[发明专利]一种多效应耦合剧烈塑性变形模具及方法

说明书

本发明公开一种多效应耦合剧烈塑性变形模具及方法，涉及金属塑性加工挤压技术领域，变形模具包括模具本体，模具本体包括挤压凹模和凸模；挤压凹模内由上至下依次设置有入口通道、第一挤压通道、过渡通道、第二挤压通道和出口通道，第一挤压通道与第二挤压通道均为螺旋梯度挤压通道，螺旋梯度挤压通道内设置有梯度挤压模块，梯度挤压模块包括挤压模块上部和挤压模块下部，挤压模块上部由上至下呈台阶状扩径，挤压模块下部由上至下呈台阶状缩径；凸模包括第一凸模和第二凸模。本发明满足航空航天结构件在复杂工况条件下苛刻的服役要求，可获得晶粒尺寸多尺度连续分布的超细晶梯度结构高性能轻质金属材料。

技术领域

本发明涉及金属塑性加工挤压技术领域，特别是涉及一种多效应耦合剧烈塑性变形模具及方法。

背景技术

随着航空航天技术的迅猛发展，各种飞行器的飞行速度不断提高，迫切需要减轻零件重量而又要满足其高强度及刚度的要求。与世界发达国家相比，我国制造业关键核心技术和关键零部件的自主研发能力相对薄弱，在自主创新发展与产品质量提升等方面差距明显。

轻质金属(铝、镁、钛合金和泡沫金属等)具有密度小、比强度高、耐腐蚀性强等优点，近年来在航空航天、交通运输、海洋工程和石油化工等领域具有广泛的应用。然而，某些轻质金属如钛合金、镁合金等为难变形材料，塑性变形能力不佳，耐磨性较差，用作航空航天结构件时强度有限，易产生磨损，降低了关键零部件的安全性和可靠性，难以满足复杂工况条件对构件服役性能提出的苛刻性能要求。

近年来，通常采用细晶强化的手段制备超细晶结构轻质金属材料。然而，材料在获得极高强度的同时，损失了较大的塑韧性。这一传统金属材料“强度-塑性”倒置难题，一直是制约以剧烈塑性变形法为代表的超细晶材料制备技术产业化的瓶颈。研究表明，当金属晶粒尺寸由表层(亚微米晶或纳米晶)至心部(粗晶或微米晶)呈梯度连续变化分布时，材料可获得兼具较高强度与良好塑韧性的优异综合性能。

目前，梯度结构金属材料的主要制备方法有：机械变形法、电化学沉积法、热处理法和磁控溅射法等。然而，上述工艺在实际应用过程中，存在很多技术不足，如：制备工序复杂、样品尺寸受限、表层细晶效果不佳、梯度层厚度较小、界面处易产生热应力、材料组织难以实现连续梯度过渡等。

因此，寻求一种理想的高性能轻质金属材料先进制备方法，使材料晶粒尺寸呈现由表层超细晶(亚微米晶或纳米晶)至内部粗晶的连续梯度结构分布，最终获得强度与塑韧性匹配良好的超细晶梯度结构轻质金属材料，对于充分发掘传统金属材料性能潜力，拓宽其工业应用范围，推动梯度结构材料制备技术发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种多效应耦合剧烈塑性变形模具及方法，以解决现有技术所存在的上述问题，满足航空航天结构件在复杂工况条件下苛刻的服役要求，可获得晶粒尺寸多尺度连续分布的超细晶梯度结构高性能轻质金属材料，使其兼具高强度和良好的塑韧性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种多效应耦合剧烈塑性变形模具，包括模具本体，所述模具本体包括挤压凹模和凸模，所述挤压凹模和所述凸模安装于液压机的工作台上；所述挤压凹模内由上至下依次设置有入口通道、第一挤压通道、过渡通道、第二挤压通道和出口通道，所述过渡通道与所述第一挤压通道之间设置有第一转角，所述过渡通道与所述第二挤压通道之间设置有第二转角，所述第一挤压通道与所述第二挤压通道均为螺旋梯度挤压通道，所述螺旋梯度挤压通道内设置有梯度挤压模块，所述梯度挤压模块包括挤压模块上部和挤压模块下部，所述挤压模块上部由上至下呈台阶状扩径，所述挤压模块下部由上至下呈台阶状缩径；所述凸模包括第一凸模和第二凸模，所述第一凸模用于顶入所述入口通道内，所述第二凸模用于顶入所述出口通道内。

优选的，所述挤压凹模包括两个凹模半模，两个所述凹模半模关于所述过渡通道的中心水平纵截面对称设置，并通过螺栓固定连接。