专利摘要

本发明公开了一种制备大块钛合金纳米材料的方法及模具，尤其是涉及一种三角度等通道挤压工艺及模具，本发明的特点是通过不断旋转三角度等通道挤压模具，可以不更换新的模具，从而改变坯料通过三角度等通道挤压模具的模具拐角，三种模具角度依次为60°、90°和120°，通过旋转三角度等通道挤压模具可以改变钛合金的变形均匀程度和变形大小，最终能够获得要求的变形均匀度和变形量，获得晶粒尺寸均匀，细化后的纳米晶粒晶界角度大的等轴纳米晶粒，通过调整三角度等通道挤压模具的模具拐角，可获得变形分布均匀程度和大小不同的钛合金坯料，挤压后的钛合金的力学性能得到进一步提高，保证高密度的前提下兼有高的强度和良好的韧性。

权利要求

1.三角度等通道挤压制备纳米钛合金材料的方法，其特征是：提供一种通过不断旋转三角度等通道挤压模具，可以不更换新的模具，从而改变坯料通过三角度等通道挤压模具的模具拐角，三种模具角度依次为60°、90°和120°。

2.根据权利要求1所述的三角度等通道挤压制备纳米钛合金材料的方法，其特征是本发明所提供的钛合金材料以钛、铝、钼和钒为组元进行熔炼制坯，其组成可用aTi-bAL-cMo-dV表示，其中a：89-93，b：2-5，c：2-3，d：3-6且a+b+c+d=100。

3.根据权利要求1所述的三角度等通道挤压制备纳米钛合金材料的方法，其特征是通过旋转三角度等通道挤压模具可以改变钛合金的变形均匀程度，通过旋转三角度等通道挤压模具可以改变模具通道的模具拐角方向可以改变钛合金的变形大小，最终能够获得要求的变形均匀度和变形量，获得晶粒尺寸均匀，细化后的纳米晶粒晶界角度大的等轴纳米晶粒，挤压后的钛合金的力学性能得到进一步提高，保证高密度的前提下兼有高的强度和良好的韧性。

4.根据权利要求1所述的三角度等通道挤压制备纳米钛合金材料的方法，其特征是： 三角度等通道模具处于90°挤压初始状态，将处理好的钛合金坯料放入三角度等通道挤压模具型腔，通过顶杆运作机构使顶杆4与顶杆6上行； 挤压一次：凸模下行，当凸模和坯料接触挤压开始，通过三角度等通道挤压模具挤压，同时背压杆在水平模具通道型腔对坯料实施背压后随凸模上行时回位，凸模完成一个行程，将凸模上行，同时顺时针旋转三角度等通道挤压模具；同时顺时针旋转三角度等通道拉拔模具90°后：可实现钛合金材料的第二次塑性变形。

5.根据权利要求1所述的三角度等通道挤压制备纳米钛合金材料的方法，其特征是：在三角度等通道模具处于90°挤压初始状态，逆时针旋转三角度等通道拉拔模具180°，此时，将顶杆4与凸模1在凹模型腔的位置进行互换，将处理好的钛合金坯料放入三角度等通道挤压模具型腔；挤压一次：凸模下行，当凸模和坯料接触挤压开始，通过三角度等通道挤压模具挤压，通过顶杆运作机构使顶杆4与顶杆5上行，凸模完成一个行程，将凸模上行，同时背压杆在水平模具通道型腔对坯料实施背压后随凸模上行时回位；三角度等通道挤压模具顺时针旋转60°，可实现钛合金材料的第二次塑性变形。

6.根据权利要求1所述的三角度等通道挤压制备纳米钛合金材料的方法，其特征是： 在三角度等通道模具处于90°挤压初始状态：通过顶杆运作机构使顶杆4与顶杆6上行，将处理好的钛合金坯料放入三角度等通道挤压模具型腔；挤压一次：凸模下行，当凸模和坯料接触挤压开始，通过三角度等通道挤压模具挤压，同时背压杆在水平模具通道型腔对坯料实施背压后随凸模上行时回位，凸模完成一个行程，将凸模上行，同时顺时针旋转三角度等通道挤压模具；同时逆时针旋转三角度等通道拉拔模具120°后：可实现钛合金材料的第二次塑性变形。

