超细晶铝合金深冷锻造制备装置及使用方法

351 编辑：中冶有色技术网来源：中南大学

2024-11-08 16:07:33

权利要求

1.一种超细晶铝合金深冷锻造制备装置，包括装设于锻造液压机上、下工作平台上的锻造压机通用模座(2-0)，其特征在于：还包括液氮制冷系统(1)以及深冷锻造模具总成(2)，所述液氮制冷系统(1)包括自增压液氮容器(1-1)、深冷控制系统(1-2)以及液氮管道(1-3)，所述自增压液氮容器(1-1)通过两路所述液氮管道(1-3)与深冷控制系统(1-2)连接，所述深冷锻造模具总成(2)装设于所述锻造压机通用模座(2-0)上，深冷锻造模具总成(2)内开设有液氮冷却通道，两路所述液氮管道(1-3)的终端分别与一深冷锻造模具总成(2)内的液氮冷却通道相连通，深冷控制系统(1-2)能根据深冷锻造模具总成(2)的温度反馈自动调节液氮流量。

2.根据权利要求1所述的超细晶铝合金深冷锻造制备装置，其特征在于：所述深冷锻造模具总成(2)包括快速连接模座(2-1)和锻造平砧总成(2-3)，所述锻造压机通用模座(2-0)的横截面呈圆形，快速连接模座(2-1)和锻造平砧总成(2-3)的横截面均呈矩形，所述快速连接模座(2-1)的一端装设于锻造压机通用模座(2-0)的圆形表面上，相对的另一端设有矩形凹槽，所述锻造平砧总成(2-3)通过快速连接螺钉(2-2)装设于所述矩形凹槽内，且锻造压机通用模座(2-0)、快速连接模座(2-1)以及锻造平砧总成(2-3)的几何中心线均相重合。

3.根据权利要求2所述的超细晶铝合金深冷锻造制备装置，其特征在于：所述锻造压机通用模座(2-0)的表面上均匀开设有多条径向布置的T型通槽，所述快速连接模座(2-1)上与锻造压机通用模座(2-0)接触的一端四周均设有竖向的安装孔，快速连接模座(2-1)通过穿设于所述T型通槽和安装孔内的T型槽用螺钉(2-6)与锻造压机通用模座(2-0)连接，并通过螺母(2-5)紧固。

4.根据权利要求2所述的超细晶铝合金深冷锻造制备装置，其特征在于：所述快速连接模座(2-1)设有矩形凹槽的一端侧壁上对称设置有多个中心线水平布置的装配通孔，所述锻造平砧总成(2-3)位于矩形凹槽内的一端侧壁上设有与所述装配通孔对应的锥形盲孔，所述快速连接螺钉(2-2)的端部设有锥头，快速连接螺钉(2-2)装设于对应的装配孔和锥形盲孔内并通过所述锥头与锥形盲孔相配合将锻造平砧总成(2-3)紧固于快速连接模座(2-1)上。

5.根据权利要求2所述的超细晶铝合金深冷锻造制备装置，其特征在于：所述锻造平砧总成(2-3)由铍青铜材料制成，包括平砧本体(2-3-3)、长塞块(2-3-1)以及短塞块(2-3-4)，所述平砧本体(2-3-3)内开设有多条通道，各通道均从一侧壁延伸至相对侧壁，相邻2条或3条通道的端部均设有将各通道首尾连通的通槽，通槽内分别装设所述的长塞块(2-3-1)或短塞块(2-3-4)并通过塞块安装螺钉(2-3-2)固定;所述长塞块(2-3-1)、短塞块(2-3-4)、通槽以及多个通道共同组成所述的液氮冷却通道，液氮冷却通道的入口和出口处均设有内螺纹并螺接有液氮转换接口(2-3-5)，入口通过液氮转换接口(2-3-5)与所述液氮管道(1-3)的终端连通，出口与空气连通。

