提供塑性区挤压
阅读：199发布：2023-02-20
专利汇可以提供提供塑性区挤压专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且提供了一种塑性区 挤压 。首先， 压缩机 可以在原料中产生摩擦热以使原料处于原料的塑性区。接着， 输送机 可以从压缩机接收处于其塑性区的原料并从压缩机输送处于其塑性区的原料。接下来，模具可以从输送机接收处于其塑性区的原料并挤压该原料以形成丝线。，下面是提供塑性区挤压专利的具体信息内容。
1.一种系统，包括：
被构造成用于接收原料的压缩机；
输送机，所述输送机被构造成用于：
从压缩机接收原料，和
从压缩机输送原料；以及
模具，所述模具被构造成用于：
从输送机接收原料，和
挤压原料以形成丝线。
2.根据权利要求1所述的系统，其中压缩机包括室和柱塞。
3.根据权利要求2所述的系统，其中柱塞被构造成用于在室中旋转。
4.根据权利要求1所述的系统，其中输送机包括轮和基部。
5.根据权利要求4所述的系统，其中轮被构造成用于旋转以将原料从压缩机输送到模具。
6.根据权利要求4所述的系统，其中输送机包括在轮与基部之间被构造成用于从压缩机接收原料的空间。
7.根据权利要求6所述的系统，其中轮与基部之间的空间从压缩机朝向模具逐渐减小。
8.根据权利要求6所述的系统，其中输送机包括螺杆和基部。
9.根据权利要求8所述的系统，其中螺杆被构造成用于在基部中旋转以将原料从压缩机输送到模具。
10.根据权利要求8所述的系统，其中螺杆包括第一螺纹、第二螺纹、和第三螺纹，第一螺纹与第二螺纹和第三螺纹相比较更靠近压缩机，第三螺纹与第一螺纹和第二螺纹相比较更靠近模具，第二螺纹在第一螺纹与第三螺纹之间，第一螺纹与第二螺纹之间的间隔大于第二螺纹与第三螺纹之间的间隔。
11.根据权利要求1所述的系统，其中被构造成用于从压缩机输送原料的输送机包括被构造成用于混合原料的输送机。
12.根据权利要求11所述的系统，其中原料包括以下中的至少两种：第一合金、第二合金、第一纳米颗粒和第二纳米颗粒。
13.根据权利要求1所述的系统，其中压缩机被构造成用于在原料中生成摩擦热以使原料处于原料的塑性区。
14.根据权利要求1所述的系统，其中输送机被构造成用于在原料中生成摩擦热以使原料处于原料的塑性区。
15.根据权利要求1所述的系统，其中模具被构造成用于在原料中生成摩擦热以使原料处于原料的塑性区。
16.根据权利要求1所述的系统，其中：
原料至少包括第一合金和第二合金；和
丝线包括第一微观结构和第二微观结构，且在第一微观结构与第二微观结构之间具有高粘附力。
17.根据权利要求1所述的系统，其中：
原料包括金属和纳米粒子；和
丝线包括大致均匀地分布在丝线内的金属和纳米颗粒的微细结构。
18.一种方法，包括以下步骤：
在原料中生成摩擦热以使原料处于原料的塑性区；
在输送机处接收处于其塑性区的原料；
通过输送机输送处于其塑性区的原料；
在模具处从输送机接收处于其塑性区的原料；以及
通过模具挤压原料以形成丝线。
19.根据权利要求18所述的方法，其中在原料中生成摩擦热的步骤包括：
通过包括室和柱塞的压缩机在原料中生成摩擦热。
20.根据权利要求18所述的方法，其中在原料中生成摩擦热的步骤包括：当柱塞在室内部旋转时，通过压缩机在原料中生成摩擦热。
21.根据权利要求18所述的方法，进一步包括以下步骤：
当柱塞在室内部旋转时，通过压缩机混合原料。
22.根据权利要求18所述的方法，其中通过输送机输送处于其塑性区的原料的步骤包括：
通过包括轮和基部的输送机进行输送，其中轮与基部之间的空间在压缩机与模具之间逐渐减小。
23.根据权利要求18所述的方法，其中通过输送机输送处于其塑性区的原料的步骤包括：
通过包括螺杆和基部的输送机进行输送，其中螺杆包括第一螺纹、第二螺纹和第三螺纹，第一螺纹与第二螺纹和第三螺纹相比较更靠近压缩机，第三螺纹与第一螺纹和第二螺纹相比较更靠近模具，第二螺纹在第一螺纹与第三螺纹之间，第一螺纹与第二螺纹之间的间隔大于第二螺纹与第三螺纹之间的间隔。
24.根据权利要求18所述的方法，其中输送处于其塑性区的原料的步骤包括：
当原料正在由输送机输送时通过输送机混合原料。
25.根据权利要求24所述的方法，其中通过输送机混合原料的步骤包括：混合包括以下材料中的至少两种的原料：
第一合金、第二合金、第一纳米颗粒和第二纳米颗粒。
26.根据权利要求24所述的方法，其中通过输送机混合原料的步骤包括：
混合包括以下材料中的至少两种的原料：
第一合金、第二合金、第一纳米颗粒和第二纳米颗粒，其中第一纳米颗粒包括以下材料中的至少一种：
氧化铝、碳化硅、铜和碳纳米管。
27.一种系统，包括：
压缩机，所述压缩机被构造成用于在原料中生成摩擦热以使原料处于原料的塑性区，所述原料包括第一合金和第二合金；
