本发明属于材料制备领域，具体涉及一种制备异构镁合金棒材的连续编扭拉拔装置及方法。
背景技术：
由于能源紧缺、大气污染等问题日益严重，节能减排已成为一个社会关注的重要问题。镁元素是地球上储量最丰富的元素之一，且镁合金作为比重最轻的金属结构材料，在工业生产中具有非常广阔的应用前景。然而，镁合金的绝对强度较低，限制了其在生产中的大规模应用。研究表明，析出强化是提高镁合金强度的最有效的手段之一。向镁合金中添加稀土元素，可以通过时效处理，在基体中形成高密度的纳米级析出相。由于纳米析出相对位错运动具有强烈的阻碍作用，材料的强度可获得大幅提升，但也伴随着塑性的大幅度降低。
moara等人在《journalofalloysandcompounds》合金化合物期刊，2019,804:421-426上发表的“amagnesium-aluminiumcompositeproducedbyhigh-pressuretorsion”(一种高压扭转方法制备镁-铝复合材料)一文中，介绍了一种制备镁-铝复合材料的方法，对高压扭转制备的镁-铝复合材料进行热处理，调控材料的微观结构，改善力学性能。该技术方法的特点如下：(1)经过高压扭转获得的复合材料，界面结合性好，可实现界面的冶金结合；(2)通过热处理调控材料的微观结构，可使材料在保持延展性的情况下，硬度显著提升。但是，该技术也存在以下问题：(1)由于设备的限制，该方法制备的异构材料尺寸相对较小，限制其在工业上的应用；(2)单纯的高压扭转变形难以使两种材料的界面结合良好，获得的材料力学性能不稳定。
常海等人在《复合材料学报》，2019,36:178-185上发表的“累积叠轧纯mg/zk60镁合金层状金属复合材料的组织与性能”一文中，介绍了一种采用累积叠轧制备镁合金层状金属复合材料的工艺方法。该技术具有以下特点：(1)该工艺过程较简单，操作性较强；(2)制备的材料层数可控，可制备较大尺寸材料，工业应用性较强。但是，该技术也存在以下问题：(1)叠轧变形方式限制产品类型以板材为主，难以实现棒状型材的生产；(2)需经多道次反复成形，生产效率低，且加工条件对界面氧化、夹杂、卷气控制难度大，成品率低。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种制备异构镁合金棒材的连续编扭拉拔装置及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种制备异构镁合金棒材的连续编扭拉拔装置，包括
编扭单元：包括两个夹持旋转轴，用于将多个平行设置的镁/镁合金棒材编扭铰结，实现材料初步的机械结合，所述多个平行设置的镁/镁合金棒材具有两种或者两种以上不同析出强化性能；
拉拔单元：设置在编扭单元后侧，用于对编扭变形之后的棒材进行拉拔；
热处理单元：对拉拔之后的棒材进行固溶时效处理，固溶使变形时析出的元素重新固溶到基体中，时效获得具有不同析出相密度的异构镁合金材料。
进一步的，所述夹持旋转轴内部设有紧固胶圈，夹持旋转轴通过紧固胶圈夹持多个平行设置的镁/镁合金棒材的两端，并旋转一端的夹持旋转轴，实现多个平行设置的镁/镁合金棒材编扭铰结。
进一步的，所述编扭单元还包括夹紧机构、编扭的加热机构和真空管；
所述多个平行设置的镁/镁合金棒材放置于真空管内，真空管两端设有法兰，所述编扭的加热机构设置在真空管外周，所述夹紧机构用于夹持两端的两个夹持旋转轴。
进一步的，所述编扭单元还包括编扭控制柜，所述编扭控制柜与夹持旋转轴、编扭的加热机构、真空管连接。
进一步的，所述编扭的加热机构包括电阻丝、热电偶和控温仪器，所述电阻丝包覆在真空管外侧，所述热电偶布于电阻丝之间便于测温，所述控温仪器位于最外侧通过电线与热电偶和电阻丝连接，便于实现对温度的检测和调控。
进一步的，所述拉拔单元包括拉拔的加热机构和拉拔模具；
从编扭单元出来的棒材进入拉拔单元的加热机构进行加热，加热之后通过拉拔模具进行拉拔。
