本發(fā)明屬于材料研發(fā)及加工領(lǐng)域，特別是涉及一種高通量鍛造熱模擬裝置及方法。

技術(shù)背景

先進(jìn)材料是科技創(chuàng)新、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和提高全球競爭力的核心。當(dāng)前，先進(jìn)材料的開發(fā)致力追求一種高效、低成本的研究方法，其中材料基因工程提供了一種材料計算模擬、高通量制備與表征和材料信息學(xué)/數(shù)據(jù)庫相融合的協(xié)同創(chuàng)新研發(fā)理念。當(dāng)前，由于受到計算能力、理論模型和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的限制，大多數(shù)計算結(jié)果的準(zhǔn)確性還遠(yuǎn)不能達(dá)到實驗結(jié)果水平，難以滿足實用的要求。因此，在由傳統(tǒng)實驗方法向新型預(yù)測方法的過渡中，高通量實驗發(fā)揮著重要作用。

材料高通量實驗是在短時間內(nèi)完成批量樣品的制備與表征，其核心思想是將傳統(tǒng)材料研究中的順序迭代改為并行處理，以提高材料研究效率。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，作為材料基因組計劃三大要素之一的材料高通量制備與表征技術(shù)已經(jīng)取得了較大的發(fā)展，并被證明可有效的加速材料研發(fā)和應(yīng)用進(jìn)程。高通量實驗不僅可以為材料模擬計算提供大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使材料數(shù)據(jù)庫得到充實，還可以為材料模擬計算提供實驗驗證，使計算模型得到優(yōu)化、修正。更為重要的是，材料高通量實驗可快速提供有價值的研究成果，加速材料的篩選和優(yōu)化。

鍛造是一種廣泛應(yīng)用的材料加工工藝，其中鐓粗是鍛造中最常見的變形方式。合金成分、鍛造變形量、變形溫度等參數(shù)對合金的動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶有顯著影響。通過gleeble試驗機(jī)壓縮熱模擬實驗可以代替普通鍛造鐓粗熱模擬實驗，從而得到材料的應(yīng)力應(yīng)變等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但gleeble試驗機(jī)一次只能做一個壓縮熱模擬實驗、效率較低，無法滿足高通量熱壓縮模擬要求。本發(fā)明提供一種高通量鍛造熱模擬裝置及方法，利用該裝置和方法可以一次批量完成不同鍛造工藝參數(shù)下的鍛造熱模擬實驗，得到多個樣品不同工藝條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。該方法可以為材料鍛造模擬提供大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也可以驗證材料鍛造模擬結(jié)果，實現(xiàn)快速篩選最優(yōu)試樣及其最佳鍛造工藝參數(shù)，從而大大縮短材料研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高通量鍛造熱模擬裝置及方法，可以一次批量完成不同鍛造工藝參數(shù)下鍛造實驗，不僅可為材料鍛造模擬提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，還可以驗證材料鍛造模擬結(jié)果，從而快速篩選最優(yōu)試樣及其鍛造工藝參數(shù)。

本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的：一種高通量鍛造熱模擬裝置，其特征在于，包括液壓機(jī)、鍛造上模、鍛造室、行程導(dǎo)桿、整體式隔熱裝置、階梯式樣品臺，電阻加熱及溫控系統(tǒng)、氣流冷卻及控制系統(tǒng)、壓力傳感器、位移傳感器和壓力位移數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。鍛造室內(nèi)置階梯式樣品臺，每行樣品采用整體式隔熱裝置分隔開，這樣方便控制溫度和氣流冷卻，電阻加熱及溫控系統(tǒng)給樣品提供熱源，氣流冷卻及控制系統(tǒng)給樣品冷卻。

優(yōu)選地，所述液壓機(jī)采用2000kn四柱液壓機(jī)，可以設(shè)定上滑塊壓下行程和壓下速率。

優(yōu)選地，所述鍛造室內(nèi)置階梯式樣品臺、整體式隔熱裝置、電阻加熱及溫控系統(tǒng)、氣流冷卻及其控制系統(tǒng)，設(shè)計四個行程導(dǎo)桿，鍛造室設(shè)置在液壓機(jī)工作臺上，鍛造上模固定在液壓機(jī)滑塊上，在行程導(dǎo)桿的引導(dǎo)下運(yùn)動。

