王 強(qiáng), 薛 勇, 于建民, 張治民
(1. 中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 山西 太原 030051;2. 中北大學(xué) 國(guó)防科技工業(yè)復(fù)雜構(gòu)件擠壓成形技術(shù)創(chuàng)新中心, 山西 太原 030051)
劇烈塑性變形(Severe plastic deformation, SPD)是在變形過(guò)程中引入大的應(yīng)變量而制備出超細(xì)晶(<1 μm)材料的一種技術(shù)手段[1]. 相對(duì)于常規(guī)的塑性變形方法, 劇烈塑性變形方法大多通過(guò)應(yīng)變累積產(chǎn)生更大的變形量, 可以有效細(xì)化金屬并獲得亞微米甚至納米尺寸的晶粒, 能制備同時(shí)具有高強(qiáng)度與大塑性的塊體材料, 通常具有發(fā)生劇烈塑性成形后試樣形狀和尺寸僅發(fā)生微小改變的特點(diǎn). 劇烈塑性變形技術(shù)的發(fā)展, 從Bridgman采用壓縮和剪切復(fù)合變形研究高壓對(duì)塊體金屬的影響后發(fā)展為高壓扭轉(zhuǎn) (High pressure torsion, HPT)[2], 到Segal在研究純剪切變形的基礎(chǔ)上提出等通道轉(zhuǎn)角擠壓(Equal-channel angular pressing, ECAP)[3], 直到Valiev首次對(duì)SPD方法制備的納米材料開(kāi)展研究并證實(shí)其所獲得材料的優(yōu)異性能的潛力[4]. 作為一種新興的制備成形工藝, 近年來(lái), 劇烈塑性變形技術(shù)引起了世界各國(guó)科研工作者的極大興趣, 他們大量研究了劇烈塑性變形對(duì)材料組織性能的影響, 發(fā)展了基于軋制、 鍛造、 擠壓等的多種劇烈塑性變形方法.
作為一種材料加工技術(shù), 劇烈塑性變形技術(shù)可用于棒、 板、 管等形狀材料的成形制備. 按照成形制備的材料數(shù)量, 有單件成形和連續(xù)多件成形; 根據(jù)成形制備工序數(shù)量, 有一步成形和多步成形; 而按照成形過(guò)程中剪應(yīng)力產(chǎn)生條件, 有內(nèi)生剪切變形和外摩擦剪切變形. Bagherpour等將現(xiàn)有發(fā)展的120余種劇烈塑性變形方法, 分為基于ECAP、 正/反擠壓、 軋制、 鍛造、 高壓下扭轉(zhuǎn)/剪切與復(fù)合型技術(shù)六類[5].
擠壓是將金屬毛坯放入裝在塑性成形設(shè)備上的模具型腔內(nèi), 在一定的壓力和速度作用下, 迫使金屬毛坯產(chǎn)生塑性流動(dòng)從型腔中擠出或流入型槽內(nèi), 從而獲得所需形狀及尺寸并具有一定力學(xué)性能擠壓件的工藝技術(shù). 根據(jù)擠壓時(shí)金屬流動(dòng)方向和凸模運(yùn)動(dòng)方向之間的關(guān)系, 可分為正擠壓、 反擠壓、 復(fù)合擠壓和徑向擠壓. 擠壓作為有色金屬、 鋼鐵材料生產(chǎn)與零件成形加工的主要工藝之一, 已得到廣泛的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用. 由于擠壓時(shí)強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài)可提高金屬的變形能力, 以及同時(shí)具有擠壓產(chǎn)品范圍廣、 生產(chǎn)效率高、 工藝流程簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)勢(shì), 因此, 近年來(lái)人們發(fā)展了大量基于擠壓的劇烈塑性變形技術(shù).