进一步的，所述拉拔单元还包括拉拔控制柜，所述拉拔控制柜和拉拔模具、拉拔的加热机构连接；所述拉拔的加热机构内部为真空，外部设有电阻丝、热电偶和控温仪器，电阻丝包覆在真空管外侧，热电偶布于电阻丝之间便于测温，控温仪器位于最外侧通过电线与热电偶和电阻丝连接，便于实现对温度的检测和调控。
进一步的，所述热处理单元包括固溶子单元和时效子单元；所述固溶子单元为真空热处理炉，所述时效子单元为油浴炉。
一种利用上述的装置制备异构镁合金棒材的方法，包括如下步骤：
步骤(1)：混编：对镁合金细棒进行预处理，取若干长度和直径均相同的两种或两种以上镁合金细棒按照异种材料周向交替排列的方式混编，对混编好的细棒束的端部和尾部进行捆扎固定；
步骤(2)：编扭变形：将捆扎好的细棒束送入编扭单元进行编扭变形，抽真空并向真空管内充入惰性气体ar到大气压，保持气流稳定，加热，紧固镁合金细棒束两端，并驱动其中的一端均匀旋转；
步骤(3)：拉拔：将编扭变形后的棒材送入拉拔单元中，抽真空，加热保温，对棒材施以拉拔变形，采用多道次逐级变形；
步骤(4)：热处理：对拉拔之后的棒材进行真空固溶热处理；随后进行多尺度析出时效处理。
进一步的，所述步骤(1)中的预处理包括对镁合金细棒进行打磨和清洗，去除表面的油污和氧化皮；
所述步骤(2)编扭变形中的工艺参数为：抽真空至30～100pa，加热具体为：以10～30℃/min的速率使真空管内温度升至200～400℃；旋转端的转动速率为3～10rpm，旋转角度为30～720°；
所述步骤(3)的拉拔的工艺参数为：抽真空到30～100pa；加热为在300～500℃保温10min～30min，拉拔速率为2～15m/min，变形量为10～50％；
所述步骤(4)的真空固溶处理的工艺参数为：固溶温度为400～500℃，时间为1～10h；时效温度为150～250℃，时效时间为1～300h
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明通过编扭和拉拔相结合的变形方式，并通过后续的固溶时效热处理，可以制备出不同成分的异构镁合金材料，具有极大的微观结构设计指向性和灵活性，可根据需求调整合金选择，可选择的材料可以是mg-9y/mg-3y，mg-10gd/mg-2gd，mg-10gd/mg-2y等各种合金成分；
(2)本发明通过编扭和拉拔结合的变形方式，可以制备出在轴向和径向交替分布的多尺度析出强化镁合金，在三维方向上获得软硬两相，实现镁合金材料强度和塑性协同提高。
(3)本发明可以根据工业应用的实际需求，调控合金的排列次序和配比量、排列层数等，制备出大尺寸的高强高韧异构镁合金材料。
(4)本发明主要采用稀土镁合金，制备出的多尺度析出异构镁合金材料的耐热性能优异，塑韧性高于常规均匀析出强化的镁合金材料。
附图说明
图1为本发明的编扭拉拔装置示意图，其中ⅰ为编扭工作段，ⅱ为拉拔工作段。
图2为本发明编扭变形工作段的结构示意图。
图3为本发明的编扭加工流程图；其中(a)为变形前样品示意图，(b)为变形后样品示意图，(c)为变形前在设备中的状态示意图，(d)为变形后在设备中的状态示意图。
图4为本发明拉拔变形工作段的结构示意图；其中(a)为整体示意图，(b)为剖面示意图，(c)为成品示意图。
图5为本发明的热处理的示意图；其中图(a)固溶示意图，图(b)为时效示意图，图(c)为热处理前材料微观示意图，图(d)热处理后材料微观示意图。
附图标记说明：
1-mg-9y镁合金棒材，2-mg-3y镁合金棒材，3-紧固胶圈和夹持旋转轴，4-夹紧机构，5-编扭单元的加热机构，6-真空管，7-编扭控制柜，8-拉拔模具，9-拉拔后棒材，10-真空热处理炉，11-热电偶，12-拉拔单元的加热机构，13-拉拔控制柜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1-5所示，一种制备异构镁合金棒材的连续编扭拉拔装置包括：编扭单元、拉拔单元及热处理单元。
