却后，拆开凹模取出成型件，避免损坏成型件，为了确保挤压成型效果，在所述凹模的外部套有用于环向挤压凹模的夹紧套，夹紧套对拼装的凹模起到一个挤压作用，夹紧套采用和凹模相同的材料，优选地，凹模和夹紧套采用热作模具钢H13。

优选地，挤压腔为圆柱形状，挤压腔的底部通过45°锥形结构过渡形成成型腔，成型腔内部的形状与预计成型件的形状相匹配，如可以是长条状。

所述夹紧套同样包括至少两个拼装件，以方便成型工件的取出。

所述凹模为倒圆台形状；所述夹紧套内部与所述凹模紧密贴合，这样凹模的外壁与夹紧套内壁采用锥形面方式进行结合，保证贴合效果，二者贴合面切线与所述模具中轴线具有3°-5°的夹角。

挤压装置还包括设于所述凹模上部的用于从上方挤压凹模的紧固压板，紧固压板中部开有用于凸模穿过的通孔，通孔直径小于所述凹模上表面直径，以保证紧固压板的下压作用。

进一步地，所述夹紧套与所述的紧固压板之间设有连接件，连接件为螺栓，在夹紧套上设置盲孔作为螺栓的插入孔，在凹模的各拼块上均开有一盲孔。

所述成型腔设于凹模内，所述成型腔的一侧设置导向套，导向套设于凹模的外侧，

所述凹模上表面高于所述夹紧套的上表面，凹模下表面稍高于夹紧套的下表面，因为装配好的凹模拼块随着紧固压板和夹紧套之间螺栓拧紧，凹模相对于夹紧套会向下有微小的移动，正是这个移动使得凹模拼块之间的间隙减小，这也正是夹紧套和紧固压板的作用，同时，夹紧套与紧固压板的设置，有效避免挤压过程成型件在拼块结合面处产生飞边。

所述成型腔设于凹模内，所述成型腔的一侧设置导向套，导向套设于凹模的外侧，所述导向套通过紧固件与所述凹模固定，导向套内具有与成型腔在一条直线的导向通道以对长直形状的成型件进行较直。

所述导向套通过紧固件与所述凹模固定，紧固件为螺栓，螺栓的位置不影响到挤压腔的位置，所述导向套内导向通道的尺寸略大于所述成型腔的尺寸，在成型腔出口处由大直径圆弧过渡形成，以减小成型件在导向通道向下运动时的摩擦。

在所述凹模内设置温度测量元件，温度测量元件与温度控制器连接，温度控制器与所述电热元件连接，温度测量元件测量温度反馈到温度控制器，温度控制器控制电热元件的加热速率和加热温度。

所述凸模与直线驱动机构连接，直线驱动机构带动凸模以设定速率进入到凹模内的挤压腔中，直线驱动机构可以为压力机，实现压力机以设定压力压持凸模，凹模内的挤压腔深度为凹模厚度的四分之三或者是五分之四或者在二者之间，保证凸模的竖直挤压。

本发明的有益效果：

(1)实现了铝合金和镁合金的高强度连接，得到的复合构件可以发挥性能优势，进一步扩大镁合金和铝合金的应用空间。

(2)避免了铝合金和镁合金的直接接触，避免了两者之间直接的元素扩散，避免形成Al-Mg系金属间脆性化合物和焊接空隙，提高连接质量。

(3)上述挤压温度和挤压速度的结合使得铝、镁合金和非晶合金都处于低应力超塑性状态，大变形率促进了铝、镁合金和非晶在接触面的元素扩散，促进了铝合金/非晶合金和镁合金/非晶合金两个界面的结合。

(4)大塑性变形使铝合金和镁合金得到细晶强化，并且通过塑性变形可以改善母材中镁或铝与其它元素在结晶时分布的不均匀性导致的成分偏析以及力学性能偏低等缺陷。

(5)挤压模具加热到设定温度后再将挤压预制件置于挤压腔内，减少非晶合金的热状态时间，防止发生晶化。

(6)本发明挤压坯料放置顺序为镁合金、非晶合金和铝合金，或铝合金、非晶合金和镁合金；挤压结束后，采用NaOH溶液或HCl溶液分别对残余的铝合金或镁合金进行清洗，有助于保护模具。

