[发明专利]一种晶粒尺寸梯度分布的缩径式往复挤压成型方法

说明书

本发明公开了一种晶粒尺寸梯度分布的缩径式往复挤压成型方法，在往复挤压通道中增加梯度成型通道，所述梯度成型通道沿模具外壁向中心凸起设置；将坯料放入往复挤压通道，沿往复挤压通道的一侧进行挤压，另一侧提供固定背压，坯料流入梯度成型通道后墩粗变形，待坯料完全流入另一侧通道后，然后沿往复挤压通道进行反向挤压；往复多次完成坯料的多道次成型。本发明适用于表层为纳米晶或超细晶、芯部为粗晶，晶粒尺寸由表层至芯部呈梯度分布的材料制备，表层晶粒细化效果显著，表面细晶区明显。所制备的晶粒尺寸呈梯度分布，单道次往复挤压后棒材表层为约2mm厚，晶粒尺寸为500nm左右的超细晶层，芯部晶粒尺寸约为50μm。模具不易损耗，操作简单，实用性好，易于工业化应用。

技术领域

本发明涉及一种材料加工技术，尤其涉及的是一种晶粒尺寸梯度分布的缩径式往复挤压成型方法。

背景技术

材料作为21世纪三大支柱产业之一，在国家建设的各个领域发挥着重要的作用。近年来，随着医疗、交通、电力、航空等各领域的快速发展，对兼具高强度与高塑性的材料的需求也越来越强烈。然而，在大多数情况下，当金属的强度提升到一定程度后，其塑性和韧性会下降，使强度一塑性呈倒置关系，成为金属材料科学发展的瓶颈问题之一。近年来，研究发现当材料表层为纳米晶或超细晶、芯部为粗晶，且晶粒尺寸由表层至芯部呈梯度分布时，材料可以兼具高强度及优良的塑性。对现有梯度结构材料的文献检索发现，K.Lu等人在《Science》发表“Making strong nanomaterials ductile with gradients”梯度结构原理制备强韧纳米材料，(2014,345(6203):1455.)指出当钢、铜、铝等材料的晶粒尺寸细化至纳米尺度时可以得到较高的强度，但由于应力集中，其塑性显著降低，而当材料表层为纳米晶或超细晶、芯部为粗晶，且晶粒尺寸由表层至芯部呈梯度分布时，可以使材料兼具优良的塑性及高强度；T.H.Fang等人在《Science》发表“Revealing ExtraordinaryIntrinsicTensile Plasticity in GradientNano-Grained Copper”梯度结构纳米晶铜具备优良塑性的原因，(2011,331(6024):1587.)，通过表面机械研磨在直径为6mm的铜棒表面得到约150微米厚的纳米层，同时铜棒的芯部仍为粗晶，晶粒尺寸由外到内呈梯度分布，实验结果表明当铜棒具有梯度结构时，其屈服强度是普通粗晶铜棒的两倍，同时其塑性也更高；R.Neugebauer等人在《Materialwissenschaft Und Werkstofftechnik》发表“Gradation extrusion-Severe plastic deformation withdefined gradient”通过梯度挤压实现变形量梯度分布的大塑性变形，(2012,43(7):582-588.)，论文对铝合金的梯度挤压进行梯度挤压模拟及实验，模拟结果表明，铝合金在单次梯度挤压后，其表面的应变量约为5，而心部应变量仅为1.2，实现了合金的应变量由外至内的梯度分布，但实验结果显示，坯料在变形后容易出现裂纹及弯曲等缺陷；Markus Bergmann等人在《Applied Mechanicsand Materials》发表“Influencing the gradient of material properties bygradation extrusion”通过梯度挤压实现材料性能的梯度分布，(2015,794:166-173.)，研究表明，AlMgSi合金在梯度挤压后，坯料的硬度由中心的95HV逐渐提升至边缘的125HV，晶粒尺寸由外向内逐渐升高。但是，现有制备晶粒尺寸梯度分布材料的工艺中，表面机械研磨或喷丸处理获得的表面超细晶或纳米晶区厚度较小，一般不超过100微米；梯度挤压一般只能实现一道次挤压，不能使坯料累积更大的应变，表面晶粒的细化效果有限，此外挤压后的坯料还易出现裂纹及弯曲等缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何实现材料表层晶粒细化以及如何控制细晶区范围，提供了一种晶粒尺寸梯度分布的缩径式往复挤压成型方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：