雙金屬層狀復(fù)合板異溫電流強化復(fù)合工藝物理模擬裝置制造方法
【專利摘要】一種雙金屬層狀復(fù)合板異溫電流強化復(fù)合工藝物理模擬裝置，包括筒式分段電阻加熱器、脈沖電流電源和控溫裝置；筒式分段電阻加熱器由上密封罩和下密封罩通過螺栓連接組成，內(nèi)部形成氣氛保護空間，中間設(shè)有隔熱板；在上下密封罩外壁安裝熱電偶和加熱段與控溫裝置連接，另設(shè)有氣體入口和氣體出口；在上密封罩的頂端插入推桿，推桿頂端連接壓頭、底端通過法蘭逐層安裝絕緣墊Ⅰ、正電極片、金屬片Ⅰ；在下密封罩內(nèi)部安裝試樣臺，試樣臺頂端逐層安裝絕緣墊Ⅱ、負電極片、金屬片Ⅱ；脈沖電流電源的正負極分別通過導(dǎo)線與正電極片、負電極片相連。本發(fā)明可通過改變金屬的工藝參數(shù)，結(jié)合復(fù)合界面的微觀組織觀測和強度測試，提供低成本、快捷有效的試驗平臺。
【專利說明】雙金屬層狀復(fù)合板異溫電流強化復(fù)合工藝物理模擬裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬層狀復(fù)合材料塑性加工領(lǐng)域，尤其是一種雙金屬層狀復(fù)合板復(fù)合工藝的物理模擬裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]雙金屬層狀復(fù)合板是將不同物理、化學(xué)性能的兩種金屬利用各自性能優(yōu)勢進行分層組合而成的一類金屬材料，復(fù)合加工得到的復(fù)合板可以充分發(fā)揮每個組元材料的性能特長，使材料的綜合性能得到提高，實現(xiàn)各組元材料資源的最佳配置。
[0003]已知，異溫復(fù)合技術(shù)是指將待復(fù)合的兩種金屬組元預(yù)先分別加熱到不同溫度后，再使其復(fù)合界面接觸并通過施加外載實現(xiàn)復(fù)合的一種特殊工藝。目前，該技術(shù)與傳統(tǒng)軋制復(fù)合、鑄軋技術(shù)相結(jié)合，分別出現(xiàn)了異溫軋制復(fù)合工藝和異溫鑄軋復(fù)合工藝。研究結(jié)果表明，對于熱力學(xué)性能差異較大的兩種金屬組元，采用異溫軋制復(fù)合工藝，不但有利于降低初復(fù)合臨界壓下率，而且可以提高復(fù)合強度。當(dāng)兩種金屬組元熔點相差較大時，還可以在接觸表面形成局部固液復(fù)合的特殊效果。以鋼/鋁異溫軋制復(fù)合制備雙金屬板帶材為例，當(dāng)鋼的初始復(fù)合溫度取850°C、鋁的初始復(fù)合溫度取400°C時，由于組元鋼的溫度高于組元鋁的熔點，二者進入軋制變形區(qū)后復(fù)合界面在高強壓力和熱傳導(dǎo)作用下，會在鋁板表面出現(xiàn)淺層熔化現(xiàn)象，液相鋁與固相鋼在軋制力作用下實現(xiàn)界面熔合與反應(yīng)擴散復(fù)合，可有效降低實現(xiàn)復(fù)合所需的軋制壓下率。與此同時，國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在復(fù)合軋制過程中，在復(fù)合界面上導(dǎo)入高頻脈沖電流，有利于強化界面復(fù)合效果。