(7)本发明可以通过改变挤压型腔，成型腔带形状、凹模和凸模尺寸来实现具有不同截面形状和尺寸的镁铝合金的连接。

(8)本发明挤压装置，凹模与凹模通过锥形面可实现紧密结合，通过压板和凹模夹紧套的螺栓固定，在凸模和凹模配合挤压过程中，两凹模拼块配合越来越紧，防止工件飞边的产生，同时利于拆卸。

(9)本发明对压力机设备没有特殊要求，挤压过程操作简单，无需大能量密度热源、无污染、安全经济。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2是本发明方法挤压坯料装配图。

图3是本发明挤压坯料的放置顺序细节图。

图4是本发明U型型材复合挤压U型成型腔细节图。

图5是本发明U型型材挤压成型腔俯视图局部剖面示意图。

图中，1.电热元件，2.挤压腔，3.成型腔，4.导向套，5.导向通道，6.镁合金，7.螺栓，8.非晶合金，9.夹紧套，10.螺栓，11.紧固压板，12.温度测量元件，13.凸模，14.铝合金，15.凹模，16.定位销。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图2所示，一种连接镁合金与铝合金的挤压装置，包括模具，模具包括凹模15和凸模13，凸模13为棒状，凹模15内设有挤压腔2，且凹模15在挤压腔2外设置电热元件如电热元件1，凸模13的长度长于挤压腔2的深度，挤压腔2与设定形状的成型腔3相连通，如图3所示，成型腔3的体积小于挤压腔2的体积，成型腔3与外界相通或者通过导向套4与外界相通，凸模13与凹模15配合在挤压腔2内挤压非晶合金、镁合金和铝合金并通过成型腔3对合金材料进行成型。其中，所述凹模15包括至少两个拼块，拼块之间设置定位销16，以防止拼块之间在竖直方向发生错动，保证贴合紧密，拼块以模具中轴线进行拼合，拼块拼装形成所述的挤压腔，为了确保挤压成型效果，避免对工作人员烫伤，在所述凹模15的外部套有用于环向挤压凹模15的夹紧套9，为了保证挤压腔的温度，同时防止工作人员烫伤，在整个装置不影响挤压操作和成型腔处的部位都包裹上隔热材料，隔热材料可以为陶瓷纤维隔热棉(图中未示出)。

上述适用于非晶合金的热挤压装置，无需采用现有技术中的焊接方案，成型速度快，挤压温度通过电热元件实现控制，较为方便地对挤压温度进行控制，凸模13与凹模15在挤压腔2内挤压非晶合金、镁合金和铝合金进而在成型腔内成型，成型腔出口尺寸略大于成型腔上部的尺寸，成型后的工件可落入到带有导向通道5的导向套4内，导向通道5可用于对工件形状进行较直，同时可方便对成型工件的取出；此外，经过大塑性变形，可以使铝镁合金得到细晶强化。所述凹模15为倒圆台形状，这样凹模15的外壁与夹紧套9内壁采用锥形面方式进行结合，保证贴合效果，二者贴合面切线与所述模具中轴线具有3°-5°的夹角；所述夹紧套9内部与所述凹模15紧密贴合。

所述凹模15上表面高于所述夹紧套9的上表面，凹模15下表面略高于夹紧套9的下表面。

所述的热挤压装置还包括设于所述凹模15上部的用于从上方挤压凹模15的紧固压板11，紧固压板11中部开有用于凸模13穿过的通孔；

所述夹紧套9与所述的紧固压板11之间设有连接件，连接件为螺栓10，在夹紧套9上设置盲孔作为螺栓10的插入孔，在各拼块上各开有一盲孔。

所述导向套4通过紧固件与所述凸模13固定，紧固件为螺栓7，螺栓7的位置不影响到挤压腔的位置，所述导向套4内导向通道5的尺寸大于所述成型腔3的尺寸，在成型腔出口处由大直径圆弧过渡形成，这样在成型后，从夹紧套上拆卸导向套4，便于取出成型工件。

在所述凹模内设置温度测量元件12，温度测量元件12与温度控制器连接，温度控制器与所述电热元件连接，温度测量元件测量温度反馈到温度控制器，温度控制器控制电热元件的加热速率和加热温度。

所述凸模13与压力机连接，压力机带动凸模以设定速率进入到凹模15内的挤压腔2中，压力机可以为压力机，实现压力机以设定压力压持凸模13，凹模15内的挤压腔深度为凹模厚度的四分之三或者是五分之四或者在二者之间，保证凸模13的竖直挤压。

