[发明专利]一种形变驱动固相挤压装置及用该装置一步法制备合金棒材的方法

说明书

一种形变驱动固相挤压装置及用该装置一步法制备合金棒材的方法。本发明属于粉末冶金技术领域。本发明为了解决粉末冶金法制备合金结构材料过程中需要外加热源，耗时耗能，所得合金材料组织不够细化粗化，且孔隙率大、不够致密的技术问题。装置包括搅拌头、挤压容器和顶杆，搅拌头是由上安装体和下工作体构成的具有中空通道的一体结构，下工作体外表面设置有减阻槽，下工作体置于挤压容器的凹槽内，顶杆置于搅拌头的中空通道内。方法：将合金粉末置于挤压容器中，用搅拌头施加压力并高速旋转实现大塑性变形及摩擦形变热输入，烧结合金粉末并使其沿搅拌头中空通道挤出，一步制得超细晶合金棒材。本发明的方法，成本低、效率高、性能优异、节能环保。

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，具体涉及一种形变驱动固相挤压装置及用该装置一步法制备合金棒材的方法。

背景技术

金属结构材料在国民经济建设中发挥着重要的作用，为满足社会发展和国家安全对结构材料的更高要求，新型材料制备方法已成为突破传统材料局限性的重要途径。粉末冶金法，包括热压烧结、热等静压、等离子体放电烧结等，广泛应用于航空航天、交通运输、电力电子等行业。粉末冶金法作为一种经典的固相材料制备方式，相较于液相制备方式，具有性能优越、环保节能、成本低廉等优点。

然而，目前的粉末冶金技术由于其工艺固有特性，在物理性能、力学性能和工艺等方面还存在着一定的缺陷：（1）晶粒组织不够细化。粉末制备所得的晶粒尺寸比铸造即液相方法要细小，但仍不能满足使用需求。因此，针对粉末冶金所制备的合金结构材料，往往后续需要冷变形或热变形加工的办法进一步细化其晶粒，提高材料的强度、硬度和塑性等力学性能；（2）存在孔隙率，组织不够致密。因为粉末冶金是将粉末直接烧结成为块体结构材料，在没有外加作用的辅助下，粉末间本身的间隙难以彻底消除，从而在一定程度上影响材料的导热导电性能和力学性能；（3）制备效率偏低。由于粉末烧结需要在一定的温度条件下进行，其升温和降温过程需要较长的时间，这使得粉末冶金技术的制备效率下降。

针对以上三点，如能开发一种无需外加热源，且在制备过程中可实现组织超细晶化和致密化的技术，克服粉末冶金制备合金结构材料的固有局限性，提高粉末冶金材料的强度和耐磨性，将大大拓展粉末冶金的应用广度和深度。

发明内容

本发明为了解决粉末冶金法制备合金结构材料过程中需要外加热源，耗时耗能，所得合金材料组织不够细化粗化，且孔隙率大、不够致密的技术问题，而提出了一种在烧结过程中引入大塑性变形与形变产热，实现形变驱动固相挤压粉末一步法制备合金棒材的装置与方法。

本发明的形变驱动固相挤压装置包括搅拌头、挤压容器和顶杆，搅拌头是由上安装体和下工作体构成的具有中空通道的一体结构，下工作体外表面设置有减阻槽，下工作体置于挤压容器的凹槽内，顶杆置于搅拌头的中空通道内。

进一步限定，所述上安装体和下工作体均为圆柱体。

进一步限定，所述上安装体直径略小于下工作体直径。

进一步限定，所述下工作体直径与中空通道直径之比为24：5。

进一步限定，在所述上安装体外表面加工出安装面。

进一步限定，所述下工作体底部的摩擦工作面为内凹圆环面。

进一步限定，所述内凹圆环面内凹5°。

进一步限定，所述下工作体直径与挤压容器内壁直径相等。

进一步限定，所述搅拌头材料为工具钢、硬质合金、钨铼合金或陶瓷，且硬度不低于合金粉末的硬度。

进一步限定，所述挤压容器材料为镁合金、铝合金、锌合金、铜合金、钛合金、钢或硬质合金，且材料主元素与合金粉末一致。

进一步限定，所述顶杆材料为工具钢、硬质合金、钨铼合金或陶瓷，且硬度不低于合金粉末的硬度。