CN103506752A - 一种制备块体纳米晶合金材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及纳米晶合金，具体而言为涉及一种利用冷压焊技术制备块体纳米晶合金材料的方法。本发明利用条带状或者片状合金材料在巨大压力下与基底材料通过剧烈塑性变形冷焊复合到一起的特性，将条带状纳米晶合金材料冷焊成块体材料，由于冷压焊过程没有明显的升温现象，因此最终获得的块体材料的晶粒与原始条带不会有明显差别，即仍为纳米晶。
Description
技术领域
本发明涉及纳米晶合金，具体而言为涉及一种利用冷压焊技术制备块体纳米晶合金材料的方法。
背景技术
由Hall-Patch关系可知，金属材料的强度与材料的晶粒尺寸成反比，晶粒细化是提高结构材料强度的有效方法之一；同时晶粒细化后对材料的塑性和韧性，甚至物理性能都有很大的改善；因此，在不改变材料成分的前提下使晶粒细化可以有效地提高材料的强度和改善材料的塑韧性；通过晶粒细化可以制备出超细晶材料(一般认为晶粒尺寸在10~1000nm的材料)，由于超细晶材料具有优异的综合力学性能、良好的物理性能以及较好的加工成型性能，无论是在工业生产还是军事应用中都有着重要的价值和广阔的前景。
超细晶材料的制备方法很多，理论上任何能制备出细晶粒尺寸多晶体的方法都可以用来制备超细晶材料；用来制备块体纳米超细晶金属材料的方法，目前主要可以分为三大类：一是先制备出纳米微粒，然后通过原位挤压制备出块体；二是非晶晶化法；三是大塑性变形法；其中第一类方法是一种二次凝聚晶体或非晶体，第一次凝聚是由金属原子形成纳米颗粒在保持新鲜表面的条件下，将纳米颗粒压在一起形成块体凝聚固体，由此制备纳米金属固体的步骤就是所谓的“三步法”：制备纳米颗粒——颗粒收集——固结。为了防止氧化，上述步骤一般都是在真空中进行，这就给制备纳米金属和合金固体带来很大困难；而非晶晶化法是最近几年应用较多的制取纳米金属块体材料的一种方法，这种方法的关键是如何形成金属非晶进而经过可控的热处理方法获得纳米晶材料或者纳米复合材料，但由于金属非晶的获得比较困难，此方法的适用范围有限；大塑性变形法 (Severe plastic deformation，SPD)是在常温或相对较低温度下对材料进行塑性变形，当变形量足够大时，就可获得超细晶材料，但是，到目前为止，还没有有效的方法制备致密的块体纳米晶合金材料。
冷压焊是在室温下借助压力使待焊金属产生塑性变形而实现固态焊接的方法。通过塑性变形挤出连接部位界面上的氧化膜等杂质，使纯金属紧密接触，达到晶间结合，冷压焊过程中有限的变形速度不会引起接头部分明显的升温，因此不会产生热焊接头常见的软化区、热影响区和脆性中间相；因此，如果利用冷压焊的原理，将预先获得的纳米晶合金条带或片材逐层焊合在一起，则能形成致密的块体纳米晶合金材料。
发明内容
本发明提出一种制备块体纳米晶合金材料的方法，其原理是：利用条带状或者片状合金材料在巨大压力下与基底材料通过剧烈塑性变形冷焊复合到一起的特性，将条带状纳米晶合金材料冷焊成块体材料，由于冷压焊过程没有明显的升温现象，因此最终获得的块体材料的晶粒与原始条带不会有明显差别，即仍为纳米晶。
一种制备块体纳米晶合金材料的方法，其特征在于：将条带状或者片状纳米晶合金材料水平放置在同材质基底材料上，定位模具压在条带状或者片状纳米晶材料上，然后通过冷压冲头加压冷焊，一个焊点紧接着上一个焊点，直到将基底材料焊满，也可以同时冷压焊一排或者一组焊点，一排或者一组内的焊点相互之间紧密排列，排与排或者组与组之间紧密排列，焊成一层后在该焊层上依上述步骤重复进行，新的焊点压住前一层焊点的交接处，焊完一层后再冷压焊新的一层，直至冷压焊获得的材料达到指定的厚度。
所涉及的条带状或者片状纳米晶合金材料是指，采用熔体旋转法制备的铝、钛或者铜基纳米晶合金条带材或片材。
所涉及的同材质基底材料是指，与条带状或者片状纳米晶合金材料相同的厚度为5~10mm的经过脱脂除锈处理表面平整的块体合金材料，该材料放置在支撑底板上。