输送机，所述输送机被构造成用于：
从压缩机接收处于其塑性区的原料，和
从压缩机输送处于其塑性区的原料，其中被构造成用于从压缩机输送处于其塑性区的原料的输送机包括被构造成用于混合原料中的第一合金和第二合金的输送机；和模具，所述模具被构造成用于：
从输送机接收处于其塑性区的原料，和
挤压原料以形成包括第一合金和第二合金的微细结构的丝线，所述第一合金和第二合金大致均匀地分布在丝线内。
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[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请主张2013年3月15日提出申请的美国申请No.13／832,255的优先权，该申请通过引用在此全文并入供参考。
[0003] 版权
背景技术
[0006] 提供该发明内容以简化形式引入以下在具体实施方式中被进一步描述的原理的选择。该发明内容不是旨在确定所主张的主题的特征或基本特征。该发明内容也不用于限制所主张的主题的保护范围。
[0007] 可以提供一种塑性区挤压。首先，压缩机可以在原料中产生摩擦热以使原料处于原料的塑性区中。接着，输送机可以从压缩机接收处于其塑性区的原料并从压缩机输送在其塑性区的原料。接下来，模具可以从输送机接收处于塑性区的原料并挤压该原料以形成丝线。
[0008] 上述总体描述和以下详细说明两者提供示例并且仅是示例性的。因此，上述总体描述和以下详细说明将不被认为是限制性的。进一步地，除了这里提出的设置，还可以提供特征或改变。例如，实施例可以涉及在详细描述中所述的各种特征组合和子组合。附图说明
[0009] 并入本公开并构成本公开的一部分的附图示出了本发明的各种实施例。在附图中：
[0010] 图1显示挤压系统；
[0011] 图2显示摩擦挤压系统；
[0012] 图3显示由加工芯片产生的丝线；
[0014] 图5显示摩擦搅拌过程；
[0015] 图6显示FSP区域的剖视图；
[0016] 图7显示通过FSP使A12O3颗粒在纯Al基体中的均匀分散；
[0018] 图9显示根据本发明的实施例的经由挤压过程制造的最终产品的示例；
[0019] 图10显示用于产生一百万公吨产品的能量消耗；
[0020] 图11显示塑性区挤压系统；
[0021] 图12显示塑性区挤压系统；
[0022] 图13显示由塑性区挤压系统制造而成的丝线的剖面；
[0023] 图14显示由塑性区挤压系统制造而成的丝线的剖面；以及
[0024] 图15显示段塞。
具体实施方式
[0025] 以下详细说明参照附图。不管怎样，在附图中使用相同的附图标记，并且以下描述表示相同或类似的元件。虽然可以描述本发明的实施例，但是修改、改进及其它实施方案也是可以的。例如，可以对附图中所示的元件进行替换、添加或修改，并且可以通过对所公开的方法进行替换、重新排序或添加阶段来修改这里所述的方法。因此，以下详细说明不限制本发明。
[0026] 对于美国国内金属发生器(例如，钢、铝合金、钛合金)，由于多种原因，再循环废弃材料是重要的。首先，大大考虑了与作为工业废料被处置的废金属有关的环境问题。还存在减少国内天然矿物资源的问题，这与近几年来工业化制造的废金属的充足和持续堆积相反。主要驱动力可能在于经济。可以更廉价、更快并且更加能量有效地再利用，而不是由矿石进行制造。另外，对于再循环来说，资金设备成本可以较低。例如，再循环铝可能仅需要大约使用由矿石进行制造的资金设备成本的10％。具有主要使用废料作为原料的EAF熔炉的小型轧钢机与基于一体式轧制机的大BOF相比构造成本也不贵。
[0027] 美国的能量工业技术计划部门(ITP)实施了调查大多数能量密集型工业部门的能量消耗的一连串研究。对于钢铁行业和铝行业-美国两个最大的金属制造行业来说，将废品转换成可用产品已经变成制造的主要来源。
[0028] 自从20世纪60年代，美国的再循环铝废品已经在总制造的吨位和百分比两方面增长。在2000年，美国制造的几乎一半(48.5％)的铝金属由回收材料制造。类似趋势存在于钢铁行业。钢铁已经变成最大的回收材料，且美国三分之二的钢铁当前由废品制造。每年有上千万的汽车被报废，并且来自这些汽车的报废废品被返回到炼钢厂。
[0029] 熔化供给原料可能是金属再循环中主要的能效屏障。总之，熔化和熔化处理操作可能是所有后熔炼过程中的最大能量密集。热能可以用于将废品从环境温度加热到远远超过熔点。相当大一部分热能可能被消耗以克服与熔化相关联的熔合的潜热。当前熔化过程的热效率可能还比较低。对于钢来说，使用100％废品装料的EAF熔炼的最好的实际能量使用大约为6.7MBtu／铸件吨，大约是理论最小能量的五倍。用于铝来说，比值是2.50kWh／kg至0.33kWh／kg-实际使用大约为理论最小值的7.6倍。
