CN111266593A - 一种具有梯度结构单元的高强韧金属材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有梯度结构单元的高强韧金属材料及其制备方法，该方法包括以下步骤：对金属粉末进行多组不同能量条件下的平行控制球磨实验；对球磨后的粉末进行组织分析，确定优化的控制球磨工艺参数，并得到具有梯度结构特征的粉末颗粒前驱体；以粉末颗粒前驱体为结构单元进行烧结成型，得到具有梯度结构单元的高强韧金属材料；对材料进行后续热处理，以进一步调控其组织结构。本发明适用的材料范围广泛，且具有较大的微观结构设计指向性，可根据需要调整结构单元的梯度特征，同时梯度结构单元均匀分布，材料结构和性能无明显方向性。本发明工艺简单、设备环境要求低，材料性能优异，具有良好的应用前景。

Description

一种具有梯度结构单元的高强韧金属材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料制备技术领域，具体而言，尤其涉及一种具有梯度结构单元的高强韧金属材料及其制备方法。

背景技术

强韧化一直是金属结构材料领域追求的目标，但两者往往不可兼得。通过在高强度基体中引入软化相(如具有大晶粒镶嵌结构的混晶金属材料)，或在韧性基体中引入硬化相(如纳米颗粒强化的金属基复合材料)，可以综合利用软硬相各自的优点，在一定程度上获得高强高韧金属材料。

但这种复合结构强韧化的金属材料目前主要存在两方面的问题：一方面在组织结构上，软硬相之间往往存在明显的界面，由此产生了界面缺陷问题；另一方面在性质上，软硬相之间往往性能差别较大，容易出现因性能突变造成的不同组织之间显著的“弱连接”问题。如中国发明专利CN109985922A和CN109868380A，分别公布了一种多晶粒尺度强化和多尺度析出强化镁合金材料的制备方法，通过选择两种及以上晶粒细化效果不同或不同时效硬化行为的镁合金，充分混合后进行热塑性变形，获得致密、多尺度混合的坯料。通过后续热处理，获得多晶粒尺度细化或多尺度析出强化的镁合金材料。这两个发明制得的合金在一定程度上兼得软相和硬相的韧性和强度，且制备的多晶粒尺度结构或多尺度析出区无明显的方向性，适于在多向受力部件上应用。但不同尺寸的晶粒群或析出区具有明显的区域界面和性能差异，容易出现界面缺陷和“弱连接”问题。

近年来，研究人员通过表面强烈塑性变形手段，代表技术为超声喷丸、机械研磨处理、激光冲击强化技术等，发明了一种材料表面梯度结构。晶粒尺寸自表及里由十几纳米梯度逐渐增大至几十微米，形成一种多晶粒尺度的梯度结构材料。材料表面组织细化至纳米量级，有效的提高材料的强度，同时内部的粗晶组织为材料整体提供塑性。在变形过程中，不同尺寸晶粒间协调变形，各特征尺寸对应多种作用机制，使材料的性能和服役行为得到更好的优化。如K.Lu等人介绍了一种利用表面机械碾磨处理，在纯铜棒材表层制备出一种晶粒尺寸自表及里由十几纳米逐渐增大至几十微米的梯度结构材料[Science,2011,331,1587-1590]。该方法简单方便，所形成的组织结构(主要指晶粒尺寸)沿厚度方向连续变化，不存在明显界面和性质突变，解决了传统复合结构强韧化带来的界面缺陷和“弱连接”问题。因此，制备的纳米梯度铜的拉伸屈服强度比粗晶铜提高约一倍，而拉伸塑性与粗晶基本相同。

但表面强烈塑性变形方法制备的梯度结构材料仍存在一定局限性。如所获样品梯度层体积分数及结构梯度有限，材料表面的梯度结构层厚度一般不超过300μm；同时其梯度结构(如梯度方向等)具有不可变性，从而带来材料整体性能的各向异性。例如；中国发明专利CN101323900A，公布了一种在金属材料表层实现超细晶粒组织结构的高速加工方法，提出通过表面高速塑性变形的机械处理方法可以将材料表面组织细化到超细晶尺度，但该方法仅适用于工件的表层超细化加工，且其梯度结构只能沿工件径向分布，具有明显的方向性。另外，通过强烈塑性变形手段(如超声喷丸处理)制备的表面梯度结构材料，其表面粗糙度随着表面塑性形变程度加剧而增加，削弱了工件的力学性能。由于材料的表面梯度层很薄，因此表面粗糙度无法通过后续机加工进行再处理，工业化应用潜力受限。