分析關(guān)于劇烈塑性變形技術(shù)的綜述性文章, 大多集中于對(duì)某種劇烈塑性變形(如ECAP、 HPT等)的概述, 以及對(duì)某種金屬材料(如鈦合金、 鎂合金等)劇烈塑性變形的研究, 而有關(guān)基于擠壓的劇烈塑性變形少有述及. 基于此, 本文綜述了基于擠壓的劇烈塑性變形技術(shù)的發(fā)展, 對(duì)基于擠壓的劇烈塑性變形方法進(jìn)行了分類總結(jié), 闡明了這些變形方法的基本原理、 變形特點(diǎn)及應(yīng)用, 分析了其現(xiàn)有應(yīng)用并提出發(fā)展方向.
正擠壓時(shí)金屬坯料的流動(dòng)方向與凸模運(yùn)動(dòng)方向相一致, 可分為實(shí)心件正擠壓(如圖 1(a))和空心件正擠壓(如圖 1(b)). 擠壓件的斷面形狀可以是圓形也可以是非圓形. 基于正向擠壓, 發(fā)展了如大比率擠壓、 靜液擠壓、 循環(huán)累積正擠壓、 交替擠壓、 渦旋擠壓等多種劇烈塑性變形技術(shù).
(a) 實(shí)心件正擠壓
(b) 空心件正擠壓
當(dāng)擠壓變形程度較大時(shí)(擠壓比通常大于50), 即定義為大比率擠壓(High ratio extrusion, HRE), 其工藝可以為一次大比率擠壓和多次累積大比率擠壓. 作為大塑性變形的有效工藝, 大比率擠壓近年來(lái)得到一定程度的發(fā)展, 但大多數(shù)材料由于塑性受限, 很難一次達(dá)到如此大的變形量.
1893年, 英國(guó)的Robertson提出的靜液擠壓(Hydro-extrusion, HE), 其原理圖如圖 2 所示, 是采用高壓液體代替通常的凸模將坯料擠出凹模的一種加工方法. 良好的潤(rùn)滑條件和均勻的金屬流動(dòng)性, 有利于降低擠壓力并實(shí)現(xiàn)大變形程度的擠壓. 靜液擠壓可以用于如鈦合金、 高溫合金、 難熔金屬等難變形材料的加工.
圖 2 靜液擠壓示意圖
循環(huán)累積正擠壓(Multiple direct extrusion, MDE; Accumulated extrusion, AE)示意圖如圖 3 所示. 對(duì)正擠壓獲得的坯料, 沿長(zhǎng)度方向等分鋸切后拼合為擠壓前的形狀, 采用同一模具再次進(jìn)行擠壓, 如此循環(huán)至所需變形量. 通常采用方形擠壓筒、 矩形凹???, 再次擠壓時(shí)可對(duì)坯料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以獲得不同路徑. 圖 3(a) 為等分2塊擠壓, 每道次獲得50%的斷面縮減率, 對(duì)20 mm×20 mm×50 mm的純銅進(jìn)行4道次循環(huán)擠壓, 2道次擠壓后其抗拉強(qiáng)度提高1倍, 斷后伸長(zhǎng)率保持在25%[6]. 圖 3(b) 為等分4塊擠壓, 每道次獲得75%的斷面縮減率, 對(duì)4塊50 mm×20 mm×5 mm AA1050合金進(jìn)行8道次循環(huán)擠壓, 制備了65 536層厚度79 nm的薄層材料[7].
圖 4 為交替擠壓(Alternate extrusion, AE)示意圖. 擠壓凸模采用分體式代替?zhèn)鹘y(tǒng)整體式, 設(shè)定每次下壓量, 分體式凸模依次交替擠壓坯料, 直至變形結(jié)束. 擠壓比的實(shí)際值較理論值有所減小, 但交替擠壓過(guò)程中產(chǎn)生的剪切力, 有利于細(xì)化晶粒并提高性能. 采用如圖 4 左、 右對(duì)稱兩體式凸模, 將Φ30 mm×30 mm的AZ31鎂合金分別擠壓成Φ12 mm, Φ9 mm的實(shí)驗(yàn)表明, 其擠壓力約為傳統(tǒng)方法的1/2, 獲得了平均晶粒分別為 6.5 μm, 5.3 μm 的擠壓棒材[8].
