[发明专利]一种制备高化学活性金属细晶和超细晶材料的装置及方法

说明书

本发明公开制备高化学活性金属细晶和超细晶材料的装置及方法，装置包括：挤压模具，由互相配合的上模具和下模具组成，上模具包括凸模，下模具包括能够容纳凸模的凹模，凹模具有包括入口段、缩径变径段和出口段的容纳腔，缩径变径段连接入口段和出口段并且能够配合凸模的挤压作用实现高化学活性金属坯料从入口段到出口段移动过程中的挤压变形；冷却套环，套设在下模具的凹模外并与凹模之间形成冷却腔。方法利用上述装置制备高化学活性金属细晶和超细晶材料。本发明综合低温环境和挤压工艺的优点，在三向压应力状态下确保高化学活性金属能够实现大塑性变形，以累积更高密度的位错，为动态再结晶提供充足的驱动力，最终完成材料微观组织的快速细化。

技术领域

本发明涉及高化学活性金属加工的技术领域，更具体地讲，涉及一种制备高化学活性金属细晶和超细晶材料的装置及利用该装置进行超低温挤压成形的方法。

背景技术

稀土金属被誉为“工业维生素”，已被现代工业开发利用100多年。稀土与其它元素结合后形成的各类新型材料，其性能提升显著，因此，稀土成为制备磁性材料、储氢材料、稀土有色合金、新型环保材料等高技术材料不可缺少的关键原材料和重要战略资源。

稀土材料复杂的基础物性与其微观组织结构密切相关，一直是科研领域的研究热点和难点。然而，以铈为代表的稀土元素具有非常高的化学活性，在空气中极易氧化甚至自燃，例如铈金属的熔点为795℃，而燃点仅为165℃(并随比表面积的增大而降低)，且在塑性变形过程中极易动态回复，通过动态再结晶实现其组织细化所需的变形程度较高。因此，其大块细晶和超细晶样品的加工制备十分困难。

使用传统的热加工工艺如热轧、热挤压或锻造等对以铈为代表的高化学活性稀土材料进行加工制备细晶或超细晶材料，因加工温度高、极易引起材料的剧烈燃烧而十分危险。采用冷轧或冷锻辅助中间退火工艺制备细晶或超细晶结构的高化学活性金属材料，则需要真空退火，且由于单道次变形量的限制，其变形道次与退火道次多，工艺过程极其复杂。大塑性变形(ECAP、HPT等)方法能够制备细晶和超细晶材料，但是制备的样品尺寸太小，且难以解决变形过程中高活性金属氧化、燃烧的问题。美国在20世纪60年代利用冷旋锻方法，在液氮温度下成功将铈金属的晶粒尺寸细化至10μm以下，为高化学活性金属的组织结构调控提供了思路，但该工艺需要专用装备，工艺过程较复杂。常规冷挤压工艺虽然能够实现单道次大塑性变形，但剧烈的大塑性变形造成材料温升过高，材料被挤出模具出口后即发生燃烧，难以应用于高化学活性金属细晶和超细晶材料的制备。

综上所述，对高化学活性金属进行组织结构调控制备细晶或超细晶材料，必须解决几个关键问题：第一，单道次冷变形量必须足够大、能够为再结晶提供充足的驱动力；第二，能够解决形变热诱发的金属燃烧问题；第三，工艺和装备要安全简单可靠。

发明内容

针对高化学活性金属大塑性变形过程中因形变热造成温度升高而诱发金属剧烈燃烧或严重氧化而导致的细晶和超细晶材料制备困难，本发明提供了一种制备高化学活性金属细晶和超细晶材料的装置及利用该装置进行超低温挤压成形的方法。

为此，本发明的一方面提供了一种制备高化学活性金属细晶和超细晶材料的装置，所述装置包括：

挤压模具，由互相配合的上模具和下模具组成，所述上模具包括凸模，所述下模具包括能够容纳所述凸模的凹模，其中，所述凹模具有包括入口段、缩径变径段和出口段的容纳腔，所述缩径变径段连接入口段和出口段并且能够配合凸模的挤压作用实现高化学活性金属坯料从入口段到出口段移动过程中的挤压变形；

冷却套环，套设在所述下模具的凹模外并与凹模之间形成冷却腔。

进一步地，所述上模具还包括上模垫板和凸模固定板，所述凸模固定板安装在上模垫板上，所述凸模通过凸模固定板实现可拆卸安装，其中，所述凸模为具有柱状结构的冲头。