6.根据权利要求5所述的超细晶铝合金深冷锻造制备装置，其特征在于：所述液氮冷却通道设有7条，均为水平布置且对称分布于所述平砧本体(2-3-3)的中心面，所述液氮冷却通道的入口和出口位于同一侧且高于快速连接模座(2-1)上的矩形凹槽顶部，入口位于平砧本体(2-3-3)的中心位置，出口设有两个，分别位于入口的两侧。

7.根据权利要求5所述的超细晶铝合金深冷锻造制备装置，其特征在于：所述平砧本体(2-3-3)的截面呈矩形结构，矩形结构的上下端面对称布置，且上下端面均能作为工作表面使用。

8.根据权利要求5-7任一项所述的超细晶铝合金深冷锻造制备装置，其特征在于：还包括围设于锻造平砧总成(2-3)四周的保温板总成(3)，所述保温板总成(3)包括后端面保温板、侧面保温板以及前端面保温板，各保温板均通过螺栓贴合装设于快速连接模座(2-1)的矩形凹槽内侧壁上，并与锻造平砧总成(2-3)的四周侧壁之间留有间隙;锻造平砧总成(2-3)与快速连接模座(2-1)的矩形凹槽相接触的端面设有柔性隔热层(2-4)。

9.根据权利要求8所述的超细晶铝合金深冷锻造制备装置，其特征在于：所述保温板总成(3)由低导热系数的绝热陶瓷加工而成，所述柔性隔热层(2-4)的厚度为0.5～3mm，所述液氮管道(1-3)为柔性管路且外围包裹保温棉。

10.一种权利要求9所述的超细晶铝合金深冷锻造制备装置的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：将所述锻造压机通用模座(2-0)与锻造液压机的上、下工作平台装配固定，所述快速连接模座(2-1)装设于锻造压机通用模座(2-0)上，所述锻造平砧总成(2-3)装设于快速连接模座(2-1)的矩形凹槽内，并在快速连接模座(2-1)与锻造平砧总成(2-3)之间的间隙设置保温板总成(3);

S2：使用所述液氮管道(1-3)连接自增压液氮容器(1-1)、深冷控制系统(1-2)及锻造平砧总成(2-3)，并设置制冷参数;

S3：开启自增压液氮容器(1-1)对锻造平砧总成(2-3)预冷至温度达到-100℃以下;

S4：启动锻造液压机，设置锻造参数，将提前预冷至-180℃以下的坯料放置在锻造平砧总成(2-3)的平砧本体(2-3-3)中心，涂抹深冷润滑剂后开始锻造，锻造过程中保持液氮制冷系统(1)的开启以维持工作温度的稳定;

S5：循环调整坯料加载轴进行多次下压，直至完成工艺方案;

S6：关闭自增压液氮容器(1-1)，关闭深冷控制系统(1-2)，压机复位，取出工件。

说明书

技术领域

[0001]本发明涉及超细晶铝材制备领域，尤其涉及一种超细晶铝合金深冷锻造制备装置及使用方法。

背景技术

[0002]精确探测、精确制导是空天装备、国防军工的的重要需求，高精密光学系统则是实现该目标的前提。先进光学系统不但要求成像质量好，而且要求体积小、重量轻、结构简单。高精密光学铝镜具有轻量化、高分辨率、宽光谱、低成本等优异特性，目前已被国内外广泛采用。为保证观测精度及成像质量，通常要求镜面加工精度达到纳米级，而晶粒尺度是影响加工精度的关键因素。因此，超细晶镜坯是保证反射镜加工质量的重要前提。然而，目前超细晶铝合金坯料产业化稳定制备装备及方法仍然缺乏。

[0003]超细晶铝合金具优异的强度、韧性、耐蚀性、导电性和导热性。通常，通过强塑性变形工艺可实现超细晶铝合金的制备，主要包括：等径角挤压，高压扭转，多向锻造等方法。其中多向锻造通过加载轴循环变换实现应变累积，较其他工艺具有设备简单、构件形状灵活、变形均匀等优点，可实现多规格超细晶铝合金坯料制备。尽管如此，常规(室温)锻造工艺制备超细晶坯料所需条件仍然十分苛刻：极低应变速率和较小的尺寸以避免变形热引发的动态回复和动态再结晶，极大变形量以累积更多位错。这使得该工艺难以实现产业化应用。