(a) 等分2塊擠壓
(b) 等分4塊擠壓
圖 4 交替擠壓示意圖
圖 5 渦旋擠壓示意圖
研究者通過(guò)改變正擠壓凹模內(nèi)形發(fā)展了一系列擠壓新技術(shù), 如在凹模內(nèi)表面設(shè)置螺旋式凹痕實(shí)現(xiàn)如圖 5 所示的渦旋擠壓(Vortex extrusion, VE)[9], 在常規(guī)擠壓凹?;A(chǔ)上增設(shè)連續(xù)變截面型腔實(shí)現(xiàn)如圖 6 所示的變截面正擠壓(Variable cross-section direct extrusion, CVCDE)[10], 以及采用階梯型凹模實(shí)現(xiàn)如圖 7 所示的階梯擠壓(Gradation extrusion, GE)[11]. 這些方法不需要專用的扭轉(zhuǎn)裝置即可對(duì)坯料施加剪切變形, 在相同擠壓比(截面積變化)下可獲得更大的應(yīng)變, 尤其有利于在擠出件外表層形成細(xì)晶粒.
圖 6 變截面正擠壓示意圖
圖 7 階梯擠壓示意圖
反擠壓時(shí)金屬坯料的流動(dòng)方向與凸模的運(yùn)動(dòng)方向相反, 可成形斷面是圓形、 方形、 長(zhǎng)方形等的空心件(如圖 8 所示). 基于反向擠壓, 發(fā)展了如多次循環(huán)累積反擠壓、 小直徑坯料擠壓、 擴(kuò)收擠壓等多種劇烈塑性變形技術(shù).
圖 8 反擠壓示意圖
多次循環(huán)累積反擠壓(Accumulative back extrusion, ABE)示意圖如圖 9 所示. 采用內(nèi)、 外雙凸模順次作用于材料, 首先內(nèi)凸模反擠壓坯料, 金屬流動(dòng)進(jìn)入內(nèi)凸模和凹模間隙形成筒壁, 而后外凸模作用于工件壁部, 將擠壓件變形到初始的尺寸, 可多次循環(huán)累積獲得劇烈塑性變形. 如對(duì)AA1050合金3道次循環(huán)變形后, 其初始晶粒由47 μm細(xì)化到 500 nm, 顯微硬度由31 Hv 提高到 67 Hv[12].
圖 9 累積反擠壓示意圖
小直徑坯料擠壓(Backward extrusion using small diameter billet)示意圖如圖 10 所示, 其裝置主要包括固定凸模、 活動(dòng)凸模和凹模. 小直徑坯料置于固定凸模內(nèi)孔(坯料室), 其在活動(dòng)凸模的施壓下變形流動(dòng)至固定凸模和凹模的間隙, 固定凸模內(nèi)、 外圓角和凹模圓角的設(shè)置減小了金屬流動(dòng)阻力. 對(duì)設(shè)定尺寸的鉛材料擠壓結(jié)果表明, 與傳統(tǒng)反擠壓相比, 等效應(yīng)變提高1倍, 成形力減小到 1/4[13]. 在此基礎(chǔ)上發(fā)展的靜液反擠壓(如圖 11 所示)進(jìn)一步擴(kuò)大了其優(yōu)勢(shì), 同時(shí)也更適用于難變形材料的擠壓變形[14].