所涉及的定位模具是指，内孔尺寸截面为0.5~2.0mm×0.5~2.0mm，高度为2.5~4.0mm由模具钢制作的模具，预加压力为30~50MPa。
所涉及的冷压冲头是指，端面尺寸为0.5~2.0mm×0.5~2.0mm，高度为3.0~5.0mm的模具钢冲头，在定位模具中垂直运动。
所涉及的加压冷焊是指，加载应力为2000~2500MPa，加载持续时间为0.5~1.5s进行冷压焊。
所涉及的一个焊点紧接着上一个焊点是指，后一个焊点的位置紧贴前一个焊点。
所涉及的新的焊点压住前一层焊点的交接处是指，后一层上的焊点位置在前一层相邻的三个或者四个焊点的交叉点上。
本发明提出的方法，不仅能在块体纳米晶合金材料制备过程中防止纳米晶长大，而且焊点可以预先设计，成本低、效率高。
附图说明
图1为冷压焊过程示意图，其中，1为冲压头，2为定位模具，3为纳米晶条带，4为同材质基底材料，5为支撑底板；
图2为块体纳米晶材料的TEM照片；从图中可以看出，通过冷压焊获得的块体铝合金材料仍为纳米晶。
具体实施方式
本发明可以根据以下实例实施，但不限于以下实例。在本发明中所使用的术语，除非有另外的说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义；应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围；在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。
实施例1
本实施例具体实施一种制备块体纳米晶铝合金的方法，其中采用的铝合金为7055，希望得到的纳米晶材料厚度为10mm；将通过熔体旋转法制备的纳米晶7055铝合金条带水平放置在厚度为5mm，长、宽各20mm的7055铝合金材料上，该块体合金表面平整且预先经过脱脂除锈处理，定位模具压在条带状纳米晶7055铝合金上，通过冷压冲头加压冷焊，一个焊点紧接着上一个焊点，直到将基底材料焊满；定位模具采用模具钢制作，内孔尺寸截面为0.5mm×0.5mm，高度为2.5mm，预加压力为40MPa；冷压冲头采用模具钢制作，端面尺寸为0.5mm×0.5mm，高度为3.0mm；加压冷焊的加载应力为2300MPa，加载持续时间为0.5s；加压冷焊时后一个焊点的位置紧贴前一个焊点；完成一层后在该焊层上依上述步骤重复进行，新的焊点压住前一层条带焊点的交接处，即后一层上的焊点位置在前一层相邻的四个焊点的交叉点上，焊完一层后再冷压焊新一层的条带，直至冷压焊获得的材料厚度达到10mm。
实施例2
本实施例具体实施一种制备块体纳米晶铝合金的方法，其中采用的铝合金为6061，希望得到的纳米晶材料厚度为15mm；将通过熔体旋转法制备的纳米晶6061合金条带水平放置在厚度为10mm，长、宽各25mm的6061铝合金材料上，该块体合金表面平整且预先经过脱脂除锈处理，定位模具压在条带状纳米晶材料上，通过冷压冲头加压冷焊，一个焊点紧接着上一个焊点，直到将块体材料焊满。其中，定位模具采用模具钢制作，内孔尺寸截面为2.0mm×2.0mm，高度为4.0mm，预加压力为50MPa；冷压冲头采用模具钢制作，端面尺寸为2.0mm×2.0mm，高度为5.0mm；加压冷焊的加载应力为2000MPa，加载持续时间为1.5s；加压冷焊时后一个焊点的位置紧贴前一个焊点；完成一层后在该焊层上依上述步骤重新进行，新的焊点压住前一层条带焊点的交接处，即后一层上的焊点位置在前一层相邻的三个焊点的交叉点上，焊完一层后再冷焊新的条带，直至冷压焊获得的材料厚度达到15mm；经分析，通过冷压焊获得的材料完全为纳米晶。
实施例3