7.根据权利要求1所述的三角度等通道挤压制备纳米钛合金材料的方法，其特征是，其特征是：三角度等通道拉拔型腔共有4处通道，在挤压过程中除挤入和挤出两条通道外，其它2处通道采用普通顶杆密封通道。

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备大块钛合金纳米材料的方法及模具，尤其是涉及一种实现三种角度等通道连续挤压工艺及模具。

技术领域

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。通过在钛金属中添加其它元素可做成钛基合金及复合材料。钛合金性能优良，储量丰富，比强度高和耐腐蚀性好，世界上许多国家都已认识到钛合金材料的重要性，并对其进行研究开发，并得到了实际应用。目前钛及钛合金在航空、航天、舰船、兵器、核能等领域有着广泛的用途。航空航天工业是其主要消费领域，但是钛合金的切削加工性能很差，特别是加工复杂飞机结构件零件，成品率很低，这就导致钛合金产品加工、制作成本较高，而且航空航天领域中，性能是首先要考虑的问题，而其它因素如价格等则排在第二位，所以适合于此领域应用的钛合金往往具有优异的性能，因此，在传统冶金基础上进一步开发高强度的钛合金具有重要的战略意义和应用价值。超塑性加工对提高钛合金的成品率具有重要的作用。细晶合金会在低温下显示出超塑性，而剧烈塑性变形是制备超细晶材料的有效方法，该方法能够制备块状致密的材料，工艺简单，成本低廉，提高了材料利用率。传统的等通道弯角工艺是细化晶粒较为有效地剧烈塑性变形方法，能够通过多道次的挤压实现材料晶粒的细化，但不同道次之间需要人工操作，浪费了时间，如果将其设计成连续通道，一次挤压便可实现传统工艺双倍的效果，这样不但提高了工作效率，改善了材料塑性，也降低了材料生产成本。

通过球磨法可以获得纳米材料，但通过获得材料具有微孔隙。通过化学气相沉积法也可获得纳米材料，但多为化合物，很难制备块体纳米金属。通过剧烈塑性变形能够获得高强度块体纳米材料，根据Hall-Pech希尔-佩其公式，可知晶粒尺寸越小，材料的强度越高，可知，材料的强度与变形量具有一定关系，同时材料变形均匀程度对材料的使用价值具有重要影响，因此，开发相关多角度等通道挤压工艺装备，可以实现通过不断旋转三角度等通道挤压模具，可以不更换新的模具，从而改变坯料通过三角度等通道挤压模具的模具拐角，三种模具角度依次为60°、90°和120°，通过旋转三角度等通道挤压模具可以改变钛合金的变形均匀程度，通过旋转三角度等通道挤压模具可以改变模具通道的模具拐角方向可以改变钛合金的变形大小，最终能够获得要求的变形均匀度和变形量，获得晶粒尺寸均匀，细化后的纳米晶粒晶界角度大的等轴纳米晶粒，通过调整三角度等通道挤压模具的模具拐角，可获得变形分布均匀程度和大小不同的钛合金坯料，挤压后的钛合金的力学性能得到进一步提高，保证高密度的前提下兼有高的强度和良好的韧性。

发明内容

本发明的目的是：针对上述存在的技术问题，提供一种通过不断旋转三角度等通道挤压模具，可以不更换新的模具，从而改变坯料通过三角度等通道挤压模具的模具拐角，三种模具角度依次为60°、90°和120°，通过旋转三角度等通道挤压模具可以改变钛合金的变形均匀程度，通过旋转三角度等通道挤压模具可以改变模具通道的模具拐角方向可以改变钛合金的变形大小，最终能够获得要求的变形均匀度和变形量，获得晶粒尺寸均匀，细化后的纳米晶粒晶界角度大的等轴纳米晶粒，通过调整三角度等通道挤压模具的模具拐角，可获得变形分布均匀程度和大小不同的钛合金坯料，挤压后的钛合金的力学性能得到进一步提高，保证高密度的前提下兼有高的强度和良好的韧性。