[0004]目前，國內(nèi)外圍繞同溫復(fù)合開展了大量的理論和實驗研究工作，而針對異溫復(fù)合的研究相對較少，尤其是現(xiàn)有的熱成形模擬裝置(如Gleeble等)無法用于異溫變形復(fù)合過程研究，也無法實現(xiàn)脈沖電流的導(dǎo)入。為進一步研究雙金屬層狀復(fù)合板異溫電流強化復(fù)合機理，優(yōu)化工藝參數(shù)，亟待開發(fā)具有多參數(shù)工藝模擬功能的異溫電流強化復(fù)合實驗裝置。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于提供一種雙金屬層狀復(fù)合板異溫電流強化復(fù)合工藝物理模擬裝置，用以分析溫度、厚度、電流參數(shù)、壓下量等工藝參數(shù)，研究異溫電流強化復(fù)合工藝對界面復(fù)合效果的影響。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，采用了以下技術(shù)方案:本發(fā)明所述模擬裝置包括筒式分段電阻加熱器、脈沖電流電源和控溫裝置；
[0007]所述筒式分段電阻加熱器是由上密封罩和下密封罩通過螺栓連接組成的筒狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部腔體形成氣氛保護空間；上下密封罩之間設(shè)有可推拉的隔熱板，可形成兩個獨立的加熱空間；所述上、下密封罩為鋼制材料制成，外壁設(shè)有一層隔熱材料，在隔熱材料上安裝熱電偶；在上密封罩外壁設(shè)有加熱段I，并從上密封罩上部開設(shè)氣體出口；在下密封罩外壁設(shè)有加熱段II，并從下密封罩底部開設(shè)氣體入口 ；在筒式分段電阻加熱器的外部設(shè)有控溫裝置，所述控溫裝置分別與加熱段1、加熱段II和熱電偶連接；
[0008]在上密封罩的頂端垂直插入一根推桿，推桿頂端通過法蘭I連接壓頭，壓頭頂端與壓力機動梁相連；推桿底端連接法蘭II，法蘭II底面固接絕緣墊I，絕緣墊I底面固接正電極片，正電極片底面設(shè)有金屬片I，金屬片I周向均布通孔，該金屬片I與法蘭II通過套有陶瓷絕緣套的螺栓懸掛相連，且金屬片I與正電極片緊密貼合；沿推桿軸心線設(shè)有通孔，在通孔內(nèi)安裝套有陶瓷環(huán)的導(dǎo)線；所述導(dǎo)線一端與從推桿頂部側(cè)面引出與脈沖電流電源的正極相連，另一端穿過推桿底端的法蘭、絕緣墊I與正電極片相連；
[0009]在下密封罩內(nèi)部底面安裝球面墊，在球面墊頂部立式安裝柱狀試樣臺，試樣臺與上密封罩內(nèi)的推桿位置上下對應(yīng)；在試樣臺的頂端固接絕緣墊II，在絕緣墊II頂面固接負電極片，在負電極片表面安裝金屬片II ;試樣臺的軸心線也設(shè)有通孔；在通孔內(nèi)也安裝套有陶瓷環(huán)的導(dǎo)線，該導(dǎo)線一端穿過絕緣墊II與負電極片，另一端與脈沖電流電源的負極相連。
[0010]所述推桿垂直插入上密封罩，在上密封罩頂端設(shè)有插入管，推桿穿過插入管后進入上密封罩，在插入管內(nèi)部置入石墨填料進行密封。
[0011]在所述模擬裝置上安裝位移傳感器，位移傳感器的鐵芯安裝在推桿上，位移傳感器外殼安裝在上密封罩外端面上。
[0012]在下密封罩的底部固接底座，在底座內(nèi)開設(shè)冷卻水通道。
[0013]所述從氣體入口進入氣氛保護空間的氣體為氬氣。
[0014]工作過程大致如下:
[0015]工作時，將一個金屬片試件置于推桿底端，利用法蘭和螺栓懸掛裝置進行連接固定，保持該金屬片處于最下方并與正電極片緊密貼合；將另一個金屬片試件安裝在試樣臺的負電極片頂面。根據(jù)工藝要求，設(shè)定加熱段I和加熱段II的工作溫度，在氬氣保護氣氛下，推入分段電阻加熱器隔熱板，形成兩個獨立的加熱空間，并利用溫度監(jiān)控裝置和熱電偶對各自爐膛溫度實時監(jiān)測和精確控制。將兩種金屬組元試件分別加熱至設(shè)定溫度并保溫一定時間后，關(guān)閉電阻加熱器，將隔熱板打開。啟動脈沖電流源，驅(qū)動壓頭和推桿向試樣臺的方向運動，通過位移傳感器控制移動的距離，將初始溫度不同的兩金屬組元試件壓縮變形至設(shè)定壓下量，兩組元金屬接觸變形時形成電流回路，實現(xiàn)雙金屬異溫復(fù)合界面的電流強化復(fù)合效果。通過改變兩種金屬的厚度或加熱溫度或變形壓下量、脈沖電流的頻率、強度等工藝參數(shù)，實現(xiàn)雙金屬層狀復(fù)合板異溫電流強化復(fù)合工藝過程模擬，結(jié)合復(fù)合界面的微觀顯微觀察和強度測試，為雙金屬層狀復(fù)合板異溫電流強化復(fù)合工藝參數(shù)優(yōu)化提供低成本、快捷有效的試驗平臺。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0017]1、可直觀了解雙金屬層狀復(fù)合板異溫電流強化復(fù)合工藝在實驗過程中的下壓位移量、加熱溫度、下壓強度、電流脈沖強度等參數(shù)，便于研究異溫電流強化復(fù)合工藝的合理性能和發(fā)展方向；
[0018]2、操作簡單、安全可靠、分段加熱溫度可控、異溫電流強化效果好。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明在加熱階段的剖面圖。
[0020]圖2是本發(fā)明在壓下變形階段的剖面圖。
[0021]圖3是本發(fā)明在壓下變形階段的兩種金屬片壓合部分的放大圖。
[0022]附圖標號:1_壓頭、2-位移傳感器、3-推桿、4-柔性石墨填料、5-隔熱材料、6_熱電偶、7-加熱段1、8_控溫裝置、9-上密封罩、10-隔熱板、11-下密封罩、12-加熱段I1、13-氣體入口、14-底座、15-0型密封圈、16-球面墊、17-試樣臺、18-絕緣墊I1、19-負電極片、20-金屬片I1、21-金屬片1、22_正電極片、23-絕緣墊1、24_螺栓、25-脈沖電流電源、26-氣體出口、27-導(dǎo)線、28-陶瓷環(huán)、29-加熱電源線、30-測溫?zé)犭娕冀泳€、31-冷卻水通道、32-陶瓷絕緣套、33-螺母。

【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明:
[0024]如圖1和圖2所示的本發(fā)明的剖面圖中，本發(fā)明所述模擬裝置包括筒式分段電阻加熱器、脈沖電流電源和控溫裝置；
[0025]所述筒式分段電阻加熱器是由上密封罩9和下密封罩11通過螺栓連接組成的筒狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部腔體形成氣氛保護空間；上下密封罩之間設(shè)有可推拉的隔熱板10，可形成兩個獨立的加熱空間；所述上、下密封罩為鋼制材料制成，外壁設(shè)有一層隔熱材料5，在隔熱材料上安裝熱電偶6 ;在上密封罩外壁設(shè)有加熱段I 7，并從上密封罩上部開設(shè)氣體出口26 ;在下密封罩外壁設(shè)有加熱段II 12,并從下密封罩底部開設(shè)氣體入口 13 ;在筒式分段電阻加熱器的外部設(shè)有控溫裝置，所述控溫裝置8分別與加熱段1、加熱段II和熱電偶連接；控溫裝置的加熱電源線29與加熱段連接，測溫?zé)犭娕冀泳€30與熱電偶連接。
