CN108372211A - 一种非晶增强轻质合金复合防护材料的制备方法 - Google Patents

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张荣霞
吴为
徐炳桐
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C37/00—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape
    • B21C37/02—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape of sheets

Abstract

本发明提供了一种非晶增强轻质合金复合防护材料的制备方法，包括将轻质金属和非晶合金机械切割成可以相互咬合的具有凹凸几何形状的部件，并将切割后的轻质金属和非晶合金咬合装配，形成毛坯件；在非晶合金的过冷液相区以低应变速率对毛坯件进行多向等温锻造或挤压。本方法通过将基体轻质金属与非晶合金交叠，利用多向等温锻造或挤压实现增强相的不同取向分布，加强界面结合强度，获得性能优异的非晶增强复合材料。同时，该方法还便于实现材料制备与零件成形一体化技术，可以近净成形所需零件。

Description

一种非晶增强轻质合金复合防护材料的制备方法
技术领域
本发明涉及非晶增强金属基复合材料技术领域，特别是涉及一种非晶增强轻质合金复合防护材料的制备方法。
背景技术
非晶材料作为新型增强体，在铝、镁等轻质金属基复材制备领域得到了广泛的关注。非晶合金具有超高的强度、高硬度及良好的耐腐蚀性，且其在过冷液相区会表现出良好的超塑性变形特性。例如Zr基块体非晶合金在玻璃转变温度区间延伸率达到 200%，抗拉强度3.65GPa，抗弯强度为4.40GPa，是普通晶体合金的3~4倍，是优良的制造穿甲弹的材料。非晶合金作为一种致密的单相无定性结构材料，自身活性极高，能迅速形成优良的表面钝化膜，使得非晶合金表现出优秀的耐腐蚀性能，一般认为其耐腐蚀性能约为普通不锈钢的10倍。但非晶的室温脆性的缺陷，限制了其应用范围。将非晶作为轻质合金基体的增强体，可以发挥两种材料的优势，制备轻质高强耐磨耐腐蚀等综合性能较好的复合材料，特别适合作为装甲防护复合材料。
非晶增强轻质合金基复合材料的制备分为：一、外生法，即将预先准备好的非晶增强体加入到合金基体中。二、内生法，主要通过控制反应过程，使增强体随复合材料产生而原位生成。外生法由于工艺简单而备受关注，外生法可以在固态、液态、半固态下进行，某些条件下可制备包含纳米晶和非晶的复合材料。
目前，外生法制备非晶增强轻质合金基复合材料国内外研究主要集中在两个方面：一是利用轧制、搅拌摩擦焊等工艺，实现非晶和晶态合金复合，但在此温度下金属合金流动性不高，两者间变形协调性差，非晶与晶态合金界面强度不高，易产生弱面，同时存在很大的残余应力，损害性能。二是利用粉末冶金的方法，将合金粉与非晶粉在一定温度和压力下固结成形，但一般都存在非晶晶化、孔隙率较高、粉末结合强度不高等缺点，严重时会产生崩溃式断裂。
发明内容
本发明提供了一种可以制备综合性能优异的非晶增强轻质合金防护材料的方法。
本发明提供了一种非晶增强轻质合金复合防护材料的制备方法，包括：
1）将轻质金属和非晶合金机械切割成可以相互咬合的具有凹凸几何形状的部件，并将切割后的轻质金属和非晶合金咬合装配，形成毛坯件；
2）在非晶合金的过冷液相区以低应变速率对毛坯件进行多向等温锻造或挤压。
进一步地，所述步骤1）还包括根据复合防护材料的性能，设计轻质金属和非晶合金咬合装配的截面形状和叠放方式。
进一步地，所述步骤2）中多向等温锻造进一步包括将毛坯件置于等温锻造型腔内，保持温度并在此温度下使毛坯件产生大塑性变形，所述温度在非晶合金的过冷液相区内，且在轻质金属的再结晶温度以下；变形完成后，取出毛坯件，水冷，改变角度再次置于等温锻造型腔内，重复上一步骤，直至完成多向锻造的全部道次，所述多向锻造的道次根据所需的轻质金属和非晶合金的复合程度确定。
进一步地，所述步骤2）中挤压进一步包括：将毛坯件置于挤压模具中，选定挤压比和进给量，使变形温度在非晶合金的过冷液相区内，且在轻质金属的再结晶温度以下，进行挤压操作。
本方法通过将基体轻质金属与非晶合金交叠，利用多向等温锻造或挤压实现增强相的不同取向分布，加强界面结合强度，获得性能优异的非晶增强复合材料。同时，该方法还便于实现材料制备与零件成形一体化技术，可以近净成形所需零件。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例的一种非晶增强轻质合金复合防护材料的制备方法的流程图；
图2为本发明实施例的一种非晶增强轻质合金复合防护材料的制备方法的多向等温锻造过程的流程图；
图3为本发明实施例的一种非晶增强轻质合金复合防护材料的制备方法的挤压过程的流程图；