圖 10 小直徑坯料擠壓示意圖
圖 11 靜液反擠壓示意圖
擴(kuò)收擠壓成形技術(shù)(Expanding-reducing extrusion, ERE)如圖 12 所示, 即設(shè)計(jì)帶有活動(dòng)芯軸的凸模, 對(duì)擠壓擴(kuò)孔制備的空心坯料進(jìn)行反擠壓, 而后芯軸退回對(duì)底部進(jìn)行鐓粗收口至所需尺寸. 由于難變形區(qū)的去除和分流面的改變, 有效提高了底部變形量, 同時(shí)降低了擠壓成形力. 對(duì)外徑Φ515 mm鋁合金筒體擠壓的研究表明, 其底部等效應(yīng)變比傳統(tǒng)擠壓至少提高了1倍, 并且該技術(shù)已應(yīng)用于鋁、 鎂合金輪盤件等底部帶中心孔的筒形零件的成形[15].
圖 12 空心坯料擴(kuò)收擠壓示意圖
復(fù)合擠壓時(shí)一部分金屬坯料的擠出方向與凸模運(yùn)動(dòng)方向相同, 另一部分金屬坯料的擠出方向與凸模運(yùn)動(dòng)方向相反, 是正擠和反擠的復(fù)合, 如圖 13 所示, 可用于制造斷面是圓形、 方形、 六角形、 齒形等的雙杯類、 杯-桿類或桿-桿類擠壓件, 也可以制造等斷面的不對(duì)稱擠壓件.
圖 13 正-反復(fù)合擠壓示意圖
研究者在常規(guī)復(fù)合擠壓的基礎(chǔ)上發(fā)展了循環(huán)正-反復(fù)合擠壓(Cyclic forward-backward extrusion, CFBE), 以實(shí)現(xiàn)劇烈塑性變形, 如圖 14 所示[16]. 其裝置主要包括內(nèi)、 外上凸模和下凸模, 第一步內(nèi)上凸模作用于坯料, 正反復(fù)合擠壓形成杯-桿類擠壓件, 第二步外上凸模、 下凸模分別施壓于杯壁部和桿部, 將擠壓件變形到初始的尺寸, 完成一次變形, 可多次循環(huán)且在不改變材料形狀的情況下獲得劇烈塑性變形. 1050鋁合金材料經(jīng)一次變形, 其晶粒由47 μm細(xì)化至約1 μm.
圖 14 循環(huán)正-反復(fù)合擠壓示意圖
擠壓與壓縮、 脹形、 鐓粗等其它變形方式聯(lián)合, 發(fā)展了一系列劇烈塑性變形技術(shù), 如往復(fù)擠壓法(Cyclic extrusion-compression, CEC)[17]、 循環(huán)擴(kuò)擠(Cyclic expansion- extrusion, CEE)[18]和循環(huán)鐓擠 (Repetitive extrusion-upsetting, REU)[19], 其變形如圖 15 所示.
(a) 往復(fù)擠壓
(b) 循環(huán)擴(kuò)擠
(c) 循環(huán)鐓擠
材料經(jīng)過(guò)往復(fù)來(lái)回的變形, 可以獲得大的應(yīng)變而沒(méi)有試樣破裂的危險(xiǎn). 如圖15(c)所示為循環(huán)鐓擠變形工藝示意圖, 即聯(lián)合鐓粗和擠壓兩種工藝, 通過(guò)正擠壓將棒料直徑由D減小為d, 再通過(guò)鐓粗將棒料直徑由d增加為D, 如此擠壓-鐓粗-擠壓-反復(fù)變形, 依靠應(yīng)變累積實(shí)現(xiàn)劇烈塑性變形, 獲得較單獨(dú)擠壓或鐓粗更大的變形量.
等通道轉(zhuǎn)角擠壓(Equal channel angular pressing, ECAP)是前蘇聯(lián)科學(xué)家Segal在20世紀(jì)80年代為了獲得純剪切變形首次提出的大塑性變形新方法之一[3]. 等通道轉(zhuǎn)角擠壓的工作原理如圖 16 所示, 將試樣放入由兩個(gè)相交的等徑通道組成的擠壓模具中, 沖頭壓力以恒定的速度將試樣壓入通道, 試樣在轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生均勻劇烈的剪切變形. 由于擠壓前后試樣的橫截面積保持不變, 故可以反復(fù)擠壓, 使變形量累積疊加獲得更大的變形量. 試樣在進(jìn)入ECAP下一個(gè)道次之前, 可沿著中心對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)一定的角度, 產(chǎn)生4種不同的路徑, 如圖 17 所示[20].