[0026]在上密封罩的頂端垂直插入一根推桿3，推桿頂端通過法蘭I連接壓頭1，壓頭頂端與壓力機動梁相連；推桿底端連接法蘭II，法蘭II底面固接絕緣墊I 23，絕緣墊I底面固接正電極片22,正電極片底面設(shè)有金屬片I 21,金屬片I周向均布通孔,該金屬片I與法蘭II通過套有陶瓷絕緣套32的螺栓24懸掛相連，且金屬片I與正電極片緊密貼合；沿推桿軸心線設(shè)有通孔，在通孔內(nèi)安裝套有陶瓷環(huán)28的導(dǎo)線27 ;所述導(dǎo)線一端與從推桿頂部側(cè)面引出與脈沖電流電源25的正極相連，另一端穿過推桿底端的法蘭、絕緣墊I與正電極片相連；
[0027]在下密封罩內(nèi)部底面安裝球面墊16，試樣臺17與球面墊配合，試樣臺與上密封罩內(nèi)的推桿位置上下對應(yīng)；在試樣臺的頂端固接絕緣墊II 18，在絕緣墊II頂面固接負電極片19，在負電極片表面安裝金屬片II 20 ;試樣臺的軸心線也設(shè)有通孔；在通孔內(nèi)也安裝套有陶瓷環(huán)的導(dǎo)線，該導(dǎo)線一端穿過絕緣墊II與負電極片，另一端與脈沖電流電源的負極相連。
[0028]所述推桿垂直插入上密封罩，在上密封罩頂端設(shè)有插入管，推桿穿過插入管后進入上密封罩，在插入管內(nèi)部設(shè)有柔性石墨填料4進行密封。
[0029]在所述模擬裝置上安裝位移傳感器2，位移傳感器的鐵芯安裝在推桿上，位移傳感器外殼安裝在上密封罩外端面上。
[0030]在下密封罩的底部固接底座14，在底座內(nèi)開設(shè)冷卻水通道31，在底座與下密封罩的連接處設(shè)有O型密封圈15。
[0031]所述從氣體入口進入氣氛保護空間的氣體為氬氣。
[0032]實施例1:
[0033]本實施例以銅板和鋁板的異溫電流強化復(fù)合為例，具體說明本發(fā)明的使用方法。其中，鋁板選用工業(yè)純鋁，銅板選用工業(yè)紫銅。工業(yè)純鋁片規(guī)格為Φ72mmX4mm圓形試樣，并在直徑Φ60處開有4個周向均布的Φ5πιπι通孔，用于螺栓懸掛固定；工業(yè)紫銅規(guī)格為Φ 30mm X 2mm圓形試樣?？販匮b置采用CH401型雙通道溫控箱。
[0034]步驟I—工業(yè)純鋁片和工業(yè)紫銅片，采用丙酮溶液浸泡去除表面油污，在10%NaOH溶液中浸洗10分鐘，去除試樣表面氧化皮層，用無水乙醇洗凈、烘干，保持界面光潔。
[0035]步驟2—工業(yè)純鋁片通過4根套有陶瓷絕緣套的螺栓懸掛在推桿末端法蘭上，并與正電極片的下端面平面緊密接觸，用螺母鎖緊。套有陶瓷環(huán)的供電導(dǎo)線通過推桿中心的通孔與正電極片相連，另一端與脈沖電流電源的正電極相連。螺栓與推桿末端法蘭孔預(yù)留較大間隙配合，保證試樣壓縮變形后推桿相對螺栓具有向下運動的自由度。工業(yè)紫銅片放置于負電極片的上端面上，與脈沖電流電源的負電極接通。
[0036]步驟3—往氣體入口通入氬氣，并從氣體出口排出，2分鐘后，將隔熱板推入上密封罩下端面和下密封罩上端面之間的空夾層，接通加熱段I和加熱段II，進行加熱，控制鋁片溫度為400°c，銅片溫度為850°C。
[0037]步驟4—當(dāng)鋁片與銅片溫度升至設(shè)定溫度，關(guān)掉筒式分段加熱器，啟動脈沖電流電源，將隔熱板抽出。壓頭受壓力機驅(qū)動，以速度V向下運動距離S。S的算法如下:
[0038]S = a-W Δ h
[0039]式中a為初始位置正電極片與負電極片的距離，為固定值180mm ;式中Ii1和h2分別為銅片和鋁片厚度；Ah為壓下量。
[0040]本實施例中取壓下量50%，通過位移傳感器控制其向下運動距離S為177mm。當(dāng)銅片和鋁片接觸時，脈沖電流導(dǎo)通形成回路，復(fù)合界面在高溫壓力和強脈沖電流共同作用下完成變形復(fù)合過程，最終制備成銅/鋁復(fù)合試件。