[0030] 废料的再循环已经变成较重要的来源，并且未来生产中将发挥极其重要的作用，并且美国转向再循环主导金属制造市场的工业金属的制造表示美国的原料材料的基本变化。这种转移还提供重新认识如何以更大的能效、环境益处和产品质量由可循环物制造金属的机遇的窗口。
[0031] 图1显示根据本发明的用于提供塑性区挤压的塑性区挤压系统100。如图1所示，塑性区挤压系统100可以包括入口105、柱塞110和孔口115。根据本发明的实施例，原料可以放置在入口105中。一旦塑性区挤压系统100接收原料，柱塞110可以压缩原料并迫使(例如，挤压)原料以丝线的形式通过孔口115。例如，柱塞110可以转动原料，从而生成摩擦热。生成的摩擦热可以将原料加热到原料的“塑性区”。塑性区可以包括其中原料可锻但是没有被充分加热以处于液体或熔融状态的固态。换句话说，塑性区挤压系统100可以包括旋转模具，所述旋转模具被构造成用于通过使塑性区挤压系统100内的原料旋转而生成热量。一旦生成的热量使原料处于原料的塑性区，则原料可以被挤出孔口115。可以通过将原料连续添加到入口105中并将丝线挤出孔口115以构造任何长度的丝线来连续重复该过程。
[0032] 原料可以包括可以通过塑性区挤压系统100处于原料的塑性区的任何材料。例如，原料可以包括铝、铜、或组合。原料例如可以包括刨花或削屑。削屑可以包括金属削屑或碎片，例如由熔化加工操作产生的碎屑或废料。削屑可以例如由于与被诸如切割流体或污油的液体可能污染有关的环境问题而被回收。这些液体可以使用离心机与金属分离，从而允许两者都被回收并制备以用于进一步处理。
[0033] 此外，根据本发明的实施例，原料可以包括一种金属、多种任何金属或一种或多种金属与其它一种或多种非金属物质的组合。例如，原料可以包括铜和铝两者。在常规系统的情况下，可能对可以均匀地与熔融铝混合的熔融铜的量具有限制。根据本发明的实施例，原料可以包括任何百分数的铜和铝。因此，丝线可以被构造成用于平衡铝的强度和轻质与铜的导电性。换句话说，铜可以被添加到铝原料以增加原料的导电性。
[0034] 原料还可以包括诸如碾碎铝罐的任何回收或可回收物质。在常规系统的情况下，诸如铝罐的回收材料必须通过“去漆”处理以从回收材料除去物质。根据本发明的实施例，丝线可以使用没有被去漆的碾碎铝罐被构造而成，从而避免与去漆相关联的成本。虽然这种丝线没有与已经被去漆的原料同样高的导电性，但是该丝线可以用在这不是重点的情况中(例如，围栏铁丝线)。
[0035] 此外，根据本发明的实施例，纳米颗粒可以被添加到原料。例如，氧化铝的纳米颗粒可以被添加到铝原料以增加由该原料形成的丝线的强度和导电性。然而，添加的纳米颗粒可以增加由添加有纳米颗粒的原料形成的丝线的强度、导电性、热膨胀性或任何物理或化学特性。在常规系统的情况下，因为用于形成丝线的材料必须被加热至少直到该材料熔化，因此添加在常规系统中的任何纳米颗粒可能在熔融金属的温度下不稳定(例如，可能丧失其期望的特性)。
[0036] 高能效固态材料合成过程-可以提供直接固态金属转换(DSSMC)技术。具体地，可以提供纳米颗粒分散加强容积材料。通过机械合金化和热机械处理由粉末、芯片或其它可回收原料金属或碎片形成的纳米合成材料可以在单个步骤中被提供。还可以提供制造具有独特功能特性(例如，热或电)的纳米工程材料体的材料。纳米工程丝线可以用在长距离电力输送基础结构中。
[0037] 本发明的实施例可以包括一种DSSMC系统和方法。这些系统和方法可以消除在废品到金属转换／再循环过程期间的熔化(最大能量密集步骤)的需要，从而降低金属制造的能量消耗和成本。此外，因为可以避免熔化和固化，因此本发明的实施例可以通过例如使用机械合金化和处理来开创对于生产诸如纳米工程结构和功能材料的新类别的材料的新路径。本发明的实施例可以使用金属再循环的摩擦挤压和纳米颗粒加强表面的摩擦搅拌处理。
[0038] 摩擦挤压
[0039] 摩擦挤压可以是直接固态金属转换过程。图2中显示了摩擦挤压。填充有削屑210(例如，加工碎片或金属粉末)的旋转室205可以在轴向载荷215下被施加到柱塞220上并且被挤压。可熔塞240位于柱塞220与削屑210之间。另外，柱塞220可以包括孔口或模具245。由轴向挤压流中的相对运动和初始限制产生的摩擦热和压力允许在不需要外部加热源的情况下形成塑化层225。通过在该层中的高应变速率塑性变形生成软化用于混合和固结的材料的相当大的热量。相对局部加热影响过渡带230可以使塑化层与可以保持停滞在室205内的被压缩的削屑210分离。通过继续生成塑化层225并逐渐消耗削屑210，实心棒235可以静流体地被挤压通过模具245。从能量消耗的观点来看，因为相当大的温度升高可能局限于薄塑化层225，因此到环境的热损失可能显著地低于加热炉的热损失。
