一种电场辅助高压扭转装置及高压扭转方法

技术领域

本发明涉及一种材料加工工程领域，特别是高压扭转装置及工艺方法。

背景技术

高压扭转工艺是一种典型的剧烈塑性强变形工艺，采用该工艺可以充分细化板材晶粒，使晶粒尺寸达到亚微米或纳米级，从而极大的改善材料的物理化学、力学和塑性变形等性能。高压扭转过程中，模具主要由上模和下模组成，工作时上模下行并对试样施加压力，达到既定压力后下模开始转动，通过主动摩擦在试样端面上施加一个扭矩，在扭矩和压力的作用下使试样发生压缩变形和剪切变形。

高压扭转工艺通常在常温下进行，一般适用于材料具有较好的塑性变形能力的材料，如果材料的塑性变形能力很差，在扭转过程中会出现破裂现象。如何使难变形材料通过高压扭转变形工艺细化晶粒尺寸是目前研究的重点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于室温塑性差，难变形合金材料的电场辅助高压扭转装置及高压扭转方法。

本发明的电场辅助高压扭转装置主要包括机架、液压缸、上下压头、上下电极板、上下绝缘垫板、锥齿轮、直齿轮减速器、传动轴、伺服电机、水冷机和直流脉冲电源。其中，液压缸的缸体设在机架的上端，而竖直的液压缸活塞杆下端从上至下依次设上绝缘垫板、上电极板及上压头底座并由穿过它们的紧固件连在一起。上压头下端即上工作面与下压头上端即下工作面相对，该下压头底座下面从上至下依次设下电极板、下绝缘垫板及阶梯轴并由穿过它们的紧固件连在一起。阶梯轴的台肩沉入机架下横梁，并通过固定板和螺栓固定在机架上。轴线呈竖直的阶梯轴下端设有一个通过圆螺母固定的从动锥齿轮，其与主动锥齿轮啮合，该主动锥齿轮设在轴线呈水平的传动轴上并通过圆螺母固定，该传动轴的两端设在机架的轴承座上，并且传动轴一端通过直齿减速器与伺服电机输出端相连。所述上、下压头内部设空腔，每个压头上分别设有进、出水口，该进、出水口分别通过水管与水冷机的进、出水口相连，水管为长度足够的软管，从而在对试样进行压缩扭转的同时冷却压头，防止压头因局部过热产生变形，其中下进、出水管跟随下压头一起转动，所述上、下电极板分别与直流脉冲电源相连，通电后可迅速给试样加热并实现保温。

本发明的电场辅助高压扭转方法具体如下：

1、将试样放在下压头中心位置，启动液压缸，使活塞杆驱使上压头下行，给试样施加3-5Gpa压力。

2、打开直流脉冲电源，将电流调至2000-5000A，于是脉冲电流产生的等离子体能使试样内部离子放电产热，试样温度迅速升至300℃～800℃并进行保温。同时启动水冷机。

3、启动伺服电机，其通过直齿减速器及一组锥齿轮驱使下压头匀速转动1-3圈，进而为下压头提供切向剪切扭矩。

本发明的工作原理：在高压扭转过程中，通过电场辅助，使试样在特定的温度下进行高压扭转，同时在脉冲电流的作用下，定向电子会对金属合金中的位错施加一定的推动力，帮助位错越过前进中的障碍，从而提高金属合金的塑性和韧性，改善其微观组织与力学性能。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明能使室温塑性差，难变形的合金材料在电场作用和一定温度条件下进行高压扭转变形。

2、本发明的装置结构简单，容易操作。

3、本发明的方法使室温塑性差，难变形合金材料的高压扭转变形成为可能。

附图说明

图1为本发明高压扭转装置的主视示意简图；

图2为本发明高压扭转装置的工作原理简图。

图中：1-机架，2-传动轴，3-主动锥齿轮，4-从动锥齿轮，5-固定板，6-阶梯轴，7-下绝缘垫板，8-下电极板，9-下压头，10-试样，11-上压头，12-上电极板，13-上绝缘垫板，14-液压缸活塞杆，15-液压缸，16-螺栓，17-水管，18-水冷机，19-直流脉冲电源，20-工作台，21-伺服电机，22-直齿轮减速器，23、24-圆螺母。