優(yōu)選地，所述階梯式樣品臺放在鍛造室內(nèi)，同時與基座相固定。階梯式樣品臺上，樣品可以同時放置多行，每行可以放置多個，樣品臺每行的高度呈階梯式均勻分布(相鄰樣品臺高度差為1mm)。

優(yōu)選地，所述整體式隔熱裝置采用納米微孔隔熱板(最高使用溫度1100℃)，將每個樣品分隔成一個個獨(dú)立的空間。

優(yōu)選地，所述電阻加熱及溫控系統(tǒng)集合了電阻加熱和溫控系統(tǒng)，分別給每個樣品提供熱源，并控制溫度。

優(yōu)選地，所述氣流冷卻及控制系統(tǒng)集合了氣流冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)氣體流量控制樣品的冷卻速度。

優(yōu)選地，所述壓力傳感器設(shè)有64個，分別安置在鍛造上模，用于測量每個樣品對應(yīng)上模的壓力。

所述位移傳感器安置在鍛造上模用于測量整個上模的位移量。

所述壓力位移數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)用于記錄傳感器測得的壓力和位移，并將位移和壓力一一對應(yīng)生成應(yīng)力應(yīng)變曲線。

本發(fā)明還提供了一種高通量鍛造熱模擬方法，其特征在于，所述高通量鍛造熱模擬方法包括以下步驟：

步驟一：將鍛造上模固定在液壓機(jī)的滑塊上，將鍛造室固定在液壓機(jī)工作臺上，使得鍛造上模可以在行程導(dǎo)桿的引導(dǎo)下上下移動。

步驟二：將同一成分、同樣大小的樣品排列放置在鍛造室的階梯式樣品臺上，通過整體式隔熱裝置將每行樣品分開，每行樣品的加熱互不影響；

步驟三：通過電阻加熱及溫控系統(tǒng)，設(shè)置階梯式樣品臺的每行樣品的目標(biāo)鍛造溫度。開通電源，系統(tǒng)啟動，按照設(shè)置升溫速率加熱，直至加熱到目標(biāo)溫度，保溫時間相同；

步驟四：對鍛造上模和鍛造室進(jìn)行定位，設(shè)置鍛造上模的壓下行程和行程速率，開啟壓力位移數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)；

步驟五：保溫結(jié)束后，斷電，開啟鍛造程序，按照預(yù)先設(shè)定的壓下行程和行程速率進(jìn)行鍛造熱模擬實驗；

步驟六：鍛造熱模擬實驗結(jié)束后，斷電，開啟氣流冷卻及控制器系統(tǒng)，使樣品快速冷卻到室溫，取出樣品，鍛造熱模擬實驗結(jié)束；

步驟七：通過壓力位移數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)得到每個樣品的應(yīng)力應(yīng)變曲線；

步驟八：將同一行的樣品用環(huán)氧樹脂鑲樣，經(jīng)過砂紙研磨和金剛石拋光膏拋光后，利用金相顯微鏡進(jìn)行樣品檢測，從而高通量表征不同鍛造工藝參數(shù)對樣品組織、性能的影響。

優(yōu)選地，所述環(huán)氧樹脂的主要成分是純環(huán)氧樹脂和膠黏劑。

本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于，本發(fā)明同時將多個樣品放在鍛造室的階梯式樣品臺上，每行樣品都與階梯式樣品臺基座固定組合成一個整體，便于鍛造后的高通量表征。每行或者每列的樣品中，必有一個鍛造工藝參數(shù)值是相同的，每個樣品都擁有獨(dú)立的溫控系統(tǒng)及冷卻控制系統(tǒng)，且采用整體式隔熱裝置，形成一個個相對封閉的獨(dú)立空間，彼此之間互不影響。通過溫控系統(tǒng)調(diào)控鍛造溫度和階梯式樣品臺，進(jìn)而一次性進(jìn)行多個工藝參數(shù)條件下樣品的鍛造實驗，得到多個樣品的應(yīng)力應(yīng)變曲線，可用于快速篩選最優(yōu)樣品及鍛造工藝參數(shù)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明高通量鍛造裝置示意圖，圖中1.鍛造上模，2.鍛造室，11.壓力位移數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，12.液壓機(jī)。

圖2是高通量鍛造裝置中鍛造室的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是高通量鍛造裝置中鍛造室的結(jié)構(gòu)剖面圖。