[0040] 如图3所示，直径为3mm并且几米长的实心Al-Mg合金丝线可以例如由机械加工碎片310制造而成。可以实现良好的机械性能和大于99.8％的压实性(作为密度的测量值)。简单的180°的手弯曲测试和拉伸测试可以证明所完成的棒的整体性。拉伸测试可以实现130MPa。
[0041] 根据本发明的实施例，可以进行扩大的热机械变形以生产机械合金化材料。铝粉末2618和40％微米尺寸的金刚砂可以用作原料。根据本发明的实施例，大多数处理材料可以被生产成具有合理的外观，因此可以实现原料材料的至少部分固结和转换。图4显示在试验进行中形成的金属基体复合棒的纵剖面。分散的不连续的SiC微粒可以均匀地分布在铝2618合金基体中。
[0042] 根据本发明的实施例，由摩擦挤压形成的产品可以是圆形丝线／棒。然而，可以通过使用不同的模具和柱塞设计制造其它形式或形状的产品。此外，如果例如通过对由多个摩擦挤压阶段制造的柸料进行额外的热挤压／成型／轧制而对根据本发明的实施例的过程按比例放大，则对最终产品的尺寸没有障碍限制。
[0043] 摩擦搅拌处理
[0044] 根据本发明的实施例，摩擦搅拌处理(FSP)可以将纳米尺寸的氧化物颗粒并入到铝基体中以形成机械合金化的坚硬且坚固的纳米复合表层。FSP可以包括摩擦搅拌焊接的变形。在FSP中(例如，图5)，旋转工具505可以被推靠在正在被处理的工件510上，使得旋转工具505的销515被掩埋在工件510中，并且工具台肩525与工件的表面520完全接触。在处理期间，工件材料的在工具台肩525下方的柱中的温度相当大地增加，但是在材料的熔点以下，这相当大地是由于旋转工具505和工件510的接触面处的摩擦加热和高应变速率变形。温度增加可以软化材料并允许旋转工具505朝向销515的后侧机械搅拌软化后的材料以用于固结和机械合金化。在其它热机械变形过程中不容易实现的FSP的高应变速率和广泛材料流／变形可以产生具有独特或迅速改进的特性的微细结构。
[0045] 根据本发明的实施例，达到20％体积分数的纳米尺寸Al2O3颗粒可以均匀地分散并与铝基体机械合金化以形成强度被大大增加的纳米复合材料。Al-Al2O3纳米复合材料与基准比对金属的抗压强度相比可以具有更高数量级的抗压强度。耐磨性可以为几个数量级高。图6显示摩擦搅拌处理后的Al-Al2O3纳米复合表层和最终均匀分布的纳米氧化物颗粒的剖面。FSP可以具有不用于大块纳米材料制造的表面改变技术。根据本发明的实施例，高体积分数的纳米颗粒可以通过大量的热机械变形和来自摩擦搅拌动作的混合而均匀地并入到大块(bulk)金属基体。
[0046] 图7显示通过FSP使Al2O3颗粒在纯Al基体中的均匀分散。图7中的初始氧化物颗粒尺寸大约为50nm。
[0047] 本发明的实施例可以提供一种直接固态金属转换过程，所述过程包括：(1)以大大提高的能效进行金属回收；以及(2)合成具有增强的机械强度及其它独特功能特性的纳米工程大块材料。
[0048] 与涉及金属熔化的传统的金属转换／合成过程相比较，根据本发明的实施例的DSSMC可以提供高能效，包括在DSSMC中超过80％能量降低。由于例如热／熔化系统的机械系统的能效，在生产中的实际能量节约可能甚至更高。由于回收废品以及低能耗，DSSMC可以是环境友好的。
[0049] 因为可以消除熔化和固化，因此DSSMC可以适用于合成依赖于机械合金原理的高性能结构材料以及功能材料。DSSMC可以制造用于运输系统的轻质金属基体复合材料、用于电力基础结构的纳米工程(纳米复合、和／或纳米晶状)大块材料和用于核能系统的氧化物分散增强(ODS)合金。DSSMC还可以用在低成本Ti处理、以及诸如TiAl金属互化物和／或SiC增强Ti合金的Ti基合成材料中。
[0051] ·DSSMC可以不必限于丝线或棒。可以通过模具的适当设计和相关处理条件制造其它形状。
[0052] ·DSSMC可以形成为使用低得多的能量消耗、操作成本和设备成本的金属回收处理。
[0053] ·DSSMC的作为大块纳米材料合成技术的相关性和显著性在以下被进一步论述。
[0054] 根据本发明的实施例，通过纳米尺寸氧化物及其它陶瓷微粒分散体加强的工程材料可以具有一些独特的特性。对于相同的体积分数，在加强材料中，与微米尺寸颗粒相比，纳米尺寸颗粒可以更加有效，这是因为颗粒相互间距和欧罗万硬化作用降低。因为氧化物和陶瓷颗粒可以在基体中是热稳定的且不可溶解，因此加强材料可以保持其强度直到温度接近基体熔点。进一步地，分散加强可以没有对在高温下要求溶质原子的高溶解性和特定纳米相成型热力学和动力的沉淀加强的相同限制。因此，分散加强可以减少合金设计的组合约束-在金属回收方面是重要的，因为这可以坚强对金属分选的要求。