[0004]深冷变形是一种近年来受到广泛关注的塑性变形新方法。低温条件下，铝合金塑性增强，加工硬化率提高，变形均匀性改善;同时，动态回复受到抑制，大量位错被累积，从而促进几何再结晶发生，显著增强了材料晶粒细化能力;激活能增加，动态析出难以发生，促进了后续热处理过程强化相均匀弥散析出。此外，由于基体强度增加，深冷变形对于粗大残余结晶相的剪切破碎能力更强，改善了材料组织均匀性。

[0005]综上所述，设计开发一种深冷锻造装置，实现超细晶铝合金高品质、高效率、多规格、低成本、无污染制备，对我国高端装备、航空航天、国防军工等领域的发展具有重要意义。

发明内容

[0006]本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能实现超细晶铝合金高品质、高效率、多规格、低成本、无污染制备的超细晶铝合深冷锻造制备装置，还提供一种该深冷锻造制备装置的使用方法。

[0007]为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

一种超细晶铝合金深冷锻造制备装置，包括装设于锻造液压机上、下工作平台上的锻造压机通用模座，还包括液氮制冷系统以及深冷锻造模具总成，所述液氮制冷系统包括自增压液氮容器、深冷控制系统以及液氮管道，所述自增压液氮容器通过两路所述的液氮管道与深冷控制系统连接，所述深冷锻造模具总成装设于所述锻造压机通用模座上，深冷锻造模具总成内开设有液氮冷却通道，两路所述液氮管道的终端分别与一深冷锻造模具总成内的液氮冷却通道相连通，深冷控制系统能根据深冷锻造模具总成的温度反馈自动调节液氮流量。

[0008]作为上述技术方案的进一步改进：

进一步的，所述深冷锻造模具总成包括快速连接模座和锻造平砧总成，所述锻造压机通用模座的横截面呈圆形，快速连接模座和锻造平砧总成的横截面均呈矩形，快速连接模座的一端装设于锻造压机通用模座的圆形表面上，相对的另一端设有矩形凹槽，所述锻造平砧总成通过快速连接螺钉装设于所述矩形凹槽内，且锻造压机通用模座、快速连接模座以及锻造平砧总成的几何中心线均相重合。

[0009]进一步的，所述锻造压机通用模座的表面上均匀开设有多条径向布置的T型通槽，所述快速连接模座上与锻造压机通用模座接触的一端四周均设有竖向的安装孔，快速连接模座通过穿设于所述T型通槽和安装孔内的T型槽用螺钉与锻造压机通用模座连接，并通过螺母紧固。

[0010]进一步的，所述快速连接模座设有矩形凹槽的一端侧壁上对称设置有多个中心线水平布置的装配通孔，所述锻造平砧总成位于矩形凹槽内的一端侧壁上设有与所述装配通孔对应的锥形盲孔，所述快速连接螺钉的端部设有锥头，快速连接螺钉装设于对应的装配孔和锥形盲孔内并通过所述锥头与锥形盲孔相配合将锻造平砧总成紧固于快速连接模座上。

[0011]进一步的，所述锻造平砧总成由铍青铜材料制成，包括平砧本体、长塞块、短塞块以及液氮转换接口，所述平砧本体上开设有多条通道，各通道均从一侧壁延伸至相对侧壁，相邻2条或3条通道的端部均设有将各通道首尾连通的通槽，通槽内分别装设所述的长塞块或短塞块并通过塞块安装螺钉固定;所述长塞块、短塞块、通槽以及多个通道共同组成所述的液氮冷却通道，液氮冷却通道的入口和出口处均设有内螺纹并螺接有液氮转换接口，入口通过液氮转换接口与所述液氮管道的终端连通，出口与空气连通。

[0012]进一步的，所述液氮冷却通道设有7条，均为水平布置且对称分布于所述平砧本体的中心面，所述液氮冷却通道的入口和出口位于同一侧且高于快速连接模座上的矩形凹槽顶部，入口位于平砧本体的中心位置，出口设有两个，分别位于入口的两侧。