圖 16 等通道轉(zhuǎn)角擠壓示意圖
圖 17 ECAP 4種擠壓路線示意圖
不同的ECAP路徑條件會(huì)改變金屬的變形與晶粒細(xì)化機(jī)制, 除此之外, 模角ψ和Φ、 摩擦系數(shù)、 擠壓溫度、 擠壓速度等都對(duì)ECAP變形有直接的影響, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者已大量研究和描述了這些參數(shù)對(duì)ECAP變形應(yīng)變量、 應(yīng)變分布均勻性、 加工材料的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能特征的影響. ECAP變形技術(shù)的應(yīng)用研究已有報(bào)道, 如: 制備的超細(xì)晶鋁、 銅物理氣相沉積濺射靶用于半導(dǎo)體芯片鍍膜, 獲得了更高的使用壽命和更均勻的沉積涂層; 制備的具有均勻納米結(jié)構(gòu)的純鈦?zhàn)鳛獒t(yī)學(xué)材料, 在種植牙和骨釘上使用; 細(xì)化了鎂合金晶粒并獲得大角度晶界, 可提高鎂合金的儲(chǔ)氫性能[5].
近年來(lái), 國(guó)內(nèi)外研究者在對(duì)基本型ECAP模具研究與改進(jìn)的基礎(chǔ)上, 發(fā)展了多種ECAP技術(shù), 本文統(tǒng)稱之為衍生型ECAP. 如多級(jí)連續(xù)ECAP(如圖 18(a) 所示), 其原理相當(dāng)于傳統(tǒng)的ECAP路徑C, 多級(jí)連續(xù)擠壓1道次相當(dāng)于普通ECAP擠壓5道次, 可以提高擠壓效率[21]. 雙通道ECAP, 不僅有鐓擠變形的效果, 而且1個(gè)道次的過(guò)程中試樣發(fā)生2次剪切, 如圖 18(b) 所示[22]. 側(cè)擠ECAP如圖18(c)所示, 原理是依次改變壓頭施加載荷的方向?qū)崿F(xiàn)ECAP擠壓, 可以連續(xù)擠壓10道次[23]. 施加部分背壓力ECAP(Equal channel angular pressing-Partial back pressure, ECAP-PBP)模具如圖 18(d) 所示[24], 將等通道轉(zhuǎn)角擠壓設(shè)計(jì)成兩個(gè)主要部分, 一部分設(shè)置Φ和ψ轉(zhuǎn)角, 在此處試樣的變形與傳統(tǒng)ECAP相同, 通過(guò)剪切作用細(xì)化晶粒; 另一部分設(shè)置成直徑較小的通道, 通過(guò)部分背壓力使試樣尺寸發(fā)生變化, 可提高材料的塑性, 可比傳統(tǒng)ECAP產(chǎn)生更大的塑性形變, 從而提高合金的力學(xué)性能.