本发明是通过如下技术方案来实现：

本发明所提供的钛合金材料以钛、铝、钼和钒为组元进行熔炼制坯，其组成可用aTi-bAL-cMo-dV表示，其中a：89-93，b：2-5，c：2-3，d：3-6且a+b+c+d=100。 具有纳米钛合金材料，其特殊之处是：其是以高强钛合金或Ti、Al、Mo、V系钛合金作为基体材料，通过三角度等通道挤压可制备不同晶粒细化程度和晶粒均匀程度的纳米钛合金材料，本发明提供一种三角度等通道挤压制备纳米钛合金材料的方法，包括坯料的准备过程和热挤压旋转成形过程，两个相应的阶段。

坯料的准备过程主要包括将熔炼获得的钛合金挤压坯料进行切割制备、材料软化退火、喷丸表面处理工艺和水洗工艺；热挤压过程是通过三角度等通道挤压模具型腔的等通道弯角热挤压，对难变形的钛合金进行挤压，同时通过不断旋转三角度等通道挤压模具，可实现钛合金材料的反复塑性变形，同时采用具有补偿空间的模具结构，通过背压顶杆对毛坯施加背压，可避免毛坯头部产生高低不平的现象。同时对三角度等通道挤压模具施加预应力，保证挤压顺利进行，通过提高三角度等通道挤压模具寿命。

本发明实现钛合金挤压变形的三角度等通道挤压模具，包括三角度等通道挤压凹模、凸模，及相应顶杆和预应力夹具装置，同时，通过旋转三角度等通道挤压模具可以改变模具通道的模具拐角方向，实现60°、90°和120°模具拐角的等通道挤压工艺。

采用此种方案，通过旋转三角度等通道挤压模具热挤压成形方法可反复挤压钛合金坯料，同时采用背压顶杆能保证钛合金挤压件不仅横截面尺寸不变，同时挤压件几何形状也不会改变。该新工艺可以实现钛合金材料组织的纳米等轴化。

采用此种方案，不仅有利于保证钛合金纳米材料的几何尺寸和形状精度，同时预应力夹紧装置能提高模具的使用寿命，而且可实现钛合金纳米材料制备的自动化。作为本发明的一种改进，坯料出口采用背压顶杆，在挤压机或液压机上通过三角度等通道挤压模具反复选择挤压成形，最终获得具有纳米等轴组织的大块钛合金材料。

本发明的有益效果是：在挤压过程中通过旋转三角度等通道挤压模具，可实现钛合金材料的反复塑性变形，实现钛合金晶粒纳米化，同时通过改变旋转三角度模具通道的方向，可以实现保证钛合金晶粒呈等轴分布，因此，细化后的钛合金是纳米晶粒，而且是晶界角度大的等轴纳米晶粒。同时，三角度等通道挤压模具共有4处通道，在挤压过程中除挤入和挤出两条通道外，其它2处通道采用普通顶杆密封通道。三角度等通道挤压模具通道拐角可以在60、90和120°三种角度之间选择，选择合适的通道拐角能够有效降低挤压载荷，既实现了块状钛合金的纳米化，又提高了模具的使用寿命，拓宽了剧烈塑性变形制备纳米材料的领域。

附图说明

下面是结合附图和实施例对本发明的具体实施方案进行详细地说明。

图1是本发明加工工艺简略示意图；图2是本发明三角度等通道挤压模具挤压示意图，其中图(a)为90°度等通道挤压，(b)为60°度等通道挤压，(c)为120°度等通道挤压。

图3为本发明三角度等通道挤压模具挤压模具及附属装置图。

上述图中的标记为：

图2为本发明三角度等通道挤压模具挤压示意图的1.凸模，2.挤压件毛坯，3.旋转凹模，4.预应力夹具，5.顶杆，6.背压顶杆，7.预应力夹具底座。

图3为本发明三角度等通道挤压模具挤压模具及附属装置图的1.旋转螺杆，2.固定预应力夹板，3.背压顶杆，4. 旋转凹模，5.挤压件毛坯，6.上模板，7.凸模垫板，8.凸模固定板，9凸模，10. 固定螺钉，11. 方块螺母。