具体实施方式

在图1和图2所示的电场辅助高压扭转装置的主视示意简图中，液压缸15的缸体设在机架1的上端，而竖直的液压缸活塞杆14下端从上至下依次设上绝缘垫板13、上电极板12及上压头11底座并由穿过它们的螺栓16连在一起。上压头下端即上工作面与下压头9上端即下工作面相对，该下压头底座下面从上至下依次设下电极板8、下绝缘垫板7及阶梯轴6并由穿过它们的螺栓连在一起。阶梯轴6的台肩沉入机架1下横梁，并通过固定板5和螺栓固定在机架1上。轴线呈竖直的阶梯轴6下端设有一个通过圆螺母23固定的从动锥齿轮4，其与主动锥齿轮3啮合，该主动锥齿轮设在轴线呈水平的传动轴2上并通过圆螺母24固定，该传动轴的两端设在机架的轴承座上，并且传动轴2一端通过直齿减速器22与伺服电机21输出端相连。所述上、下压头内部设空腔，每个压头上分别设有进、出水口，该进、出水口分别通过水管17与水冷机18的进、出水口相连，水管17为长度足够的软管，其中下进、出水管跟随下压头一起转动，所述上、下电极板分别与设在工作台20上的直流脉冲电源19相连。

实施例1

将直径为10mm、高度为1mm的ZrTiAlV合金锆合金试样10放置在下压头中心位置，启动液压缸，使活塞杆驱使上压头下行，给试样施加3GPa压力。打开直流脉冲电源，将电流调至2000A，于是脉冲电流产生的等离子体能使试样内部离子放电产热，试样温度迅速升至300℃并进行保温。同时启动水冷机。启动伺服电机，其通过直齿减速器及一组锥齿轮驱使下压头匀速转动1圈，扭转得到的锆合金试样直径变为13mm、厚度变为0.6mm。平均晶粒尺寸由原始300～350μm变为30μm。

实施例2

将直径为10mm、高度为2mm的ZrTiAlV合金锆合金试样放置在下压头中心位置，启动液压缸，使活塞杆驱使上压头下行，给试样施加4GPa压力。打开直流脉冲电源，将电流调至3000A，于是脉冲电流产生的等离子体能使试样内部离子放电产热，试样温度迅速升至450℃并进行保温。同时启动水冷机。启动伺服电机，其通过直齿减速器及一组锥齿轮驱使下压头匀速转动2圈，扭转得到的锆合金试样直径变为16mm、厚度变为0.8mm。平均晶粒尺寸由原始300～350μm变为10μm。

实施例3

将直径为20mm、高度为1mm的ZrTiAlV合金锆合金试样放置在下压头中心位置，启动液压缸，使活塞杆驱使上压头下行，给试样施加4GPa压力。打开直流脉冲电源，将电流调至4000A，于是脉冲电流产生的等离子体能使试样内部离子放电产热，试样温度迅速升至650℃并进行保温。同时启动水冷机。启动伺服电机，其通过直齿减速器及一组锥齿轮驱使下压头匀速转3圈，扭转得到的锆合金试样直径变为28mm、厚度变为0.5mm。平均晶粒尺寸由原始300～350μm变为5μm。

实施例4

将直径为20mm、高度为2mm的ZrTiAlV合金锆合金试样放置在下压头中心位置，启动液压缸，使活塞杆驱使上压头下行，给试样施加5GPa压力。打开直流脉冲电源，将电流调至5000A，于是脉冲电流产生的等离子体能使试样内部离子放电产热，试样温度迅速升至800℃并进行保温。同时启动水冷机。启动伺服电机，其通过直齿减速器及一组锥齿轮驱使下压头匀速转动3圈，扭转得到的锆合金试样直径变为34mm、厚度变为0.7mm。平均晶粒尺寸由原始300～350μm变为15μm。