(a) 多級(jí)連續(xù)ECAP
(b) 雙通道ECAP
(c) 側(cè)擠ECAP
(d) ECAP-PBP
與等通道轉(zhuǎn)角擠壓類似, 扭轉(zhuǎn)擠壓(Twist extrusion, TE)[25]、 簡(jiǎn)單剪切擠壓(Simple shear extrusion, SSE)[26]同樣依靠剪切產(chǎn)生劇烈塑性變形, 如圖 19(a)和圖 19(b) 所示. 不同的是, TE存在分別垂直和平行于試樣軸向的兩個(gè)剪切面, 其模具型腔由兩個(gè)棱柱形區(qū)域和扭轉(zhuǎn)部分組成, 棱柱形試樣由入口壓入, 模具出口處的背壓為試樣變形提供了高靜水壓力, 使試樣在扭轉(zhuǎn)區(qū)域產(chǎn)生簡(jiǎn)單剪切變形, 形成具有大應(yīng)變梯度的類渦旋流動(dòng); 試樣從出口壓出后保持了初始截面, 可以多次重復(fù)以累積變形, 而順時(shí)針、 逆時(shí)針兩個(gè)方向的扭轉(zhuǎn)模導(dǎo)致了TE的兩條變形路線. 外接圓直徑為40 mm的純銅經(jīng)4道次扭轉(zhuǎn)擠壓后, 獲得平均晶粒從外表50 μm到心部0.5 μm的梯度組織, 其維氏硬度表現(xiàn)出與組織較好的一致性[27]. 在TE基礎(chǔ)上, 逐漸發(fā)展出了平面扭轉(zhuǎn)擠壓(Planar twist extrusion, PTE)[28]和偏心扭轉(zhuǎn)擠壓(Off-axis twist extrusion, OTE)[29]等變形方式, 分別如圖 19(c), 圖 19(d)所示. 扭轉(zhuǎn)擠壓與上述介紹的渦旋擠壓相同, 不需要專用的扭轉(zhuǎn)裝置, 而不同之處在于TE變形后試樣保持了初始截面, 而VE變形后試樣截面變小.
(a) 扭轉(zhuǎn)擠壓
(b) 簡(jiǎn)單剪切擠壓
(c) 平面扭轉(zhuǎn)擠壓
(d) 偏心扭轉(zhuǎn)擠壓
純剪切擠壓(Pure shear extrusion, PSE)是基于純剪切變形的一種SPD技術(shù), 如圖 20(a) 所示, 坯料在Ⅰ區(qū)入口, Ⅳ區(qū)出口, Ⅱ、 Ⅲ區(qū)發(fā)生變形. 坯料截面由方形逐漸變?yōu)榱庑危?截面積始終保持不變, 其變形量取決于x向伸長(zhǎng)量、y向縮短量. AA6063, AA105材料的擠壓實(shí)驗(yàn)證明了純剪切晶粒細(xì)化的可行性[30]. 分析研究表明, 直徑比DR、 模具參數(shù)(如圖20(b))等對(duì)PSE等效應(yīng)變、 成形力有直接的影響[31].
圖 20 純剪切擠壓示意圖
在常規(guī)擠壓工藝基礎(chǔ)上, 通過(guò)對(duì)擠壓模具(凸模、 凹模、 擠壓筒)施加扭轉(zhuǎn)力矩使其旋轉(zhuǎn), 如圖 21(a) 所示正擠壓筒旋轉(zhuǎn)[32], 圖 21(b) 所示正擠壓凹模旋轉(zhuǎn)[33], 圖 21(c) 所示反擠壓凹模旋轉(zhuǎn)[34], 迫使模具與坯料在擠壓過(guò)程中周向相對(duì)運(yùn)動(dòng), 在外摩擦作用下材料發(fā)生剪切變形, 同時(shí)可減小變形死區(qū), 一定程度上提高了擠壓變形量及其均勻性. 理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果均證明, 旋轉(zhuǎn)角速度、 模具表面光潔度等是影響變形的主要參數(shù), 但其對(duì)材料組織和性能影響的研究較少.
為實(shí)現(xiàn)單道次劇烈塑性變形, 研究者提出了開(kāi)口凸模旋轉(zhuǎn)反擠壓(Rotary backward extrusion, RBE)工藝, 如圖21(d)所示[35], 即采用端面開(kāi)口的凸模對(duì)變形體軸向擠壓的同時(shí), 通過(guò)主動(dòng)摩擦作用在其橫截面上施加扭矩, 使變形體產(chǎn)生軸向擠壓和切向剪切變形, 同時(shí)凸模開(kāi)口形成微區(qū)連續(xù)累積變形. 研究結(jié)果表明, 該工藝大幅提高了反擠壓杯形件底部和內(nèi)壁的變形量, 在細(xì)化晶粒、 弱化織構(gòu)等方面均表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)[36-37].
