CN103255361B - 一种大尺寸超细晶材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺寸超细晶材料的制备方法，本发明方法是在多次锻压法的基础上，加模具限制试样变形，再结合锻压或轧制技术，制备超细晶材料。本法的制备过程如下：试样在模腔内四面受限，两面可以在压力作用下延展，试样按应变轴X→Y→Z→X进行换方向压缩，每旋转90°为一道次。经此模具变形一定道次后，将试样转移至一系列不同模腔尺寸的模具中，样品在任意一个模具中同样四面受限，两面可以在压力作用下延展，试样尺寸发生改变，形成大尺寸超细晶材料。或将经过加工变形的试样进行小变形量多道次辊轧，经多道次辊轧至所需厚度，形成所需大尺寸超细晶材料。本发明方法具有成本低、工艺简单、生产率高的优点。

Description

一种大尺寸超细晶材料的制备方法

技术领域

本发明涉及新材料加工技术领域，尤其涉及一种大尺寸超细晶材料的制备方法。

背景技术

通常认为超细晶(Ultrafine grains，UFG)的晶粒尺寸范围为100nm＜d＜1μm，或100nm＜d＜500nm。晶粒细化是目前所知的既能提高强度，又能改善韧性的主要方法。超细晶组织可以使金属材料在室温下具有高的强度和韧性，表现出一系列优异的物理、化学、力学和成型性能，改善金属材料的综合力学性能。

制备超细晶的方法主要有如下两种：

(1)Top-down工艺，旨在通过加工工艺细化常规组织材料的晶粒。

(2)Bottom-up工艺，旨在从原子和分子的基础上合成细小晶粒组织。

通常制备UFG组织的方法有：快速凝固(Rapid solidification)、机械合金化(Mechanical alloying)、气相沉积(Vapor deposition)和强塑性变形(Severe plastic deformation，SPD)等，其中快速凝固、机械合金化和气相沉积均属于Bottom-up工艺，其原理为对用不同技术制得的粉体进行致密化，利用这些方法制备的材料存在内部缺陷过多、制粉或者粉体团聚过程中的污染、材料的晶粒尺寸增大等问题，这些问题严重制约了Bottom-up工艺的应用；强塑性变形(SPD)属于Top-down工艺，由加工工艺的不同又可分为高压扭转技术(HPT)、多向锻压技术(MAC)、等通道等角挤压技术(ECAP)、累积辊压接合技术(ARB)等。强塑性变形(SPD)的实质是在变形过程中保持坯料的外形基本不变，通过反复循环累积变形，从而实现晶粒尺寸的细化。通过强塑性变形工艺可将不同的合金晶粒细化到1um以下，同时材料内部的缺陷较少，但存在制备材料的尺寸较小、设备要求高等不足。

较高压扭曲变形法(HPT)是试样在压头与模具之间承受约几个GPa的压力作用，同时由于上模的旋转，试样还将受到剪切变形力，从而获得很大的塑性变形，但由于模具要承受高压，而且不能制备尺寸更大的超细晶材料，因此高压扭转的应用受到了很大限制。高压扭转变形法目前只能制备出直径12～20mm，厚度0.2～1mm的超细晶金属圆片。

多次锻压法(MF)是试样在变形过程中，可在三个方向上旋转，以保证试样截面尺寸，利于多次变形，Imaye等人对Ti-48Al-2Nb-2Cr合金进行多次锻造，获得了平均晶粒尺寸为0.3μm的等轴晶。然而，无约束的多次锻造，即使是在一定的温度下(0.4～0.5Tm)，也很难保证试样不开裂。它已经成功实现了Ti及其合金，不锈钢的超细化。

等通道等角挤压技术(ECAP)是利用由两个相交的等径通道组成的模具使金属获得大的塑性剪性变形，试样变形前后的形状和尺寸不发生改变，因而可以进行多次变形。较高压扭曲变形法和多次锻压法，等通道等角挤压技术制备试样尺寸已超过20×20×100mm的块体材料，且能保证试样在变形过程中不开裂，但该方法对模具以及压力的要求较高，模具要承受高压，因此等通道等角挤压技术的应用受到很大的限制。

累积辊压接合技术(ARB)是将表面进行脱脂及加工硬化等处理后的尺寸相等的两块金属薄板材料在一定温度下叠轧并使其自动焊合，然后重复进行相同的工艺反复叠轧焊合，从而使材料的组织得到细化。该方法实现了大尺寸板材超细晶的制备，相比于其他的强塑性变形工艺有生产成本低、生产率高、可生产大尺寸板材超细晶等优势，被认为是强塑性变形工艺中唯一有希望工业化生产大块超细晶金属材料的方法，但由于其加工工艺复杂，表层清理、叠合等工艺技术要求高，且产品中存在明显的焊合带，严重影响了其性能，同时单道次大变形量也决定了它只适合于薄板材料，制约了累积辊压接合技术(ARB)的工业化生产。