[0013]进一步的，所述平砧本体的截面呈矩形结构，矩形结构的上下端面对称布置，且上下端面均能作为工作表面使用。

[0014]进一步的，还包括围设于锻造平砧总成四周的保温板总成，所述保温板总成包括后端面保温板、侧面保温板以及前端面保温板，各保温板均通过螺栓贴合装设于快速连接模座的矩形凹槽内侧壁上，并与锻造平砧总成的四周侧壁之间留有间隙;锻造平砧总成与快速连接模座的矩形凹槽相接触的端面设有柔性隔热层。

[0015]进一步的，所述保温板总成由低导热系数的绝热陶瓷加工而成，所述柔性隔热层的厚度为0.5～3mm，所述液氮管道为柔性管路且外围包裹保温棉。

[0016]作为同一种发明构思，本发明还提供一种上述的超细晶铝合金深冷锻造制备装置的使用方法，包括如下步骤：

S1：将所述锻造压机通用模座与锻造液压机的上、下工作平台装配固定，所述快速连接模座装设于锻造压机通用模座上，所述锻造平砧总成装设于快速连接模座的矩形凹槽内，并在快速连接模座与锻造平砧总成之间的间隙设置保温板总成;

S2：使用所述液氮管道连接自增压液氮容器、深冷控制系统及锻造平砧总成，并设置制冷参数;

S3：开启自增压液氮容器对锻造平砧总成预冷至温度达到-100℃以下;

S4：启动锻造液压机，设置锻造参数，将提前预冷至-180℃以下的工件坯料放置在锻造平砧总成的平砧本体中心，涂抹深冷润滑剂后开始锻造，锻造过程中保持制液氮冷系统的开启以维持工作温度的稳定;

S5：循环调整坯料加载轴进行多次下压，直至完成工艺方案;

S6：关闭自增压液氮容器，关闭深冷控制系统，压机复位，取出工件。

[0017]与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明的深冷锻造装置，采用液氮作为制冷剂，具有制冷温度范围大、冷却效率高、绿色无污染等特点。可实现温度在0℃～-160℃范围内任意温度的近等温锻造，可显著提高锻造加工和实验工艺参数的精准度和标准化程度。其中的深冷控制系统通过布置在液氮管道上的电磁阀、手动球阀调整液氮压力、流量，从而控制模具温度，并且可通过布置在模具上的热电偶接收温度反馈，同时自动调整输出参数，实现精准控温。

[0018]2)本发明的深冷锻造装置，由于工作平砧的材料为高导热系数的铍青铜，能够为成形过程提供稳定的深冷环境，从而使铝合金加工硬化能力提高，动态恢复受到抑制，大量位错被累积。并且随着变形量的提升，几何再结晶发生，位错能逐步转变为均匀分布的纳米尺度晶粒。

[0019]3)本发明中的深冷锻造模具总成，包括快速连接模座、快速连接螺钉、锻造平砧总成，通过快速连接螺钉与锻造平砧总成侧面的锥形盲孔配合，可实现装备快速装卸，加工效率明显得到改善。同时，本发明中的平砧本体为上下端面对称设计，上下端面均可作为工作面，一个端面被磨损后可翻面使用另一面，可节约设备成本，提高设备的可靠性。

附图说明

[0020]图1是本发明优选实施例公开的一种超细晶铝合金深冷锻造制备装置的连接结构示意图。

[0021]图2是本发明优选实施例公开的一种超细晶铝合金深冷锻造制备装置的深冷锻造模具总成的轴测装配结构示意图。

[0022]图3是图2的局部剖分示意图。

[0023]图4是本发明优选实施例公开的一种超细晶铝合金深冷锻造制备装置的平砧本体内液氮冷却通道的剖切结构示意图。

[0024]图5是采用本发明实施例公开的一种超细晶铝合金深冷锻造制备装置制备的6061超细晶铝合金的透射图片。

[0025]图例说明：

1、液氮制冷系统;1-1、自增压液氮容器;1-2、深冷控制系统;1-3、液氮管道;2、深冷锻造模具总成;2-0、锻造压机通用模座;2-1、快速连接模座;2-2、快速连接螺钉;2-3、锻造平砧总成;2-3-1、长塞块;2-3-2、塞块安装螺钉;2-3-3、平砧本体;2-3-4、短塞块;2-3-5、液氮转换接口;2-4、柔性隔热层;2-5、螺母;2-6、T型槽用螺钉;3、保温板总成。