具体实施方式

图1是本发明加工工艺简略示意，1.首先进行钛合金挤压坯料的制备；2.材料软化退火、喷丸表面处理工艺和水洗工艺；3.挤压过程是通过三角度等通道挤压模具挤压，对难变形的钛合金进行挤压，同时通过不断旋转三角度等通道挤压模具，可实现钛合金材料的反复塑性变形，挤压过程中使用润滑剂是二硫化钼与石蜡的混合物，混合比例为2:1。

图2是本发明三角度等通道挤压模具挤压示意图：

（a）90°度等通道挤压模具挤压示意图，1. 三角度等通道模具处于90°挤压初始状态：将处理好的钛合金坯料放入三角度等通道挤压模具型腔，通过顶杆运作机构使顶杆4与顶杆6上行； 2. 挤压一次：凸模下行，当凸模和坯料接触挤压开始，通过三角度等通道挤压模具挤压，同时背压杆在水平模具通道型腔对坯料实施背压后随凸模上行时回位，凸模完成一个行程，将凸模上行，同时顺时针旋转三角度等通道挤压模具；3. 同时顺时针旋转三角度等通道挤压模具90°后：可实现钛合金材料的第二次塑性变形。

（b）60°度等通道挤压模具挤压示意图，1. 在三角度等通道模具处于90°挤压初始状态，逆时针旋转三角度等通道挤压模具180°，此时，将顶杆4与凸模1在凹模型腔的位置进行互换，将处理好的钛合金坯料放入三角度等通道挤压模具型腔；2. 挤压一次：凸模下行，当凸模和坯料接触挤压开始，通过三角度等通道挤压模具挤压，通过顶杆运作机构使顶杆4与顶杆5上行，凸模完成一个行程，将凸模上行，同时背压杆在水平模具通道型腔对坯料实施背压后随凸模上行时回位；3. 三角度等通道挤压模具顺时针旋转60°，可实现钛合金材料的第二次塑性变形。

（c）120°度等通道挤压模具挤压示意图，1. 在三角度等通道模具处于90°挤压初始状态：通过顶杆运作机构使顶杆4与顶杆6上行，将处理好的钛合金坯料放入三角度等通道挤压模具型腔； 2. 挤压一次：凸模下行，当凸模和坯料接触挤压开始，通过三角度等通道挤压模具挤压，同时背压杆在水平模具通道型腔对坯料实施背压后随凸模上行时回位，凸模完成一个行程，将凸模上行，同时顺时针旋转三角度等通道挤压模具；3. 同时逆时针旋转三角度等通道挤压模具120°后：可实现钛合金材料的第二次塑性变形。通过上述示意图，可知该模具能够实现三角度等通道挤压模具挤压制备纳米钛合金材料。

图3是本发明的三角度等通道挤压模具挤压模具及附属装置：1.将处理好的钛合金坯料放入三角度等通道挤压模具型腔；2.凸模下行，当凸模和坯料接触挤压开始，通过三角度模具通道进行挤压，同时背压杆在水平模具通道型腔对坯料实施背压后随凸模上行时回位；3.凸模完成一个行程，将凸模上行，同时顺时针旋转三角度等通道挤压模具，可实现钛合金材料的第二次塑性变形，此时凸模完成第二个行程，同时背压杆在水平模具通道型腔对坯料实施背压后随凸模上行时回位；4.凸模完成第二个个行程，再将凸模上行，同时逆时针旋转三角度等通道挤压模具，可实现钛合金材料的第三次塑性变形，同时背压杆在水平模具通道型腔对坯料实施背压后随凸模上行时回位；5.凸模完成第三个个行程，再将凸模上行，同时顺时针旋转三角度等通道挤压模具，可实现钛合金材料的第四次塑性变形，同时背压杆在水平模具通道型腔对坯料实施背压后随凸模上行时回位；6.最终取出钛合金挤压件。

本发明所采用的三角度等通道挤压模具结构，均可采用现有技术，本发明并不局限于上述所列举的具体实施形式，凡本领域技术人员不经过创造性劳动所能得到的改进，均属于本发明的保护范围内。

本发明所需设备为机械挤压机或液压机。

三角度等通道挤压制备纳米钛合金材料的方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。