本技术介绍了一种电辅助齿形辊压技术,用于制造具有梯度超细晶组织的板材。该技术通过使用带有压筋的成筋压辊、平整的平筋压辊和光整的矫形压辊,依次与板材表面在预设压力下相对滚动完成辊压。成筋和平筋过程导致板材表面微区大变形,产生塑性变形,破碎和细化晶粒。冷矫形过程使板材恢复原形,形成从内到外晶粒尺寸梯度减小的超细晶组织,提高性能并缩短制造流程。电辅助成形增强了板材表面成形性,优化了板材各向性能一致性,特别适用于难变形金属板材。
背景技术
金属零部件的强韧化一直是新材料与先进制造领域科学研究与工程应用中的重点问题。近几十年,国内外学者通过多种手段(如固溶强化、细晶强化、变形强化、弥散强化及其复合强化手段等)对金属材料进行强化,发现当材料的晶粒尺寸细化到纳米级时,强度和硬度可提高数倍,但其塑性显著降低,即出现“强塑性倒置”问题,限制了金属材料在重载荷、高冲击、复杂交变应力等严苛服役环境下的应用。以中国科学院金属研究所卢柯院士团队等为代表的众多学者研究发现,具有梯度纳米结构的金属材料可打破均匀结构材料中“强度提高,塑、韧性下降”的规律,使得近年来在金属材料中引入梯度纳米晶/超细晶结构成为材料科学、固体力学、成形制造科学领域的研究热点,相较于单一结构材料,多级纳米晶/超细晶结构材料可在变形过程中通过不同特征尺寸的结构相互协调,引入背应力强化效应,进一步优化材料的力学性能,在强度和延展性方面产生协同强化,表面强度、抗疲劳性能、耐磨性能、耐腐蚀性能等性能也能够产生一定程度的改善。根据这些特性,可以摆脱传统高性能材料设计过分依赖于“合金化”或成分调控的困境,通过对低成本金属材料进行梯度纳米晶/细晶化处理,甚至可以达到超过高成本多组元合金材料的力学性能,能够实现材料的“素化”改性,降低材料生产制备成本,减少对稀贵金属资源与能源的消耗,提高材料的回收利用可行性。
制备梯度超细晶板材的技术主要包括三大类:①物理化学沉积法;②大塑性变形法;③能场辅助加工法。物理化学沉积法包括电沉积、磁控溅射等,物理化学沉积法对设备要求高、工艺流程复杂、梯度层薄,一般用于制备薄膜材料,并且制备时间长,限制了其大规模应用,目前仅应用于实验室科学研究过程,尚未实现工业应用。
大塑性变形法或表面大塑性变形法包括表面机械碾压、表面滚压、高压表面滚压、快速旋转滚压、累积叠轧复合退火、模压加工、搅拌摩擦加工等,其对于一些难变形板材有一定的工艺缺陷如:形状不适用(表面机械碾压、表面机械滚压)、难以实现梯度组织制备(模压加工、搅拌摩擦加工)、减薄严重(表面滚压、高压表面滚压、快速旋转滚压)、表面完整性破坏(搅拌摩擦加工、表面机械碾压)、成形困难甚至开裂(模压加工、搅拌摩擦加工、高压表面滚压等)等,上述工艺方法相对容易实现工程化应用。
能场辅助加工法相当于将特种能场应用于大塑性变形制备法中,利用能场的非常规多尺度效用,改善制备效果。代表性的技术包括激光冲击强化(或称激光喷丸)与超声滚压,前者可能会产生过度热损伤和板材局部变形,后者应用于大尺寸板材虽然可以实现镜面加工,但改性效率较低,大尺寸梯度超细晶板材制备流程较长。
对于航空航天领域制备复杂率蒙皮、壁板类构件所需要的难变形合金板材(如TC4合金、GH4169板材、Ti2AlNb基合金板材),为了进一步提升其使用性能,亟需相应的梯度纳米晶/超细晶结构板材制备或改性方法,然而上述材料常温下变形抗力大、易开裂、变形回弹严重,现有工艺难以实现该类板材的高性能短流程制造。
实现思路