[0055] 可以通过可以涉及HIP和多步骤热轧和退火的机械合金电力冶金学路径小量地制造分散加强材料。示例可以包括接下来用于生成核反应堆和超高温锅炉应用的氧化物分散加强(ODS)铁基和非铁基合金。然而，PM+HIP过程可能是高能量密集型的并且按比例放大成本非常高。可以添加纳米陶瓷分散颗粒以铸造机械性能(尤其是高温蠕变强度)被相当大地提高的铝合金和镁合金。
[0056] 虽然铸造可以制造大量大块材料，但是可能难以实现纳米尺寸颗粒在熔融金属和随后的固化金属基体中的均匀分散。由于密度低和范德华力作用，纳米尺寸氧化物颗粒可能往往在金属铸造期间聚集并漂浮到表面。已经在实验室中有限次成功地实验了施加诸如超声波能的外部能量场以破坏聚集并将纳米颗粒均匀地混合在熔融金属中的努力。
[0057] 根据本发明的实施例的DSSMC可以提供一种制造纳米工程材料的方法。均匀分散可以在金属基体中提供更高体积分数(达到20％)的纳米颗粒。摩擦挤压与FSP和基于结合过程的其它广泛使用的摩擦经历相同的变形和冶金结合原理。其所有都可以依赖于摩擦加热和极端热机械处理变形以将材料搅拌、混合、机械合金化、和冶金固结和合成在一起。摩擦挤压可以提供使用摩擦搅拌固结的原理制造大块材料的实际方法。
[0058] 本发明的实施例可以提供：
[0059] ·不同形状的产品。
[0060] ·经由DSSMC形成的纳米工程大块材料(实心丝线)。
[0061] ·共同回收不同类型的铝合金(例如，5xxx系列和6xxx系列)。
[0062] 虽然DSSMC可以再利用和转换各种工业金属，但是本节中的分析将限于两种金属：铝合金和钢，其中对于铝合金和钢来说，转换DSSMC技术的普遍应用预计具有最高能量、经济、环境冲击。DSSMC可以应用于尤其在用于模具和柱塞的工具材料上的钢产品。
[0063] 对受DSSMC技术的应用的能量、经济、和环境冲击的分析可以被分成两部分。第一部分描述分析中使用的程序、参考和假设。第二部总结分析结果。
[0064] 图8显示将废品转换成近终形产品(final Near Net-shape producuts)的当前技术的基本操作步骤和新技术的比较。
[0065] 当前基准技术
[0066] 二次铝产品-整个由回收铝废品制造的铝-是作为当前基准技术(例如，传统的)的示例。二次铝产品可以包括许多主要操作。废品首先在炉中被熔化，铸造成大铸块、柸料、T形棒、厚片或条带，最后被轧制、挤压或以其它方式形成部件和有用产品。二次铝行业是当前巨大的视场，超过50％的国内制造的铝产品由铝废制造而成。
[0067] 小型轧钢机可以包括用于钢制造的传统的系统。小型轧钢机可以包括电弧炉、方坯连铸机和能够制造长产品(杆、棒、段等)的轧机。小型轧钢机使用100％的废品装料并制造作为最终产品的杆和棒条。因此，输入和输出在直接转换和小型轧钢转换过程中是相同的。
[0068] 与通过当前基准技术在以上描述的产品相比，根据本发明的实施例的DSSMC过程可以在单个步骤中由可回收废品制造近终形产品。
[0069] 图8显示涉及对于本发明的实施例815和当前技术820由可回收废品810制造相应的最终产品805的步骤。当前技术820可以包括熔化可回收废品810的炉825。被熔化的可回收废品可以被铸造830成钢锭。钢锭然后可以经由轧制835或挤压840形成最终产品805。
[0070] 图9显示最终产品805的一个示例。本发明的实施例可以用于挤压复杂的物体。例如，图9显示具有第一内部棒910、第二内部棒915、第三内部棒920、和第四内部棒925的圆柱形杆905。在制造期间，多个室可以填充有削屑，并且多个模具可以用于形成圆柱形杆
905、第一内部棒910、第二内部棒915、第三内部棒920、和第四内部棒925。例如，第一室可以填充有削屑和具有能够挤压第一内部棒910、第二内部棒915、第三内部棒920、和第四内部棒925的第一模具。第二室可以填充有相同金属／合金、或不同金属／合金的削屑，并具有挤压圆柱形杆905的第二模具。根据本发明的实施例，在单个挤压期间，圆柱形杆905和第一内部棒910、第二内部棒915、第三内部棒920、和第四内部棒925都可以形成。
905、第一内部棒910、第二内部棒915、第三内部棒920、和第四内部棒925。例如，第一室可以填充有削屑和具有能够挤压第一内部棒910、第二内部棒915、第三内部棒920、和第四内部棒925的第一模具。第二室可以填充有相同金属／合金、或不同金属／合金的削屑，并具有挤压圆柱形杆905的第二模具。根据本发明的实施例，在单个挤压期间，圆柱形杆905和第一内部棒910、第二内部棒915、第三内部棒920、和第四内部棒925都可以形成。
[0071] 操作示例
[0072] 分析过程