[0041]步驟5—銅/鋁復(fù)合試件隨爐保溫一段時間，驅(qū)動壓頭向上運動回歸原位，將連接上密封罩和下密封罩的螺栓擰開，平穩(wěn)地向上抬起上密封罩及其支撐的一系列構(gòu)件(加熱段1、隔熱材料、柔性石墨填料等)，取出銅/鋁復(fù)合試件。
[0042]通過改變兩種金屬的厚度、加熱溫度、變形壓下量、脈沖電流的頻率和強度等工藝參數(shù)，結(jié)合復(fù)合界面的微觀顯微觀察和強度測試，尋求合理的銅/鋁層狀復(fù)合板異溫電流強化復(fù)合工藝參數(shù)。
[0043]實施例2:
[0044]本實施例以鋼板和鋁板的異溫電流強化復(fù)合為例，具體說明本發(fā)明的使用方法。
[0045]金屬片I選用工業(yè)純鋁，金屬片II選用Q235鋼，工業(yè)純鋁片規(guī)格為Φ 72mm X 2mm圓形試樣，并在直徑Φ60處開有4個周向均布的Φ5ι?πι通孔,用于螺栓懸掛固定；Q235鋼片規(guī)格為Φ 30mm X 6mm圓形試樣?？販匮b置采用CH401型雙通道溫控箱。
[0046]步驟I—工業(yè)純鋁和Q235鋼片，采用丙酮溶液浸泡去除表面油污，Q235鋼片在10%硝酸溶液中浸洗10分鐘，鋁片在10% NaOH溶液中浸洗10分鐘，去除試樣表面氧化皮層，洗凈、烘干，保持界面光潔。
[0047]步驟2—工業(yè)純鋁片通過4根套有陶瓷絕緣套的螺栓懸掛在推桿末端法蘭上，并與正電極片的下端面平面緊密接觸，用螺母鎖緊。套有陶瓷環(huán)的供電導(dǎo)線通過推桿中心的通孔與正電極片相連，另一端與脈沖電流電源的正電極相連。螺栓與推桿末端法蘭孔預(yù)留較大間隙配合，保證試樣壓縮變形后推桿相對螺栓具有向下運動的自由度。Q235鋼片放置于負電極片的上端面上，與脈沖電流電源的負電極接通。
[0048]步驟3—往氣體入口通入氬氣，并從氣體出口排出，2分鐘后，將隔熱板推入上密封罩下端面和下密封罩上端面之間的空夾層，接通加熱段I和加熱段II，進行加熱，控制鋁片溫度為400°c，Q235鋼片溫度為1000°C。
[0049]步驟4—當(dāng)鋁片與Q235鋼片溫度升至設(shè)定溫度，關(guān)掉筒式分段加熱器，啟動脈沖電流電源，將隔熱板抽出。壓頭受壓力機驅(qū)動，以速度V向下運動距離S。S的算法如下:
[0050]S = a-W Δ h
[0051]式中a為初始位置正電極片與負電極片的距離，為固定值180mm ;式中Ii1和h2分別為金屬片I和金屬片II厚度；Ah為壓下量。
[0052]本實施例中取壓下量50%，通過位移傳感器控制其向下運動距離S為176mm。當(dāng)Q235鋼片和鋁片接觸時，脈沖電流導(dǎo)通形成回路，復(fù)合界面在高溫壓力和強脈沖電流共同作用下完成變形復(fù)合過程，最終制備成鋼/鋁復(fù)合試件。
[0053]步驟5—鋼/鋁復(fù)合試件隨爐保溫一段時間，壓頭向上運動回歸原位，將連接上、下密封罩的螺栓擰開，平穩(wěn)地向上抬起上密封罩及其支撐的一系列構(gòu)件，取出鋼/鋁復(fù)合試樣。
[0054]通過改變兩種金屬的厚度、加熱溫度、變形壓下量、脈沖電流的頻率和強度等工藝參數(shù)，結(jié)合復(fù)合界面的微觀顯微觀察和強度測試，尋求合理的鋼/鋁層狀復(fù)合板異溫電流強化復(fù)合工藝參數(shù)。