具体实施方式

[0026]以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

[0027]实施例1

如图1-如图4所示，一种本发明的超细晶铝合金深冷锻造制备装置实施例，包括液氮制冷系统1、深冷锻造模具总成2、保温板总成3以及装设于锻造液压机上、下工作平台上的锻造压机通用模座2-0。液氮制冷系统1包括自增压液氮容器1-1、深冷控制系统1-2以及液氮管道1-3。自增压液氮容器1-1通过两路液氮管道1-3与深冷控制系统1-2连通，深冷锻造模具总成2装设于锻造压机通用模座2-0上，深冷锻造模具总成2内开设有液氮冷却通道，两路液氮管道1-3的终端分别与一深冷锻造模具总成2内的液氮冷却通道相连通，深冷控制系统1-2能根据深冷锻造模具总成2的温度反馈自动调节液氮流量。其中，自增压液氮容器1-1(液氮罐)的容量需根据工作时长及目标工作温度进行调整，每100L液氮可维持本装备在-100～-120℃稳定工作1小时。深冷控制系统1-2为二通路结构，每个通路上均设置有两个电磁阀、两个手动球阀以控制液氮流通压力及流量，从而控制模具温度，并且可通过布置在模具上的热电偶(现有技术，未在图中示出)接收温度反馈，同时自动调整输出参数，实现精准控温。深冷控制系统1-2的控制柜侧面设有氧浓度检测仪(现有技术，未在图中示出)，当氧气浓度低于15%时蜂鸣报警，以保证现场工作环境的安全。

[0028]本实施例中，深冷锻造模具总成2包括快速连接模座2-1、快速连接螺钉2-2以及锻造平砧总成2-3。锻造压机通用模座2-0的横截面呈圆形，其装设于锻造压机的上下平台上。快速连接模座2-1和锻造平砧总成2-3的横截面均呈矩形结构，快速连接模座2-1的一端装设于锻造压机通用模座2-0的圆形表面上，相对的另一端设有矩形凹槽，锻造平砧总成2-3通过快速连接螺钉2-2装设于矩形凹槽内，且锻造压机通用模座2-0、快速连接模座2-1以及锻造平砧总成2-3的几何中心线均相重合，可避免锻造加工时发生偏载。

[0029]本实施例中，锻造压机通用模座2-0的圆形表面上均设有多条径向布置的T型通槽，快速连接模座2-1上与锻造压机通用模座2-0接触的一端四周均设有竖向的安装孔，快速连接模座2-1通过穿设于T型通槽和安装孔内的T型槽用螺钉2-6与锻造压机通用模座2-0连接，并通过螺母2-5紧固。

[0030]本实施例中，锻造平砧总成2-3采用铍青铜材料加工而成，其热传导系数极高、高强高韧、低温性能优良，以保证模具能快速制冷及坯料工作温度稳定。快速连接螺钉2-2的端部设有锥头，快速连接模座2-1设有矩形凹槽一端的相对两侧壁上对称设置有多个中心线水平布置的装配通孔，锻造平砧总成2-3位于矩形凹槽内的一端侧壁上设有与装配通孔位置对应的锥形盲孔，快速连接螺钉2-2穿设于对应的装配通过孔和锥形盲孔内，其锥头与锥形盲孔相配合将锻造平砧总成2-3紧固于快速连接模座2-1上。该种结构可以实现装备的快速拆装。