如图2所示，其中编扭单元位于装有电机和电线等物品的控制柜上方分居两侧，包括紧固胶圈和夹持旋转轴3、夹紧机构4、编扭单元的加热机构5、真空管6、编扭控制柜7。紧固胶圈直接与待加工样品接触，其外侧装配可连续旋转的夹持旋转轴3，在加工过程中，通过旋转来实现不同材料的编扭绞结，实现材料初步的机械结合；夹持旋转轴3外侧装配有夹紧机构4，夹紧机构4在加工过程中，起到固定材料的作用，防止材料发生转动或移动。
编扭设备的加热机构，为加工过程提供合适的温度环境；编扭设备的真空管6用来存放材料，并可以抽真空达到隔绝空气的目的；编扭设备的控制柜7用来存放电机和电线等物品，防止其直接暴露在外面而引起安全问题。
所述编扭单元包括真空管6和法兰组成，真空管6内部放置待加工样品，法兰位于真空管6两侧；编扭的加热机构5由电阻丝、热电偶和控温仪器组成，电阻丝包覆在真空管6外侧，热电偶布于电阻丝之间便于测温，控温仪器位于最外侧通过电线与热电偶和电阻丝连接，便于实现对温度的检测和调控。
如图4所示，拉拔单元位于编扭单元后一道工序的平行位置，便于材料的传输和加工。所述拉拔单元包括拉拔的加热机构12，给拉拔过程中的材料提供所需的温度；拉拔控制柜13，存放电机和电线等物品；拉拔模具8，在拉拔过程中，拉拔模具8的尺寸决定了获得的材料的尺寸；
所述拉拔的加热机构内部为真空，外部设有电阻丝、热电偶和控温仪器，电阻丝包覆在真空管外侧，热电偶布于电阻丝之间便于测温，控温仪器位于最外侧通过电线与热电偶和电阻丝连接，便于实现对温度的检测和调控。
本申请的制备方法如下：
(1)选取4根长度为1.5m、直径为10mm的mg-3y镁合金金属棒和3根同样尺寸的mg-9y镁合金金属棒，分别进行表面处理，去除其表面的油污和氧化膜，打磨至表面呈光亮状的金属棒。
(2)将处理好的两种镁合金细棒按照周向交替排列的方式堆放好，如图2所示，坯料首尾用mg丝捆扎，固定金属细棒，防止松散混乱。
(3)将捆扎好的金属细棒坯料送到编扭设备的真空管中，紧固胶圈径向移动夹紧镁合金细棒的两端，将管内抽真空到30pa，再向管内充入ar，直到管内气压与外界相近，打开加热装置开关，加热到300℃，在保温的状态下打开设备开关使旋转轴转动360°，如图3。
(4)打开拉拔机的加热装置加热到300℃并保温，以6m/min的速度将编扭在一起的棒材送入拉拔机中，三道次的拉拔模具直径依次设置为24mm、19.5mm和16.5mm，拉拔模具端以5m/min的速度拉拔镁合金棒材。
(5)取出拉拔加工后的镁合金棒材，去除表面的油污和氧化膜，切除首尾结合不好的部分，最终获得由mg-3y镁合金和mg-9y镁合金组成的异构镁合金材料。对得到的镁合金材料进行真空固溶处理和时效处理，其中固溶温度为475℃，时间为10小时，以消除加工变形对材料的影响，并使变形时动态析出的y元素重新固溶到基体中。然后，对镁合金棒材进行时效处理，时效温度为200℃，时间为250小时，获得的材料则为具有不同析出相密度的异构镁合金材料。
获得的多尺度异构镁合金材料的微观结构如图5所示，由于mg-3y和mg-9y在250℃下时效处理时，mg-3y中合金元素含量低，主要起固溶强化作用，在镁基体中未发现析出强化相；而mg-9y则具有明显的时效强化，镁基体内产生高密度纳米级析出相。在时效后，两种合金的析出相密度具有较大差异，从而导致两种基体具有较大的硬度差异，进而获得软硬两相，形成异构镁合金。因此本专利通过上述的连续编扭拉拔加工结合异构析出处理的方法，成功制得了不同尺度析出强化的高强高韧镁合金异构材料。
1.一种制备异构镁合金棒材的连续编扭拉拔装置，其特征在于，包括
编扭单元：包括两个夹持旋转轴，用于将多个平行设置的镁/镁合金棒材编扭铰结，实现材料初步的机械结合，所述多个平行设置的镁/镁合金棒材具有两种或者两种以上不同析出强化性能；
拉拔单元：设置在编扭单元后侧，用于对编扭变形之后的棒材进行拉拔；