[0073] 能量分析可以包括两个主要步骤。第一步骤可以包括确定当前基准技术(传统的)和根据本发明的实施例的单位能耗。这包括确定当前和根据本发明的实施例的理论最小能量需求、对于美国工业来说当前基准技术的实际平均能量使用和根据本发明的实施例的估算能量使用。为了确保正确的能量和环境计算，可以确定“过程能量”-在过程设备(现场能量)处使用的能量。其不包括在非现场公共设施(例如，发电和传输损失)处产生的能量损失。
[0074] 在第二步骤中，可以从市场调研中获得适当的美国国内铝和钢产品图。来自第一步骤的单位能量使用数据和来自第二步骤的统计年制造数据可以用于例如到来自DOE ITP的节能计算工具(GPRA2004Excel分布表)的输入以确定新技术的整体能量、经济和环境益处。
[0075] 单位能量消耗比较
[0076] 当前基准(传统)技术的能量使用
[0077] 可以从DOE报告获得当前基准技术的能量使用。通常，在铝或钢制造的不同阶段使用各种燃料。Choate和Green的研究提供了在铝回收中使用的能量的详细计算。根据该研究，用于制造最终的近终形产品的能量使用是：
[0078]
[0079] 在该公式中，假设用于轧制和挤压的铸锭的百分比与年轧制和挤压产品率成比例：275万公吨用于热轧，275万公吨用于冷轧，以及172万公吨用于挤压。用于钢回收的实际能量(小型轧钢机中的EAF炉)根据Stubbles的研究以类似的方式被估算。
[0080] 在表1中示出了平均实际单元能耗图和当前(传统的)技术和新技术(本发明的实施例)的理论最小能量需求、以及本发明的实施例的估算的能量使用。从Choate和Green获得铝的理论最小能量要求，并从Fruehan的研究获得钢的理论最小能量要求。
[0081] 本发明的实施例可以使用的能量使用
[0082] 本发明的实施例的单位能耗例如被如下估算。在DSSMC过程中，摩擦可以用于驱动局部化变形和加热。摩擦加热和高应变速率塑性变形两者导致被处理区域的温度的增加。因此，可以由处理区域中的温度升高估算能量输入。可以通过塑性加工由绝热加热确定最小理论能量：
[0083]
[0085] 新技术的能效被假设为50％。该图基于新技术主要是机械变形过程的事实。根据Choate和Green，用于轧制和挤压的电动／液压系统的效率为75％。可以假设较低的效率以考虑新技术的其它未计算的能量损失。
[0086] 基于单位产品的能量减小
[0087] 图10显示使用本发明的实施例和当前基准技术制造一百万公吨产品的能耗的比较。根据在当前铝和钢制造(由100％的废品)中使用的燃料的类型，能量使用被破坏，这是因为不同类型的燃料具有不同的环境影响(例如，CO2排放)。可以假设DSSMC过程是使用100％电力的电动／液压驱动机械系统。
[0088] 如图10所示，新技术(即，本发明的实施例)具有巨大的节能潜力。分别对于铝合金和钢来说，理论最小能量使用的减小是85％和51％。由于当前(即，传统的)技术的低能效，因此估算的实际能量使用的减小对于铝来说超过90％，对于钢来说大约为80％。可以通过固态摩擦搅拌焊接过程实现类似的能量节约。
[0089] 当设计产品(例如，丝线)时，可能理想的是产品具有特定特性。这些特定特性可以通过由不同的金属合金制造产品来实现，并且可以在产品中包括某一种或多种类型的纳米颗粒。为了实现这些理想的特性，不同金属合金的纳米颗粒和／或微细结构可以基本上均匀地分布在产品内。这些特定特性可以包括但是不局限于强度、导电性、热膨胀性、延展性等。
[0090] 根据本发明的实施例，可以提供一种塑性区挤压系统，该塑性区挤压系统可以挤压原料以形成包括由第一合金和第二合金形成的纳米颗粒和／或微细结构的丝线，其中所述第一合金和第二合金可以大致均匀地分布在丝线内。如果纳米颗粒或合金被加热到其液体或熔融状态，则包括纳米颗粒或合金的材料将分层到包括纳米颗粒或合金的相应层中，而不会被均匀地分布。然而，根据本发明的实施例塑性区挤压系统可以使包括不同合金和／或纳米颗粒的原料形成到其包括原料可锻的固态的“塑性区”，而不是被充分加热到液体或熔融状态。因为根据本发明的实施例塑性区挤压系统混合正处于其塑性区的原料(可以或可以不包括纳米颗粒)，因此通过塑性区挤压系统从原料挤压的任何丝线可以包括第一合金和第二合金的纳米颗粒和／或微细结构，所述第一合金和所述第二合金可以大致均匀地分布在丝线内。
[0091] 图11显示根据本发明的实施例用于提供塑性区挤压的塑性区挤压系统。如图11所示，塑性区挤压系统1100可以包括输送机，所述输送机包括基部1105和轮1110。塑性区挤压系统1100可以进一步包括压缩机1115和模具1120。压缩机1115可以包括柱塞1125和室1130。压缩机1115可以被构造成用于在原料1135中生成摩擦热以使原料1135处于原料1135的塑性区。模具1120可以被构造成用于从输送机接收处于其塑性区的原料1135并挤压原料1135以形成丝线1140。根据本发明的实施例，轮1110与基部1105之间的空间1145的尺寸可以从压缩机1115朝向模具1120逐渐减小。换句话说，空间1145可以在空间