综上，有必要提出一种能够解决复合结构强韧化策略存在的界面缺陷和“弱连接”以及表面强烈塑性变形技术带来的梯度结构方向性和表面粗糙度增加的问题，而提供一种兼顾各方面加工优势的制备方法，用以解决上述问题。

发明内容

根据上述提出技术问题，而提供一种具有梯度结构单元的高强韧金属材料的制备方法。本发明主要以控制球磨为技术核心，配合烧结成型和后续热处理等工艺，制备出具有梯度结构单元的高强韧金属材料。

本发明采用的技术手段如下：

一种具有梯度结构单元的高强韧金属材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)控制球磨：将一定质量的金属材料粉末和研磨球放入球磨罐中，并加入适量的球磨助剂；根据选用的金属材料的类型初步确定控制球磨的能量条件范围，进行多组不同能量条件下的平行球磨实验；

(2)组织分析：对平行球磨实验得到的金属材料粉末进行组织分析，判定其梯度结构特征，确定优化的控制球磨工艺参数，并得到相应梯度结构特征的粉末颗粒前驱体；

(3)烧结成型：以步骤(2)制备的粉末颗粒前驱体为结构单元进行烧结成型，得到具有梯度结构单元的高强韧金属材料；

(4)热处理：对步骤(3)制备的具有梯度结构单元的高强韧金属材料进行后续热处理，以进一步调控其组织结构。

进一步地，所述金属材料的类型包括但不限于铁、钛、铝、镁、铜等金属及合金粉末的一种。

进一步地，所述平行球磨实验方式主要包括但不限于行星式球磨、振动式球磨和搅拌式球磨等。

进一步地，所述球磨助剂可以是酒精、正己烷等与金属材料粉末不发生机械化学反应的物质，具体种类与金属材料的类型相关。如选用的金属材料是镁粉时，球磨助剂可以是正己烷，不能是酒精。加入球磨助剂，一方面是防止金属材料粉末在球磨过程中发生冷焊黏连，可以对粉末颗粒进行更好的分散和控制；另一方面，有利于得到颗粒状形貌的粉末前驱体，使粉末内部的梯度结构具有更好的均匀性分布。

进一步地，步骤(1)中，所述控制球磨的能量条件范围，主要目的是通过对球磨转速、球料比、球磨时间等主要参数的调控，实现对粉末颗粒组织结构由表及里的逐层改性(包括晶粒尺度、第二相等)。通常地，球磨转速越大、球料比越大、球磨时间越长，对应控制球磨的能量输入越大，粉体颗粒组织结构变化越明显、梯度程度和梯度层深度越大。但当能量条件过大时，粉体颗粒的梯度结构将消失，成为由表及里组织结构均匀的颗粒单元。因此，本步骤的关键在于，需要结合步骤(2)的组织分析结果，确定优化的控制球磨工艺参数，从而制备出具有一定梯度结构特征的粉末颗粒前驱体。另外，具体球磨参数还与金属材料的类型相关。

进一步地，步骤(2)中，所述组织分析包括晶粒尺度分析、第二相分析，所述梯度结构特征对应于晶粒尺度梯度、第二相梯度等，其中第二相梯度包括第二相大小、体积分数梯度等。

进一步地，步骤(3)中，所述烧结成型包括普通热压烧结、热等静压烧结和高压烧结等，主要目的是将步骤(1)制备的粉末颗粒前驱体烧结成致密的合金块体，同时考虑对制备的金属材料梯度结构单元的特征要求。

进一步地，当梯度结构特征是晶粒尺度梯度时，烧结方法优选地采用高压烧结，有利于保持球磨制备的粉末颗粒前驱体中的梯度晶粒尺度结构，烧结压力为2～6GPa，烧结温度为300～1200℃，烧结时间为5～60分钟。当梯度结构特征是第二相梯度时，烧结方法采用普通热压烧结、热等静压烧结等。控制球磨使粉末颗粒由表及里的固溶状态不同，表层合金化程度最大，烧结成型时结构单元中原位析出的第二相状态(类型、尺寸、分数等)呈现梯度连续变化。具体的烧结温度、压力和时间等参数由金属材料的类型和材料的致密度决定。