图4为本发明实施例的制备的非晶增强轻质合金复合防护材料的截面微观形貌。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提供了一种非晶增强轻质合金复合防护材料的制备方法，如图1所示，包括：
步骤S1，将轻质金属和非晶合金机械切割成可以相互咬合的具有凹凸几何形状的部件，并将切割后的轻质金属和非晶合金咬合装配，形成毛坯件；其中，根据复合防护材料的性能，设计轻质金属和非晶合金咬合装配的截面形状和叠放方式。
步骤S2，在非晶合金的过冷液相区以低应变速率对毛坯件进行多向等温锻造或挤压。
在本发明实施例的一个方面，所述步骤2）中多向等温锻造进一步包括：将毛坯件置于等温锻造型腔内，保持温度并在此温度下使毛坯件产生大塑性变形，所述温度在非晶合金的过冷液相区内，且在轻质金属的再结晶温度以下；变形完成后，取出毛坯件，水冷，改变角度再次置于等温锻造型腔内，重复上一步骤，直至完成多向等温锻造的全部道次，所述多向等温锻造的道次根据所需的轻质金属和非晶合金的复合程度确定。
在本发明实施例的一个方面，所述步骤2）中挤压进一步包括：将毛坯件置于挤压模具中，选定挤压比和进给量，使变形温度在非晶合金的过冷液相区内，且在轻质金属的再结晶温度以下，进行挤压操作。
以下以Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金增强1050铝合金基复合材料的制备为例，介绍本发明具体实施例。截取10mm×40mm×5mm小试样开展制备试验。
Zr55Cu30Ni5Al10非晶过冷液相区为430℃~517℃，选择等温锻造和挤压温度为475℃。对两种材料，塑性变形行为均需低应变速率，选择应变速率为6。。将两种材料分别按图2、图3装配，可根据实际需要选择叠加层数，再按照多向等温锻造或挤压的方法进行制备。制备过程中应避免非晶合金晶化和晶粒长大，以利于后续加工。
如采用多向等温锻造制备，如图2所示，将Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金和1050铝合金组成的毛坯件置于等温锻造型腔内，保持温度475℃，使毛坯件产生大塑性变形，变形完成后，取出毛坯件，水冷，旋转90°，再次进行等温锻造，获得Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金增强1050铝合金基复合材料。
如采用挤压方法制备，如图3所示，将Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金和1050铝合金组成的毛坯件置于挤压模具中，选定挤压比和进给量，使挤压温度约为475℃，进行挤压操作，获得Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金增强1050铝合金基复合材料。
对试样截取金相试样，进行微观形貌观察，可见非晶与基体之间为冶金结合，厚度为1μm左右，如图4所示。
本方法通过将基体轻质金属与非晶合金交叠，利用多向等温锻造或挤压实现增强相的不同取向分布，加强界面结合强度，获得性能优异的非晶增强复合材料。同时，该方法还便于实现材料制备与零件成形一体化技术，可以近净成形所需零件。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种非晶增强轻质合金复合防护材料的制备方法，其特征在于，包括：
1）将轻质金属和非晶合金机械切割成可以相互咬合的具有凹凸几何形状的部件，并将切割后的轻质金属和非晶合金咬合装配，形成毛坯件；
2）在非晶合金的过冷液相区以低应变速率对毛坯件进行多向等温锻造或挤压。
2.如权利要求1所述的非晶增强轻质合金复合防护材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1）还包括：
根据复合防护材料的性能，设计轻质金属和非晶合金咬合装配的截面形状和叠放方式。
3.如权利要求1所述的非晶增强轻质合金复合防护材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中多向等温锻造进一步包括：
将毛坯件置于等温锻造型腔内，保持温度并在此温度下使毛坯件产生大塑性变形，所述温度在非晶合金的过冷液相区内，且在轻质金属的再结晶温度以下；
变形完成后，取出毛坯件，水冷，改变角度再次置于等温锻造型腔内，重复上一步骤，直至完成多向等温锻造的全部道次，所述多向等温锻造的道次根据所需的轻质金属和非晶合金的复合程度确定。
4.如权利要求1所述的非晶增强轻质合金复合防护材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中挤压进一步包括：
将毛坯件置于挤压模具中，选定挤压比和进给量，使变形温度在非晶合金的过冷液相区内，且在轻质金属的再结晶温度以下，进行挤压操作。
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