[0055]以上所述的實施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變形和改進，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書確定的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種雙金屬層狀復(fù)合板異溫電流強化復(fù)合工藝物理模擬裝置，其特征在于:所述模擬裝置包括筒式分段電阻加熱器、脈沖電流電源和控溫裝置； 所述筒式分段電阻加熱器是由上密封罩和下密封罩通過螺栓連接組成的筒狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部腔體形成氣氛保護空間；上下密封罩之間設(shè)有可推拉的隔熱板，可形成兩個獨立的加熱空間；所述上、下密封罩為鋼制材料制成，外壁設(shè)有一層隔熱材料，在隔熱材料上安裝熱電偶；在上密封罩外壁設(shè)有加熱段I，并從上密封罩上部開設(shè)氣體出口 ；在下密封罩外壁設(shè)有加熱段II，并從下密封罩底部開設(shè)氣體入口 ；在筒式分段電阻加熱器的外部設(shè)有控溫裝置，所述控溫裝置分別與加熱段1、加熱段II和熱電偶連接；控溫裝置的加熱電源線與加熱段連接，測溫?zé)犭娕冀泳€與熱電偶連接。 在上密封罩的頂端垂直插入一根推桿，推桿頂端通過法蘭I連接壓頭，壓頭頂端與壓力機動梁相連；推桿底端連接法蘭II，法蘭II底面固接絕緣墊I，絕緣墊I底面固接正電極片，正電極片底面設(shè)有金屬片I，金屬片I周向均布通孔，該金屬片I與法蘭II通過套有陶瓷絕緣套的螺栓懸掛相連，且金屬片I與正電極片緊密貼合；沿推桿軸心線設(shè)有通孔，在通孔內(nèi)安裝套有陶瓷環(huán)的導(dǎo)線；所述導(dǎo)線一端與從推桿頂部側(cè)面引出與脈沖電流電源的正極相連，另一端穿過推桿底端的法蘭、絕緣墊I與正電極片相連； 在下密封罩內(nèi)部底面安裝球面墊，試樣臺與球面墊配合，試樣臺與上密封罩內(nèi)的推桿位置上下對應(yīng)；在試樣臺的頂端固接絕緣墊II，在絕緣墊II頂面固接負電極片，在負電極片表面安裝金屬片II ;試樣臺的軸心線也設(shè)有通孔；在通孔內(nèi)也安裝套有陶瓷環(huán)的導(dǎo)線，該導(dǎo)線一端穿過絕緣墊II與負電極片，另一端與脈沖電流電源的負極相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙金屬層狀復(fù)合板異溫電流強化復(fù)合工藝物理模擬裝置，其特征在于:所述推桿垂直插入上密封罩，在上密封罩頂端設(shè)有插入管，推桿穿過插入管后進入上密封罩，在插入管內(nèi)部設(shè)有柔性石墨填料進行密封。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙金屬層狀復(fù)合板異溫電流強化復(fù)合工藝物理模擬裝置，其特征在于:在所述模擬裝置上安裝位移傳感器，位移傳感器的鐵芯安裝在推桿上，位移傳感器外殼安裝在上密封罩外端面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙金屬層狀復(fù)合板異溫電流強化復(fù)合工藝物理模擬裝置，其特征在于:在下密封罩的底部固接底座，在底座內(nèi)開設(shè)冷卻水通道。
【文檔編號】G01N3/18GK104406860SQ201410483274
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年9月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月19日
【發(fā)明者】黃華貴, 葉麗芬, 劉文文, 呂增偉, 燕猛 申請人:燕山大學(xué)