进一步地，步骤(4)中，所述后续热处理可以进一步调控具有梯度结构单元金属材料的组织结构。如当步骤(3)采用高压烧结时，可以进行后续去应力退火。当梯度结构特征是第二相梯度且仍需进一步通过时效热处理获得时，可对材料进行后续时效热处理，得到具有时效第二相梯度结构单元的高强韧金属材料。具体热处理参数由金属材料的类型和热处理技术目标决定。

本发明还公开了一种具有梯度结构单元的高强韧金属材料，其特征在于，采用上述的制备方法制备而成。

高能球磨通过高速运动的研磨球不断撞击材料粉末颗粒，将研磨球的动能转化为材料的内能和热能，促使材料的组织结构发生变化。典型的组织结构变化包括晶粒尺寸细化、组元机械合金化、形成过饱和固溶体、材料非晶化等。一般情况下，由于粉末颗粒表层和研磨球直接接触，表层组织变化最为明显。因此，对于常用的韧性较好的金属材料，如铁、钛、铝、镁、铜等，从颗粒表面到心部的组织结构会发生连续变化，形成具有梯度结构的粉末颗粒。通过调节球磨参数等外界能量条件，在一定程度上可以调控梯度结构的微观特征，如梯度类型、体积分数和梯度程度等。

本发明首先对选定的金属材料粉末，通过控制球磨的能量条件(如调控球磨转速、球料比、球磨时间等参数)，实现对粉末颗粒组织结构的逐层改性(包括晶粒尺度、第二相等)，从而制备出具有梯度结构特征的粉末颗粒前驱体。然后以粉末颗粒前驱体为基本结构单元进行烧结成型，得到具有梯度结构单元的高强韧金属材料。通过后续热处理，可以进一步调控材料的组织结构。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明的核心工艺采用控制球磨法，具有广泛的材料适用范围和较大的微观结构设计指向性。高能球磨工艺可以处理大多数常用类型的金属材料及合金，如铁、钛、铝、镁、铜等；同时高能球磨可以使材料的组织结构发生多种变化，包括晶粒尺寸细化、组元机械合金化、形成过饱和固溶体、材料非晶化等。因此，可以根据特定的微观结构设计需求，选择合适的材料类型，开发对应的控制球磨工艺，制备出具有各种类型(如晶粒尺度、第二相等)梯度结构单元的高强韧金属材料。

2、本发明采用的梯度结构强韧化金属材料的方法，解决了传统复合结构强韧化金属材料技术产生的界面缺陷和“弱连接”问题。

3、本发明采用的控制球磨工艺，可以通过调控球磨的能量条件，实现对粉体颗粒内部梯度结构的有效控制，包括梯度程度和梯度层体积分数(梯度层深度)等。最大梯度层深度可以贯穿整个粉末颗粒(体积分数100％)。配合后续烧结成型工艺，可以制备出全梯度高强韧合金，解决了传统表面梯度结构材料梯度层体积分数及结构梯度有限等问题。

4、本发明制备的高强韧金属材料，通过采用粉末冶金法使梯度结构单元在宏观上呈均匀分布状态。与常规表面强烈塑性变形手段制备的表面梯度结构材料相比，其组织结构无明显的方向性，从而消除材料性能的各向异性，适于在多向受力部件上应用。同时，本发明制备的合金可以根据具体需要，通过后续各种机加工处理减小表面粗糙度。

5、本发明工艺简单、设备环境要求低，制备的材料力学性能优异，具有良好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1制备的5号样品的扫描电镜照片。

图2是本发明实施例1制备的5号样品的透射电镜照片。

图3是本发明实施例2制备的2号样品的金相照片。

图4是本发明实施例2制备的4号样品的金相照片。

图5是本发明实施例2制备的4号样品的扫描电镜照片。

图6是本发明实施例3制备的4号样品的透射电镜照片。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

本发明提供了一种具有梯度结构单元的高强韧金属材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)控制球磨：将一定质量的金属材料粉末和研磨球放入球磨罐中，并加入适量的球磨助剂；根据选用的金属材料的类型初步确定控制球磨的能量条件范围，进行多组不同能量条件下的平行球磨实验；所述金属材料的类型包括但不限于铁、钛、铝、镁、铜等金属及合金粉末的一种。所述平行球磨实验方式主要包括但不限于行星式球磨、振动式球磨和搅拌式球磨。所述控制球磨的能量条件主要包括球磨转速、球料比、球磨时间参数条件，具体参数由具体的梯度结构特征和金属材料的类型决定。所述球磨助剂是与金属材料粉末不发生机械化学反应的物质。