本实施例具体实施一种制备块体纳米晶钛合金的方法，其中采用的钛合金为Ti6Al4V，希望得到的纳米晶材料厚度为12mm；将通过熔体旋转法制备的纳米晶Ti6Al4V钛合金条带水平放置在厚度为6mm，长、宽各20mm的Ti6Al4V钛合金材料上，该块体合金表面平整且预先经过脱脂除锈处理，定位模具压在条带状纳米晶材料上，通过冷压冲头加压冷焊，一个焊点紧接着上一个焊点，直到将基底材料焊满；其中，定位模具采用模具钢制作，内孔尺寸截面为1.0mm×1.0mm，高度为3.5mm，预加压力为30MPa；冷压冲头采用模具钢制作，端面尺寸为1.0mm×1.0mm，高度为4.0mm；加压冷焊的加载应力为2500MPa，加载持续时间为0.8s；加压冷焊时后一个焊点的位置紧贴前一个焊点；完成一层后在该焊层上依上述步骤重新进行，新的焊点压住前一层条带焊点的交接处，即后一层上的焊点位置在前一层相邻的四个焊点的交叉点上，焊完一层后再冷焊新的条带，直至冷压焊获得的材料厚度达到12mm；经分析，通过冷压焊获得的材料完全为纳米晶。
实施例4
本实施例具体实施一种制备块体纳米晶铜合金的方法，其中采用的铜合金为H80，希望得到的纳米晶材料厚度为20mm；将H80铜合金纳米晶片材水平放置在厚度为10mm，长、宽各20mm的H80铜合金材料上，该块体合金表面平整且预先经过脱脂除锈处理，定位模具压在纳米晶铜合金片材上，通过冷压冲头加压冷焊，一个焊点紧接着上一个焊点，直到将基底材料焊满。其中，定位模具采用模具钢制作，内孔尺寸截面为1.5mm×1.5mm，高度为3.8mm，预加压力为40MPa；冷压冲头采用模具钢制作，端面尺寸为1.5mm×1.5mm，高度为4.5mm；加压冷焊的加载应力为2200MPa，加载持续时间为1.0s；加压冷焊时后一个焊点的位置紧贴前一个焊点；完成一层后在该焊层上依上述步骤重新进行，新的焊点压住前一层条带焊点的交接处，即后一层上的焊点位置在前一层相邻的三个焊点的交叉点上，焊完一层后再冷焊新的纳米晶铜合金片材，直至冷压焊获得的材料厚度达到20mm；经分析，通过冷压焊获得的材料完全为纳米晶。
Claims (8)
1.一种制备块体纳米晶合金材料的方法，其特征在于包括如下步骤：将条带状或者片状纳米晶合金材料水平放置在同材质基底材料上，定位模具压在条带状或者片状纳米晶材料上，然后通过冷压冲头加压冷焊，一个焊点紧接着上一个焊点，直到将基底材料焊满，也可以同时冷压焊一排或者一组焊点，一排或者一组内的焊点相互之间紧密排列，排与排或者组与组之间紧密排列，焊成一层后在该焊层上依上述步骤重复进行，新的焊点压住前一层焊点的交接处，焊完一层后再冷压焊新的一层，直至冷压焊获得的材料达到指定的厚度。
2.如权利要求1所述的一种制备块体纳米晶合金材料的方法，其特征在于：所述的条带状或者片状纳米晶合金材料是指，采用熔体旋转法制备的铝、钛或者铜基纳米晶合金条带材或片材。
3.如权利要求1所述的一种制备块体纳米晶合金材料的方法，其特征在于：所述的同材质基底材料是指，与条带状或者片状纳米晶合金材料相同的厚度为5~10mm的经过脱脂除锈处理表面平整的块体合金材料，该材料放置在支撑底板上。
4.如权利要求1所述的一种制备块体纳米晶合金材料的方法，其特征在于：所述的定位模具是指，内孔尺寸截面为0.5~2.0mm×0.5~2.0mm，高度为2.5~4.0mm由模具钢制作的模具，预加压力为30~50MPa。
5.如权利要求1所述的一种制备块体纳米晶合金材料的方法，其特征在于：所述的冷压冲头是指，端面尺寸为0.5~2.0mm×0.5~2.0mm，高度为3.0~5.0mm的模具钢冲头，在定位模具中垂直运动。
6.如权利要求1所述的一种制备块体纳米晶合金材料的方法，其特征在于：所述的加压冷焊是指，加载应力为2000~2500MPa，加载持续时间为0.5~1.5s进行冷压焊。
7.如权利要求1所述的一种制备块体纳米晶合金材料的方法，其特征在于：所述的一个焊点紧接着上一个焊点是指，后一个焊点的位置紧贴前一个焊点。
8.如权利要求1所述的一种制备块体纳米晶合金材料的方法，其特征在于：所述的新的焊点压住前一层焊点的交接处是指，后一层上的焊点位置在前一层相邻的三个或者四个焊点的交叉点上。
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