[发明专利]钛合金紧固件超声辅助闭塞式旋转梯度挤压方法及装置

说明书

本发明提供了一种钛合金紧固件超声辅助闭塞式旋转梯度挤压方法及装置，利用定凹模与旋转凹模构成上下分块闭塞式浮动凹模结构，由冲头与顶出杆使浮动凹模内形成闭塞的变截面型腔，旋转凹模内腔形成直径渐缩的阶梯结构的梯度成形区；定凹模在成形过程中能够始终紧密贴合于旋转凹模；利用超声发生器经声导杆转化形成的机械振动作为冲头挤压坯料成形的驱动力，以基于超声振动辅助成形技术的梯度挤压与高压扭转复合工艺，成形出钛合金紧固件超细晶梯度组织坯料。本发明在增强梯度挤压工艺的剪切变形能力和晶粒细化效果的同时，降低成形载荷，改善材料成形性能，提高材料的成形极限，能够在相对低温条件下对难变形钛合金进行大变形。

技术领域

本发明涉及材料加工技术领域，更具体地说是一种钛合金紧固件超声辅助闭塞式旋转梯度挤压方法及装置。

背景技术

钛合金紧固件具有轻质高强、抗高温、抗疲劳、耐腐蚀等优良综合性能，是现代航空航天领域高性能轻量化结构件的重要发展方向。以钛合金螺栓为代表的钛合金紧固件一般采用对熔炼锻造加工成的棒料进行镦锻成形；为了提高螺杆的强度，也有采用镦锻成形头部、挤压或其它工艺成形杆部的工艺。钛合金导热性差，摩擦系数较大，粘着性强，成形困难。采用冷成形，易产生折叠、裂纹、内部空腔、绝热剪切及表面开裂等缺陷；采用温热成形，由于感应加热的趋肤效应，会在材料内部形成较大的温度梯度，导致表层晶粒组织比内部粗大。而且传统的变形工艺变形量小，材料形变细化强化效果不理想。

钛合金紧固件在工作过程中受剪切、微动磨损、拉伸、压缩、应力腐蚀、弯曲及疲劳等作用，受力情况非常复杂。钛合金表面硬度较低、导热性差，极易发生粘着磨损和磨粒磨损；而且，在微动和交变应力的作用下，表面通常萌生疲劳裂纹，严重影响零部件的使用寿命和可靠性。强塑性难以同时提升在一定程度上削弱了钛合金紧固件的工业应用潜力，成为制约其发展的瓶颈问题之一。现有的塑性成形工艺难以满足航空航天技术的发展对钛合金紧固件的更高的强塑性、抗疲劳性和耐磨性等的要求，需要突破现有技术的局限，开发新的成形工艺。

研究表明，通过对材料结构的多级构筑可以在有效克服材料性能缺点的同时发挥其性能优势，梯度结构便是其中的一种重要构筑类型。尤其，当材料表层为纳米晶或超细晶、且晶粒尺寸由表层至芯部呈由小到大的梯度分布时，可以使材料兼具优良的塑性及高强度，显著提高耐磨性、抗疲劳性能和表面合金化性能，从而为提高航空航天钛合金紧固件的服役性能提供了新的思路。目前，梯度组织一般采用梯度塑性变形、梯度物理或化学沉积的方法制备。新近发展的梯度挤压工艺是制备梯度组织的最具发展潜力的塑性变形工艺之一。梯度挤压是通过梯度成形单元实现材料表层大应变量的渐次累积，有效促进晶粒由外到内的破碎细化，进而实现坯料晶粒尺寸由内至外逐渐减小，不仅大大提高表层的力学性能，也改善了芯部的延展性，进而提高材料的综合力学性能，从而为高性能钛合金紧固件的加工提供了新的技术途径。但梯度挤压工艺成形载荷大，对难变形高强度钛合金成形困难，易出现表层开裂等缺陷。提高成形温度虽然可以改善钛合金的成形性，但会减少材料内部高能缺陷的累积，影响塑性变形过程中晶粒破碎细化效果；且长时间加热和高温变形易导致晶粒粗化。尤其，梯度挤压工艺变形量和晶粒细化效果有限，很难实现超细晶梯度组织的制备。

发明内容

本发明针对传统生产工艺应用于难变形钛合金紧固件中存在的一些不足与局限性，提出一种钛合金紧固件超声辅助闭塞式旋转梯度挤压方法及实现该方法的装置，以期能够实现高性能钛合金紧固件坯料的成形成性一体化制造，在增强梯度挤压工艺的剪切变形能力和晶粒细化效果的同时，降低成形载荷，改善材料成形性能，提高材料的成形极限，从而在相对较低的变形温度条件下对难变形钛合金进行大变形，获得由表层到内部的稳定可控的超细晶梯度组织结构。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种钛合金紧固件超声辅助闭塞式旋转梯度挤压方法，其特点是：