(2)组织分析：对平行球磨实验得到的金属材料粉末进行组织分析，判定其梯度结构特征，确定优化的控制球磨工艺参数，并得到相应梯度结构特征的粉末颗粒前驱体；所述组织分析包括晶粒尺度分析、第二相分析，所述梯度结构特征包括晶粒尺度梯度、第二相梯度。

(3)烧结成型：以步骤(2)制备的粉末颗粒前驱体为结构单元进行烧结成型，得到具有梯度结构单元的高强韧金属材料；所述烧结成型包括普通热压烧结、热等静压烧结和高压烧结，具体的烧结温度、压力和时间参数由金属材料的类型和致密度要求决定。当梯度结构特征是晶粒尺度梯度时，烧结方法优选地采用高压烧结，有利于保持球磨制备的粉末颗粒前驱体中的梯度晶粒尺度结构；当梯度结构特征是第二相梯度时，烧结方法采用普通热压烧结或热等静压烧结。控制球磨使粉末颗粒由表及里的固溶状态不同，表层合金化程度最大，烧结成型时结构单元中原位析出的第二相状态呈现梯度连续变化。

(4)热处理：对步骤(3)制备的具有梯度结构单元的高强韧金属材料进行后续热处理，以进一步调控其组织结构。

实施例1

本实施例制备的是一种具有晶粒尺度梯度结构单元的高强韧铝合金，选用的原材料为5083铝合金雾化粉末，其制备方法按以下步骤进行：

(1)控制球磨：称取10g的5083铝合金雾化粉末放入100ml的球磨罐中，并加5ml酒精做球磨助剂。初步设置系列不同能量条件下的平行球磨实验，如表1所示，进行控制球磨。球磨实验通过行星式球磨机Fritsch-P7完成。

表1实施例1的平行球磨实验条件表

实施例1	1	2	3	4	5	6	7	8
									球料比	5:1	5:1	5:1	5:1	10:1	10:1	10:1	10:1
转速(rpm)	300	300	500	500	300	300	500	500
									时间(h)	3	10	3	10	3	10	3	10

(2)组织分析：对8组控制球磨得到的粉末进行金相分析，发现1号样品的球磨粉末与原材料粉末相比形貌差异不大，可以判断1号样品的控制球磨效果很小；8号样品的粉末颗粒为扁平状形貌，且颗粒尺寸不均匀性较大，控制球磨效果不好。2～7号样品粉末颗粒均为不规则颗粒状形貌，且颗粒尺寸比较均匀。对2～7号样品的粉末颗粒冷压成型后离子减薄或采用FIB法制备透射电镜样品，分别进行组织分析，判定其梯度结构特征，结果如表2所示。通过以上实验结果，可以确定优化的控制球磨工艺参数，并得到相应的具有一定晶粒尺寸梯度结构特征的粉末颗粒前驱体。

表2实施例1中2-7号球磨粉末梯度结构特征表

实施例1	2	3	4	5	6	7
							梯度层厚度(μm)	3	5	12	10	14	15
表层晶粒尺寸(nm)	82	50	30	35	28	25
							中心晶粒尺寸(nm)	500	500	500	500	500	500

(3)烧结成型：为了保持粉末颗粒前驱体的晶粒尺寸梯度结构特征，采用高压烧结工艺对2～7号样品进行烧结成型。烧结压力为4GPa，烧结温度为500℃，烧结时间为15分钟，得到全致密的具有晶粒尺度梯度结构单元的高强韧5083铝合金。

(4)热处理：对步骤(3)得到的2～7号具有晶粒尺度梯度结构单元的高强韧5083铝合金样品进行去应力退火。退火温度300℃，退火时间15分钟，得到无应力的具有晶粒尺寸梯度结构单元的高强韧5083铝合金。

图1为本实施例5号样品前驱体粉末的扫描电镜照片，其颗粒尺寸比较均匀，分布在15～55μm，粉末形貌为不规则颗粒状。

图2为本实施例5号样品的一个前驱体粉末颗粒的剖面晶粒尺寸分布的透射电镜结果。从颗粒表面到内部，晶粒尺寸逐渐增大，具有连续的梯度结构特征。图2a为颗粒最表层1μm以内区域的晶粒尺寸分布情况，此区域内晶粒尺寸非常细小，分布在20～40nm，平均晶粒尺寸35nm；图2b为距离颗粒表面深度3μm处的晶粒尺寸分布情况，此区域晶粒尺寸呈现出连续变化特征，左半部分的晶粒尺寸100～150μm，右半部分的晶粒尺寸150～250μm，晶粒尺寸梯度连续变化；图2c为距离颗粒表面深度10μm处的晶粒尺寸分布情况，此区域内晶粒尺寸较大，分布在300～500nm。此深度以下区域的平均晶粒尺寸约500nm，与原材料5083铝合金雾化粉末的平均晶粒尺寸一致，且不再随深度变化。上述组织分析结果表明，此控制球磨工艺条件下制备的铝合金粉末前驱体具有良好的晶粒尺寸梯度结构，梯度层深度在10μm左右。