其中3.行程導(dǎo)桿，4.整體式隔熱裝置，5.試樣，6.階梯式樣品臺，7.電阻加熱及溫控系統(tǒng)，8.氣流冷卻及控制系統(tǒng)。

圖4是高通量鍛造上模的結(jié)構(gòu)示意圖，其中9壓力傳感器，10位移傳感器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖給出發(fā)明較佳實施例，以詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明高通量鍛造熱模擬方法包括以下步驟：

步驟一：將鍛造上模固定在液壓機(jī)的滑塊上，將鍛造室固定在液壓機(jī)工作臺上，使得鍛造上?？梢栽谛谐虒?dǎo)桿的引導(dǎo)下上下移動。

步驟二：將同一成分、同樣大小的試樣排列放置在鍛造室的階梯式樣品臺上，通過整體式隔熱裝置將各個試樣分開，每個試樣的加熱和冷卻互不影響；

步驟三：通過電阻加熱及控溫系統(tǒng)，設(shè)置樣品臺每行試樣的目標(biāo)加熱溫度(1050℃、1000℃、900℃、800℃等)，保溫時間相同；

步驟四：開通電源，開始按照控溫程序加熱，直至加熱到目標(biāo)溫度，保溫一定時間(比如1min)；

步驟五：對鍛造上模和鍛造室進(jìn)行定位(比如鍛造上模下表面距離最近的試樣50mm)，根據(jù)試樣最大壓下量(比如最大壓下量9mm)，設(shè)定鍛造上模的壓下行程和行程速率；同時開啟壓力位移數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)；

步驟六：開啟液壓機(jī)電源，使得鍛造上模按照設(shè)定的壓下行程和行程速率運(yùn)動。

步驟七：鍛造熱模擬實驗結(jié)束后，通過氣流冷卻及控制系統(tǒng)，設(shè)置每行試樣的氣流系統(tǒng)的氣流量(可以為4l/min、3l/min等)，開啟氣流冷卻系統(tǒng)，每個試樣獨(dú)立冷卻到室溫。

步驟八：通過壓力位移數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)得到每個樣品的應(yīng)力應(yīng)變曲線；

步驟九：試樣完全冷卻后，取出試樣，用環(huán)氧樹脂鑲樣，經(jīng)過砂紙研磨和金剛石拋光膏拋光后，利用不同的實驗設(shè)備(如金相顯微鏡)，從而高通量表征不同鍛造工藝參數(shù)對樣品組織、性能的影響。

本發(fā)明高通量鍛造熱模擬方法主要采用鍛造上模1、鍛造室2、行程導(dǎo)桿3、整體式隔熱裝置4、階梯式樣品臺6、電阻加熱及溫控系統(tǒng)7、氣流冷卻及控制系統(tǒng)8、壓力傳感器9、位移傳感器10、壓力位移數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)11、液壓機(jī)12。階梯式樣品臺由整體式隔熱裝置分隔成一個個獨(dú)立的空間，每個空間分別放置一個試樣，且每個空間都有各自獨(dú)立電阻加熱及溫控系統(tǒng)，可以控制目標(biāo)加熱溫度及保溫時間。

所述階梯式樣品臺，相鄰兩行之間的樣品臺高度差一樣，同一行樣品臺高度一樣。階梯式樣品臺的控制工藝參數(shù)可以是試樣變形溫度、變形量、材料成分中的任何兩個，可以方便一次性研究兩個不同鍛造工藝參數(shù)對樣品組織、性能的影響。

所述整體式隔熱裝置采用納米微孔隔熱板，將樣品分割成一個個相對封閉的獨(dú)立空間，避免彼此之間溫度的相互影響。

所述氣流冷卻及其控制系統(tǒng)集合了氣流冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)氣體流量控制樣品的冷卻速度。

所述壓力傳感器設(shè)有64個，分別安置在鍛造上模，用于測量每個樣品對應(yīng)上模的壓力。

所述位移傳感器安置在鍛造上模用于測量上模的位移量。

所述壓力位移數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)用于記錄傳感器測得的壓力和位移，并將位移和壓力一一對應(yīng)生成應(yīng)力應(yīng)變曲線。