圖 21 旋轉(zhuǎn)擠壓示意圖
將基本擠壓工序和上述單一劇烈塑性變形方法集成在同一模具中, 如正擠壓+等通道轉(zhuǎn)角擠壓(FE-ECAP)[38]、 等通道轉(zhuǎn)角擠壓+正擠壓(ECAP-FE)[39]; 或?qū)⑸鲜鰞煞N不同的劇烈塑性變形方法集成于同一模具中, 如等通道轉(zhuǎn)角擠壓+扭轉(zhuǎn)擠壓(ECAP-TE)[40]、 液壓擠壓+等通道轉(zhuǎn)角擠壓(HECCAP)[41], 如圖 22 所示. 這些集成組合式劇烈塑性變形新方法, 可以獲得更為顯著的變形效果.
另一種集成組合模式, 是將基于擠壓的兩種不同劇烈塑性變形方法, 或其它劇烈塑性變形方法, 混合應(yīng)用于一個(gè)工藝中, 在獲得更劇烈變形的同時(shí), 制備出所需合適的塊體材料. 如液壓擠壓+高壓扭轉(zhuǎn)混合變形方法, 通過(guò)液壓擠壓制得的5483鋁合金棒料, 切片后進(jìn)行了10圈的高壓扭轉(zhuǎn), 其晶粒從單獨(dú)高壓扭轉(zhuǎn)的大約90 nm可細(xì)化至大約60 nm, 同時(shí)大角度晶界占比增加, 顯微硬度值提高[42]. 實(shí)際上, 現(xiàn)有單一劇烈塑性變形方法可以進(jìn)行多種組合應(yīng)用, 但帶來(lái)的明顯不足是工藝流程更復(fù)雜, 成形制備成本更高.
圖 22 集成組合擠壓示意圖
劇烈塑性變形通過(guò)循環(huán)多次應(yīng)變累積和(或)剪切變形產(chǎn)生了更大的變形量, 制備的超細(xì)晶金屬材料具有更高的強(qiáng)度、 硬度和耐磨性能, 體現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿? 基于擠壓變形的諸多優(yōu)勢(shì), 近年來(lái), 發(fā)展了許多基于擠壓的劇烈塑性變形技術(shù), 以及面向劇烈塑性變形的擠壓新技術(shù). 本文分類總結(jié)了基于擠壓的劇烈塑性變形技術(shù), 闡述了典型方法的基本原理、 變形特點(diǎn)及其優(yōu)缺點(diǎn).
綜合分析基于擠壓的劇烈塑性變形技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀, 提出下列需重點(diǎn)研究解決的問(wèn)題和發(fā)展方向: (1) 由于模具和工藝的限制, 使得其生產(chǎn)效率低, 成本高, 嚴(yán)重制約了SPD 工藝在生產(chǎn)中的應(yīng)用; 縮短工藝流程, 降低生產(chǎn)成本, 是SPD技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向. (2) 大多數(shù)SPD工藝制備的塊體材料尺寸較小, 主要為小體積棒、 板、 管等塊狀材料; 用于大尺寸塊狀材料的制備, 乃至實(shí)現(xiàn)零構(gòu)件的成形制造, 是SPD技術(shù)發(fā)展的另一方向. (3) 現(xiàn)有大部分的工作集中在描述SPD加工材料的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能特征, 應(yīng)用于工程實(shí)際的很少; 推動(dòng)SPD技術(shù)的工程化應(yīng)用, 應(yīng)是今后發(fā)展的重點(diǎn)和目標(biāo).