如图1所示，本发明在非晶合金过冷液相区内，通过共同热挤压，实现非晶合金与铝/镁合金连接的方法，包括以下步骤：

1)对圆柱状的块体非晶、铝合金和镁合金进行切割、打磨、抛光和清洗，得到具有新鲜表面的预制件，置于真空干燥箱备用。本实施方式中非晶合金8材料为直径为10mm的Zr₆₈Cu₁₂Ni₉Ti₈Be₃非晶棒，铝合金材料为直径10mm的7075铝合金圆棒，镁合金材料为直径10mm的AZ31B镁合金圆棒，本步骤具体包括以下子步骤，如图1和图3所示：

1-1)采用线切割将非晶合金8、镁合金6和铝合金14切割成规定尺寸，锆基非晶、7075铝合金和AZ31B镁合金高度分别为1mm、20mm和20mm；

1-2)先后用细颗粒砂纸和金相抛光布磨平非晶合金8、铝合金14和镁合金6待结合表面并抛光，以去除表面氧化层；

1-3)将磨抛后的非晶合金、铝合金和镁合金预制件放在超声波清洗机中进行超声波清洗，得到圆柱状非晶合金8、铝合金14和镁合金6，清洗后放入真空保温炉里真空保护，防止氧化；

2)组装挤压装置，采取5℃/min的加热速度对挤压装置进行加热，模具上设有电热元件1和温度测量元件12，温度测量元件12可实时准确反馈模具靠近挤压腔2部位的温度，通过反馈到温度控制器自动调节加热速率和温度。对挤压模具凸模13、凹模15、夹紧套9、导向套4和紧固压板11同时进行加热，挤压温度界于非晶玻璃化温度Tg和晶化温度Tx之间，为降低挤压力，在可选择温度区间内尽可能选择较高温度。加热至目标温度后继续保温10min左右以达到稳态均匀温度场，再进行其他操作。

温度测量元件12采用K型热电偶，直径为2mm，温度测量范围在0-1100℃，电热元件1采用模具加热棒，直径为6mm，在凹模上设置测温孔两个，加热孔4个，均匀分布，测温孔用于放置热电偶，加热孔用于放置电热棒，相应地，在紧固压板上设置用于热电偶和电热棒穿过的开孔。

3)对非晶合金、镁合金和铝合金进行挤压，本步骤具体包括以下子步骤：

3-1)将加热到挤压温度的凸模13迅速取出，迅速将镁合金6置于挤压腔2内，将非晶合金8置于镁合金6之上，然后在其上部放置铝合金14，最后将挤压凸模13置于铝合金14之上，调整压力机上压头，以产生5-10MPa的预紧力；

3-2)预制件于模腔2内保温2-3min，温度均匀保持在设定挤压温度后进行挤压操作。通过设置压力机压头运动速度来控制挤压速度。设置运动路径为：以200mm/min速度运动19mm；以2mm/min的速度运动3mm；最后以200mm/min的速度运动19mm。对模腔内合金组合体进行共同挤压操作；本实施例仅以生产U型型材为例，通过改变成型腔形状可以得到不同截面形状的型材；

3-3)根据挤压预制件长度设置挤压杆位移，模具出料口设置导向套4，挤出的镁合金、铝合金连接U型型材经过直径略大于型材尺寸的导向套导向通道5，进行校直，保证型材在挤出后不弯曲。挤压杆完成设定位移后，立刻停止加热，卸载挤压力，并对模具进行空冷降温，对工件非晶过渡结合部位采用快冷降温。

(4)模具及工件冷却至室温后，拆卸模具，获得工件。挤压腔内剩余的铝合金、镁合金坯料分别用NaOH溶液或者HCl(硫脲和十二烷基苯磺酸钠做缓蚀剂)溶液进行腐蚀清洗。

采用上述装置，非晶合金过冷液相区352-445℃，铝合金常规热挤压温度250-550℃，所述镁合金常规热挤压温度300-450℃，三个温度区间交集中确定440℃为热挤压温度。通过组合异质合金的共同热挤压，得到较直的具有良好连接接口的铝合金、镁合金复合U型型材。所得工件，中间层过渡区保持高强硬度的非晶状态，铝合金/非晶合金和镁合金/非晶合金两结合界面两侧扩散均匀，无金属间脆性化合物生成，铝合金和镁合金部位塑韧性得到提高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。