實施例一

本實施例以45鋼為例來說明高通量鍛造熱模擬方法。本實施例的具體步驟如下：

a1，將鍛造上模固定在液壓機(jī)的滑塊上，將鍛造室固定在液壓機(jī)工作臺上，使得鍛造上?？梢栽谛谐虒?dǎo)桿的引導(dǎo)下上下移動。

b2，將同一成分64個大小為的樣品按照8×8排列放置在階梯式樣品臺上，目標(biāo)加熱溫度分別為750℃、800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃，均熱保溫時間相同都是1min。

c3，開通加熱電源，加熱到目標(biāo)溫度，均熱保溫1min，切斷加熱電源。

d4，對鍛造上模和鍛造室進(jìn)行定位，使得鍛造上模下表面距離最近的試樣50mm，設(shè)置試樣最大壓下量9mm，則最小壓下量為1mm，其中階梯式樣品臺中相鄰樣品臺高度差1mm，則鍛造上模的壓下行程為59mm，另外設(shè)定鍛造上模行程速度為100mm/s；同時開啟壓力位移數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。

e5，開啟壓機(jī)電源，按照設(shè)定的壓下行程和行程速度，運(yùn)行壓機(jī)。

f6，鍛造結(jié)束后，將鍛造上模向上移動一定距離，使樣品自然冷卻至室溫。

g7，取出樣品，鍛造熱模擬實驗結(jié)束。

h8，通過壓力位移數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)得到不同樣品的應(yīng)力應(yīng)變曲線，從而高通量表征不同壓下量、不同變形溫度對壓力的影響。

實施例二

本實施例以加入不同ce含量的5crnimo模具鋼為例來說明高通量鍛造熱模擬方法。本實施例的具體步驟如下：

a1，將鍛造上模固定在液壓機(jī)的滑塊上，將鍛造室固定在液壓機(jī)工作臺上，使得鍛造上模可以在行程導(dǎo)桿的引導(dǎo)下上下移動。

b2，準(zhǔn)備64個大小為的5crnimo模具鋼樣品，分成8組，每組樣品的ce含量不相同，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.00％，0.05％，0.10％，0.15％，0.20％，0.25％，0.30％，0.35％。將這64個樣品按8×8排列在鍛造室的階梯式樣品臺上，每列樣品的成分相同。

c3，設(shè)置樣品的鍛造溫度為1000℃，開通電源，每個樣品獨(dú)立溫控系統(tǒng)分別加熱至目標(biāo)溫度，保溫時間相同且均為1min，切斷加熱電源。

d4，對鍛造上模和鍛造室進(jìn)行定位，使得鍛造上模下表面距離最近的試樣50mm，設(shè)置試樣最大壓下量9mm，則最小壓下量為1mm，其中階梯式樣品臺中相鄰樣品臺高度差1mm，則鍛造上模的壓下行程為59mm，另外設(shè)定鍛造行程速度為100mm/s。

e5，開啟壓機(jī)電源，按照設(shè)定的壓下行程和行程速度，運(yùn)行壓機(jī)。

f6，鍛造結(jié)束后，將鍛造上模向上移動一定距離，開啟氣流冷卻系統(tǒng)，設(shè)置每行試樣的氣流系統(tǒng)的氣流量為5l/min，使得樣品迅速冷卻至室溫。

g7，取出樣品，鍛造熱模擬實驗結(jié)束。

h8，將這64個樣品用環(huán)氧樹脂鑲樣，經(jīng)過砂紙研磨和金剛石拋光膏拋光處理后，利用金相顯微鏡觀察顯微組織，高通量表征不同壓下量、不同成分對微觀組織的影響。

本發(fā)明能夠一次完成多個樣品鍛造工藝參數(shù)實驗，可用于篩選最優(yōu)樣品及其鍛造工藝參數(shù)。本發(fā)明將多個樣品按矩陣式排列在鍛造室的階梯式樣品臺上，每個樣品都與階梯式樣品臺基座固定成一個整體，便于鍛造后的高通量表征。每行或者每列的樣品中，必有一個鍛造工藝參數(shù)是相同的(其中，樣品臺是階梯式的，每行的樣品的變形量是一樣的，相鄰兩行之間樣品變形量差值是一樣的)。每個樣品都擁有獨(dú)立溫控系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，且采用隔熱板分隔開，形成一個個封閉的空間?？梢砸淮涡酝瓿啥鄠€樣品鍛造工藝參數(shù)實驗，實現(xiàn)高通量鍛造成形，并通過壓力、位移傳感器及其數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)生成每個樣品的應(yīng)力應(yīng)變曲線，可用于篩選最優(yōu)樣品及其鍛造工藝參數(shù)。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。