热处理单元：对拉拔之后的棒材进行固溶时效处理，固溶使变形时析出的元素重新固溶到基体中，时效获得具有不同析出相密度的异构镁合金材料。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述夹持旋转轴内部设有紧固胶圈，夹持旋转轴通过紧固胶圈夹持多个平行设置的镁/镁合金棒材的两端，并旋转一端的夹持旋转轴，实现多个平行设置的镁/镁合金棒材编扭铰结。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述编扭单元还包括夹紧机构、编扭的加热机构和真空管；
所述多个平行设置的镁/镁合金棒材放置于真空管内，真空管两端设有法兰，所述编扭的加热机构设置在真空管外周，所述夹紧机构用于夹持两端的两个夹持旋转轴。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述编扭单元还包括编扭控制柜，所述编扭控制柜与夹持旋转轴、编扭的加热机构、真空管连接。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述编扭的加热机构包括电阻丝、热电偶和控温仪器，所述电阻丝包覆在真空管外侧，所述热电偶布于电阻丝之间便于测温，所述控温仪器位于最外侧通过电线与热电偶和电阻丝连接，便于实现对温度的检测和调控。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述拉拔单元包括拉拔的加热机构和拉拔模具；
从编扭单元出来的棒材进入拉拔单元的加热机构进行加热，加热之后通过拉拔模具进行拉拔。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述拉拔单元还包括拉拔控制柜，所述拉拔控制柜和拉拔模具、拉拔的加热机构连接；所述拉拔的加热机构内部为真空，外部设有电阻丝、热电偶和控温仪器，电阻丝包覆在真空管外侧，热电偶布于电阻丝之间便于测温，控温仪器位于最外侧通过电线与热电偶和电阻丝连接，便于实现对温度的检测和调控。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热处理单元包括固溶子单元和时效子单元；所述固溶子单元为真空热处理炉，所述时效子单元为油浴炉。
9.一种利用权利要求1-8任一项所述的装置制备异构镁合金棒材的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：混编：对镁合金细棒进行预处理，取若干长度和直径均相同的两种或两种以上镁合金细棒按照异种材料周向交替排列的方式混编，对混编好的细棒束的端部和尾部进行捆扎固定；
步骤(2)：编扭变形：将捆扎好的细棒束送入编扭单元进行编扭变形，抽真空并向真空管内充入惰性气体ar到大气压，并保持气流稳定，加热，紧固镁合金细棒束两端，并驱动其中的一端均匀旋转；
步骤(3)：拉拔：将编扭变形后的棒材送入拉拔单元中，抽真空，加热保温，对棒材施以拉拔变形，采用多道次逐级变形；
步骤(4)：热处理：对拉拔之后的棒材进行真空固溶热处理；随后进行多尺度析出时效处理。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的预处理包括对镁合金细棒进行打磨和清洗，去除表面的油污和氧化皮；
所述步骤(2)编扭变形中的工艺参数为：抽真空至30～100pa，加热具体为：以10～30℃/min的速率使真空管内温度升至200～400℃；旋转端的转动速率为3～10rpm，旋转角度为30～720°；
所述步骤(3)的拉拔的工艺参数为：抽真空到30～100pa；加热为在300～500℃保温10min～30min，拉拔速率为2～15m/min，变形量为10～50％；
所述步骤(4)的真空固溶处理的工艺参数为：固溶温度为400～500℃，时间为1～10h；时效温度为150～250℃，时效时间为1～300h。
技术总结