[0031]本实施例中，锻造平砧总成2-3包括平砧本体2-3-3、长塞块2-3-1、短塞块2-3-4、塞块安装螺钉2-3-2以及液氮转换接口2-3-5，平砧本体2-3-3上开设有多条通道，各通道均从一侧壁(优选未设置锥形盲孔的侧壁)延伸至相对的侧壁，相邻2条或3条通道的端部设有将各通道首尾连通的通槽(优选为腰圆形)，通槽内分别嵌设与其形状一致的长塞块2-3-1或短塞块2-3-4并通过塞块安装螺钉2-3-2固定，即当相邻2条通道的端部设有通槽时，使用短塞块，当相邻3条通道的端部设有通槽时，使用长塞块。长塞块2-3-1、短塞块2-3-4、通槽以及多个通道共同组成了锻造平砧总成2-3的液氮冷却通道，液氮冷却通道的入口及出口处均设置螺纹，并螺接有液氮转换接口2-3-5，便于快速连接液氮管道1-3。入口通过液氮转换接口2-3-5与液氮管道1-3的终端连通，持续供给液氮，以维持锻造平砧的温度恒定，出口与空气连通，液氮进入液氮冷却通道进行热交换后，会迅速气化，排入空气中(图4中的箭头所示即为液氮的流入和氮气的排出方向)。本实施例中，液氮冷却通道的入口和出口位于同一侧且高于快速连接模座2-1上的矩形凹槽顶部，方便与液氮管道1-3连接。

[0032]本实施例中，锻造平砧总成2-3共设置7条水平布置的液氮冷却通道，且对称分布于平砧本体2-3-3的中心面，以实现模具快速冷却。其中液氮冷却通道的入口设有一个并位于平砧本体2-3-3的中心位置，出口设有两个分设于入口的两侧。

[0033]本实施例中，平砧本体2-3-3的截面呈矩形结构，且为上下对称设计，上下端面皆可使用，即上下端面均是工作表面，使用次数过多致一端磨损后，可翻面继续使用，可降低成本。

[0034]本实施例中，保温板总成3围设于锻造平砧总成2-3四周，采用低导热系数绝热陶瓷加工，包括后端面保温板、侧面保温板以及前端面保温板，各保温板均通过螺栓贴合装设于快速连接模座2-1的矩形凹槽内侧壁上，并与锻造平砧总成2-3的四周侧壁之间留有间隙。各保温板上均设有多条避让槽以及让快速连接螺钉2-2穿过的通孔。锻造平砧总成2-3与快速连接模座2-1的矩形凹槽相接触的端面设有厚度为0.5～3mm的柔性隔热层2-4，可避免快速连接模座2-1与锻造平砧总成2-3接触换热导致能量耗散。

[0035]本实施例中，液氮管道1-3为柔性管路，以保证装配方便快捷，柔性管路的外围包裹保温棉以减少热量散失，减少液氮消耗。

[0036]实施例2

本实施例公开了上述超细晶铝合金深冷锻造装置的使用方法，包括如下步骤：

S1：将锻造压机通用模座2-0与锻造液压机的上、下工作平台装配固定，快速连接模座2-1装设于锻造压机通用模座2-0上，锻造平砧总成2-3装设于快速连接模座2-1的矩形凹槽内，并在快速连接模座2-1与锻造平砧总成2-3之间的间隙设置保温板总成3。

[0037]S2：使用液氮管道1-3连接自增压液氮容器1-1、深冷控制系统1-2及锻造平砧总成2-3，并设置制冷参数。

[0038]S3：开启自增压液氮容器1-1对锻造平砧总成2-3预冷，当模具温度达到-100℃以下后可实施下一步操作。

[0039]S4：启动锻造液压机，设置锻造参数，将提前预冷至-180℃以下的工件坯料放置在锻造平砧总成2-3的平砧本体2-3-3中心，涂抹深冷润滑剂后开始锻造，锻造过程中保持液氮制冷系统1的开启以维持工作温度的稳定。

[0040]S5：循环调整坯料加载轴进行多次下压，直至完成工艺方案。

[0041]S6：关闭自增压液氮容器1-1，关闭深冷控制系统1-2，压机复位，取出工件。

[0042]图5为使用本发明的制备装置制备出的6061超细晶铝合金透视图，从图中可以看出超细晶铝合金材料组织的均匀性得到明显改善。

[0043]以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

说明书附图(5)