发明内容

为解决目前制备超细晶材料中存在的问题，本发明提供了一种在多次 锻压法的基础上，加模具限制试样变形，再结合锻压或轧制技术，制备大尺寸超细晶材料的方法。

本发明的具体技术方案如下：

本发明所公开的大尺寸超细晶材料的制备方法，是在多次锻压法的基础上，加模具限制试样变形，再结合锻压或轧制技术，制备大尺寸超细晶材料。

本发明所公开的大尺寸超细晶材料的制备方法的详细制备步骤如下：

(1)先将液压机压头下压速率调整为5-10mm/s，将被成型材料放入模具中；

(2)将液压机压头缓慢靠近模具中的被成型材料，被成型材料在模具腔内四面受限，两面在压力作用下进行延展；

(3)被成型材料按照应变轴X→Y→Z→X进行换方向压缩，被成型材料每旋转90度为一道次变形，控制每道次的等效应变在0.2-0.7之间，保持被成型材料尺寸不变；

(4)变形5-20道次后，将被成型材料转移至一系列不同尺寸的模具中，被成型材料在每个模具中同样四面受限，两面可以在压力作用下延展，被变形材料发生尺寸改变，得到所需的大尺寸超细晶材料。

上述步骤也可以是：

(1)先将液压机压头下压速率调整为5-10mm/s，将被成型材料放入模具中；

(2)将液压机压头缓慢靠近模具中的被成型材料，被成型材料在模具腔内四面受限，两面在压力作用下进行延展；

(3)被成型材料按照应变轴X→Y→Z→X进行换方向压缩，被成型材料每旋转90度为一道次变形，控制每道次的等效应变在0.2-0.7之间，其等效应变由公式ε＝ln(h0/h)计算(其中：h0为试样原始高度，h为试样变形后高度)，保持被成型材料尺寸不变；

(4)变形5-20道次后，进行室温小变形量多道次辊轧处理，设定轧机轧辊速率为100-200m/s，分2-10道次轧制，每次变形量5％-15％，经多道 次辊轧至所需厚度，得到所需的大尺寸超细晶材料。

本发明所公开的大尺寸超细晶材料的制备方法，其中，液压机的最大负荷为100t。

本发明所公开的大尺寸超细晶材料的制备方法，其中，步骤(2)中，压缩过程中以MoS₂为润滑剂。

本发明所公开的大尺寸超细晶材料的制备方法，将得到的超细晶材料进行退火处理，以消除残余应力，稳定组织，退火温度为100℃-200℃，时间为30-60min。

本发明的大尺寸超细晶材料制备方法的优点如下：

(1)成本低，工艺简单：本方法在企业现有传统的生产设备上即可实施，不需添加其它特殊的设备，不仅操作简单，且在提高金属材料回收利用率上具有很大的优越性。

(2)生产率高：可以生产具有大尺寸超细晶结构的金属材料，根据原始试样的尺寸及所需，在原试样的基础上，可以生产不同厚度及尺寸的超细晶材料，容易实现工业化生产。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为改进了的多次锻压工艺制备大尺寸超细晶金属材料示意图。

图2为改进了的多次锻压工艺换方向压缩方式示意图。

图3为一系列不同模腔尺寸放大变形模具。

图4为本方法制备过程中原始试样(a)，改进了的多次锻压后试样(b)，最终制得试样(c)的外观形貌照片。

图5为本方法锻压制备纯Al试样的超细晶材料锻面透射照片。

图6为本方法辊轧制备纯Al试样的超细晶材料轧面透射照片。

图7为本方法辊轧制备Al-4Cu试样的超细晶材料轧面透射照片。

具体实施方式

下面的实施例是对本发明的进一步详细描述。

实施例1

本例属于改进多向压缩变形后多次锻压制备纯Al超细晶材料的一种方法。具体过程如下：

制备纯Al试样，其尺寸为36mm×36mm×24mm，在多次锻压法(MF)的基础上，加模具限制试样变形方式，参照图1。实验采用型号为WE100，最大负荷为100t的液压机，设定液压机压头下压速率为5-10mm/s，试样在模腔内四面受限，两面在压力作用下可以延展，试样按应变轴X→Y→Z→X进行换方向压缩，参照图2。以MoS₂做润滑，试样每旋转90°为一道次变形，每道次控制压头下压量为12mm，保持试样尺寸不变。变形15道次后，转移至一系列具有不同模腔尺寸的模具中，参照图3。第一个模具内腔尺寸为36mm×48mm，将变形后试样放入第一个模具内，在相同变形速率下压缩至试样底面完全填充内腔，此时试样的高度厚度约为18mm。第二个模具内腔尺寸为48mm×54mm，将经第一个模具变形后试样放入，在相同变形速率下压缩至试样底面完全填充内腔，此时试样的高度厚度约为12mm。第三个模具内腔尺寸为54mm×96mm，将经第二个模具变形后试样放入，在相同变形速率下压缩至试样底面完全填充内腔，此时试样的高度厚度约为6mm。在相同原始试样尺寸的情况下，多次锻压法可制备的超细晶材料尺寸小于36mm×36mm×24mm，该发明最终可得试样尺寸为54mm×96mm×6mm，尺寸明显增大。经变形后，平均晶粒尺寸由原始30-50μm细化到500-700nm左右，硬度由原始HV25-30强化到HV60-75，抗拉强度由原始100-130MPa提高至150-180MPa。将变形后的试样进行退火处理，退火温度为100℃-200℃，时间为30-60min，以消除残余应力，稳定组织。图4为本方法制备过程中原始试样(a)，改进了的多次锻压后试样(b)，最终制得试样(c)的外观形貌照片。图5显示的是经过本方法处理后的透射电子显微镜组织，具有明显的超细晶组织结构。