1145的压缩机1115端具有宽度W，但是空间1145的宽度可以比空间1145的模具1120端处的W小的多。
1145的压缩机1115端具有宽度W，但是空间1145的宽度可以比空间1145的模具1120端处的W小的多。
[0092] 根据本发明的实施例，原料1135可以放置在压缩机1115中。一旦压缩机1115接收原料1135进入到室1130中，柱塞1125可以压缩原料1135并迫使(例如，挤压)原料1135从室1130的底端出来。例如，当柱塞1125正在压缩原料1135时，柱塞1125还可以在室1130内旋转，从而混合原料1135并生成摩擦热。生成的摩擦热可以将原料1135加热到原料的“塑性区”。
[0093] 塑性区可以包括其中原料1135可锻但是没有被充分加热以处于液体或熔融状态的固态。换句话说，塑性区挤压系统100可以旋转柱塞1125以通过在塑性区挤压系统1100中旋转、混合和压缩原料1135而生成热量。一旦生成的热量使原料1135处于原料的塑性区，则原料可以从室1130的底端被挤出来。通过将更多的原料间歇地进给到压缩机1115中可以连续地重复该过程。例如，柱塞1125可以被移除，可以将更多的原料放在室1130中，并且柱塞1125可以在室1130中被替换。
[0094] 一旦当前处于其塑性区的原料1135离开室1130的底端，则该原料进入空间1145。轮1110可以在可以迫使原料1135远离室1130的底端并朝向模具1120的方向(例如，逆时针方向)上旋转。因为轮1110与基部1105之间的空间1145的尺寸可以从压缩机1115朝向模具1120逐渐减小，因此轮1110的移动还可以压缩(例如，紧实)并混合原料1135。
[0095] 此外，因为轮1110与基部1105之间的空间1145的尺寸从压缩机1115朝向模具1120逐渐减小，因此与里模具1120最近的端部相比，在里压缩机1115最近的端部处空间
1145可以具有较大的容积。因此，空间1145的离压缩机1115最近的端部可以用作用于原料1135的允许一定时间间歇地将更多的原料进给到压缩机1115中的容器(例如，例如通过移除柱塞1125、将更多的原料放在室中、以及更换室1130中的柱塞连续地重复)。
1145可以具有较大的容积。因此，空间1145的离压缩机1115最近的端部可以用作用于原料1135的允许一定时间间歇地将更多的原料进给到压缩机1115中的容器(例如，例如通过移除柱塞1125、将更多的原料放在室中、以及更换室1130中的柱塞连续地重复)。
[0096] 根据本发明的其它实施例，压缩机1115可以是任选的，并且输送机可以被构造成用于在原料1135中生成摩擦热以使原料1135处于原料1135的塑性区。此外，可以通过模具1120(例如，通过模具1120旋转)获得塑性区。
[0097] 图12显示根据本发明的实施例的用于提供塑性区挤压的塑性区挤压系统1200。如图12所示，塑性区挤压系统1200可以包括输送机，所述输送机包括基部1205和螺杆
1210(例如不同螺距的螺杆)。塑性区挤压系统1200可以进一步包括压缩机1215和模具
1220。压缩机1215可以包括柱塞1225和室1230。压缩机1215可以被构造成用于在原料
1235中生成摩擦热以使原料1235处于该原料1235的塑性区。模具1220可以被构造成用于从输送机接收处于其塑性区的原料1235并挤压原料1235以形成丝线1240。螺杆1210可以包括多个螺纹(例如，第一螺纹1245、第二螺纹1250、和第三螺纹1255)。根据本发明的实施例，第一螺纹1245与第二螺纹1250之间的)间隔a1可以大于(第二螺纹1250与第三螺纹1255之间的)间隔a2。
1210(例如不同螺距的螺杆)。塑性区挤压系统1200可以进一步包括压缩机1215和模具
1220。压缩机1215可以包括柱塞1225和室1230。压缩机1215可以被构造成用于在原料
1235中生成摩擦热以使原料1235处于该原料1235的塑性区。模具1220可以被构造成用于从输送机接收处于其塑性区的原料1235并挤压原料1235以形成丝线1240。螺杆1210可以包括多个螺纹(例如，第一螺纹1245、第二螺纹1250、和第三螺纹1255)。根据本发明的实施例，第一螺纹1245与第二螺纹1250之间的)间隔a1可以大于(第二螺纹1250与第三螺纹1255之间的)间隔a2。