实施例2

本例属于改进多向压缩变形后小变形量多道次辊轧制备纯A1超细晶材料的一种方法。具体过程如下：

制备纯Al试样，其尺寸为36mm×36mm×24mm，在多次锻压法(MF)的基础上，加模具限制试样变形方式，参照图1。实验采用型号为WE100，最大负荷为100t的液压机，设定液压机压头下压速率为5-10mm/s，试样在模腔内四面受限，两面在压力作用下可以延展，试样按应变轴X→Y→Z→X进行换方向压缩，参照图2。以MoS₂做润滑，试样每旋转90°为一道次变形，每道次控制压头下压量为12mm，保持试样尺寸不变。变形15道次后，进行室温小变形量多道次辊轧处理。设定轧机轧辊速率100-200m/s，分6道次轧制，每次变形量5-15％。在相同原始试样尺寸的情况下，多次锻压法可制备的超细晶材料尺寸小于36mm×36mm×24mm，该方法最终可得试样尺寸为44mm×86mm×6mm，尺寸明显增大，参照图4。经变形后，平均晶粒尺寸由原始30-50um细化到500-700nm左右，硬度由原始HV25-30强化到HV65-80，抗拉强度由原始100-120MPa提高至160-180MPa。将变形后的试样进行退火处理，退火温度为100℃-200℃，时间为30-60min，以消除残余应力，稳定组织。图6显示的是经过多向压缩轧制变形后的纯铝透射电子显微镜组织照片。

实施例3

本例属于改进多向压缩变形后小变形量多道次辊轧制备Al-4Cu超细晶材料的一种方法。具体过程如下：

制备Al-4Cu试样，其尺寸为36mm×36mm×24mm，在多次锻压法(MF)的基础上，加模具限制试样变形方式，参照图1。实验采用型号为WE100，最大负荷为100t的液压机，设定液压机压头下压速率为5-10mm/s，试样在模腔内四面受限，两面在压力作用下可以延展，试样按应变轴X→Y→Z→X进行换方向压缩，参照图2。以MoS₂做润滑，试样每旋转90°为一道次变形，每道次控制压头下压量为12mm，保持试样尺寸不变。变形一定道次(15)后，进行室温小变形量多道次辊轧处理。设定轧机轧辊速率 100-200m/s，分6道次轧制，每次变形量5-10％。在相同原始试样尺寸的情况下，多次锻压法可制备的超细晶材料尺寸小于36mm×36mm×24mm，该方法最终可得试样尺寸为54mm×96mm×6mm，尺寸明显增大，参照图4。经变形后，平均晶粒尺寸由原始30-50μm细化到300-500nm左右，硬度由原始HV50-90强化到HV130-150，抗拉强度由原始200-250MPa提高至350-500MPa。将变形后的试样进行退火处理，退火温度为150℃-300℃，时间为30-60min，以消除残余应力，稳定组织。图7显示的是经过多向压缩轧制变形后的纯铝透射电子显微镜组织照片。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种大尺寸超细晶材料的制备方法，其特征在于，本方法是在多次锻压法的基础上，加模具限制试样变形，再结合锻压或轧制技术，制备大尺寸超细晶材料；

该方法的详细制备步骤如下：

(1)先将液压机压头下压速率调整为5-10mm/s，将被成型材料放入模具中；

(2)将液压机压头缓慢靠近模具中的被成型材料，被成型材料在模具腔内四面受限，两面在压力作用下进行延展；

(3)被成型材料按照应变轴X→Y→Z→X进行换方向压缩，被成型材料每旋转90度为一道次变形，控制每道次的等效应变在0.2-0.7之间，保持被成型材料尺寸不变；

(4)变形5-20道次后，将被成型材料转移至一系列不同尺寸的模具中，被成型材料在每个模具中同样四面受限，两面可以在压力作用下延展，将经前一个模具变形后试样放入下一模具中，在相同变形速率下压缩至试样底面完全填充内腔，被变形材料发生尺寸改变，得到所需的大尺寸超细晶材料；或

变形5-20道次后，进行室温小变形量多道次辊轧处理，设定轧机轧辊速率为100-200m/s，分2-10道次轧制，每次变形量5％-15％，经多道次辊轧至所需厚度，得到所需的大尺寸超细晶材料。

2.权利要求1所述的大尺寸超细晶材料的制备方法，其特征在于，所述液压机的最大负荷为100t。

3.如权利要求1所述的大尺寸超细晶材料制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，压缩过程中以MoS₂为润滑剂。

4.如权利要求1所述的大尺寸超细晶材料制备方法，其特征在于，将成型的超细晶材料进行退火处理，退火温度为100℃-200℃，时间为30-60min。