[0098] 根据本发明的实施例，原料1235可以放在压缩机1215中。一旦压缩机1215接收原料1235进入到室1230中，柱塞1225可以压缩原料1235并迫使(例如，挤压)原料1235从室1230的底端出来。例如，当柱塞1225正在压缩原料1235时，柱塞1225也可以在室1230内旋转，从而混合原料1235并生成摩擦热。生成的摩擦热可以将原料1235加热到原料的“塑性区”。
[0099] 塑性区可以包括其中原料1235可锻但是没有被充分加热以处于液体或熔融状态的固态。换句话说，塑性区挤压系统1200可以旋转柱塞1225以通过在塑性区挤压系统1200中旋转、混合和压缩原料1235而生成热量。一旦生成的热量使原料1235处于原料的塑性区，则原料可以从室1230的底端被挤出来。通过将更多的原料间歇地进给到压缩机1215中可以连续地重复该过程。例如，柱塞1225可以被移除，可以将更多的原料放在室1230中，并且柱塞1225可以在室1230中被替换。
[0100] 一旦当前处于其塑性区的原料1235离开室1230的底端，则该原料进入螺杆1210与基部1205之间的空间。螺杆1210可以在可以迫使原料1235远离室1230的底端并朝鲜模具1220的方向上旋转。因为螺杆1210与基部1205之间的空间的尺寸从压缩机1215朝向模具1220逐渐减小(例如，因为a1>a2)，因此螺杆1210的移动也可以压缩(例如，紧实)并混合原料1235。
[0101] 此外，因为螺杆1210与基部1205之间的空间的尺寸可以从压缩机1215朝向模具1220逐渐减小(例如，因为a1>a2)，因此与离模具1220最近的端部相比较，在离压缩机1215最近的端部处，空间可以具有更大的容积。因此，空间的离压缩机1215最近的端部可以用作用于原料1235的允许一定时间间歇地将更多的原料进给到压缩机1215中(例如，通过例如移除柱塞1225、将更多的原料放在室中、以及在室1230中更换柱塞连续地重复)的容器。
[0102] 根据本发明的其它实施例，压缩机1215可以是任选的，并且输送机可以被构造成用于在原料1235中生成摩擦热以使原料1235处于原料1235的塑性区。此外，可以通过模具1220(例如，通过模具1220旋转)获得塑性区。
[0103] 图13显示根据本发明的实施例的由塑性区挤压系统(例如，系统1100或系统1200)制造而成的丝线的剖面。图13所示的微细结构的嵌合体示出了包括原料1135或原料1235的各种元素可以分别大致均匀地分布在丝线1140和丝线1240内。这些各种元素可以包括但不局限于单个类型的金属(或合金)、不同类型的金属(或金属合金)、和放在原料1135或原料1235中的纳米颗粒。因为可以使原料(例如原料1135或原料1235)处于其塑性区并且未被熔化，因此图13所示的微细结构之间的粘附力可以较高。如果纳米颗粒或合金被加热到其液体或熔融状态，则包括纳米颗粒或合金的材料将分层到包括纳米颗粒或合金的相应层中，而不会被均匀地分布。
[0104] 根据本发明的实施例，包括不同金属合金(例如，第一合金和第二合金)的原料可以放在系统1100或系统1200中。因此，本发明的实施例可以制造如图14所示的可以包括分层微构造的丝线(例如，丝线1140和丝线1240)。如图14所示，丝线可以包括第一微观结构1400、第二微观结构1405、和第三微观结构1410。第一微观结构1400可以包括第一合金，而第二微观结构1405和第三微观结构1410可以包括第二合金。
[0105] 因为可以使原料(例如原料1135或原料1235)处于其塑性区并且未被熔化，因此第一微观结构1400(例如，沿着第一边缘1415)与第二微观结构1405之间以及第一微观结构1400与第三微观结构1410(例如，沿着第二边缘1420)之间的粘附力可以较高。如果合金被加热到其液体或熔融状态，则包括合金的材料将分层并不会导致图14所示的结构。
[0106] 如上所述，用于制造如图14所示的分层微结构的原料可以包括不同的金属合金(例如，第一合金和第二合金)。该原料可以包括放入系统中的不同合金的碎片。作为可选方案或另外，原料可以包括如图15所示的一个或多个段塞。如图15所示，段塞1500可以包括第一合金。孔可以设置在段塞1500中，然后被填充有第二合金。这些填充孔可以包括第一填充孔1505、第二填充孔1510、第三填充孔1515、和第四填充孔1520。
[0107] 可以选择不同金属合金与原料总量的比值以为丝线提供特定期望的特性。例如，第一合金可以具有高热膨胀性，而第二合金可以具有低热膨胀性。可以选择第一合金和第二合金的量以为丝线提供在两个合金的热膨胀性之间的期望的热膨胀。
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