由于采用高压烧结进行烧结成型，烧结压力很大，烧结温度较低，有效抑制了烧结过程中晶粒尺寸长大，烧结后合金中梯度结构单元的表层平均晶粒尺寸为45nm。合金整体基本保持了粉末颗粒前驱体的晶粒尺度梯度特征。

实施例2

本实施例制备的是一种具有第二相梯度结构单元的高强韧镁合金，选用的原材料为Mg-9Y-6Zn(原子百分数)镁合金粉末，其制备方法按以下步骤进行：

(1)控制球磨：称取10g的镁合金粉末放入100ml的球磨罐中，并加5ml正己烷做球磨助剂。初步设置系列不同能量条件下的平行球磨实验，如表3所示，进行控制球磨。球磨实验通过振动式球磨机SPEX8000D完成。

表3实施例2的平行球磨实验条件表

实施例2	1	2	3	4	5
						球料比	5:1	5:1	10:1	10:1	10:1
转速(rpm)	500	500	500	500	800
						时间(h)	2	5	2	5	5

(2)组织分析：对5组控制球磨得到的粉末进行金相分析，发现5号样品的粉末颗粒为扁平状形貌，且颗粒尺寸不均匀性较大，控制球磨效果不好。1～4号样品粉末颗粒均为不规则颗粒状形貌，且颗粒尺寸比较均匀。对1～4号样品的粉末颗粒冷压成型后离子减薄或采用FIB法制备透射电镜样品，分别进行观组织分析，判定其梯度结构特征，结果如表4所示。通过以上实验结果，可以确定优化的控制球磨工艺参数，并得到相应的具有一定第二相梯度结构特征的粉末颗粒前驱体。

表4实施例2中1-4号球磨粉末梯度结构特征表

实施例2	1	2	3	4
					梯度层体积分数	25％	50％	60％	80％
表层第二相密度(m<sup>-3</sup>)	0.85*10<sup>22</sup>	1.2*10<sup>22</sup>	3.5*10<sup>22</sup>	5.5*10<sup>22</sup>
					中心第二相密度(m<sup>-3</sup>)	0	0	0	0

(3)烧结成型：采用放电等离子烧结工艺(SPS)进行粉末烧结成型。烧结压力为50MPa，烧结温度为400℃，烧结时间为5分钟，得到全致密的具有第二相梯度结构单元的高强韧镁合金。

图3为本实施例2号样品前驱体粉末的金相照片，其颗粒尺寸比较均匀，分布在20～75μm，粉末形貌为不规则颗粒状。前驱体粉末颗粒外层的深颜色区域为梯度层，中心白色区域为原始组织，梯度层的体积分数约为50％；图4为本实施例4号样品前驱体粉末的金相照片，其颗粒尺寸比较均匀，分布在16～70μm，粉末形貌为不规则颗粒状，梯度层的体积分数约为80％。

图5为本实施例4号样品SPS烧结后的扫描电镜照片。控制球磨后，前驱体粉末颗粒的梯度层形成过饱和固溶体组织，表层组织固溶程度最大，固溶程度随梯度层深度的增加逐渐减小。在烧结过程中，梯度层中原位析出了高熔点的富Y颗粒，且第二相的数量密度随深度的增加逐渐减小，中心区域仍为原始无析出组织。另外可以看到，此烧结工艺下得到的合金组织致密，前驱体粉末的原始颗粒边界消失，制备出全致密的第二相梯度结构单元均匀分布的高强韧镁合金。

实施例3

本实施例制备的是一种具有时效第二相梯度结构单元的高强韧镁合金，本实施例首先通过控制球磨工艺制备出具有固溶度梯度结构特征的镁合金粉末颗粒前驱体，然后烧结成具有固溶度梯度结构单元的镁合金块体，最后通过进一步时效热处理获得具有时效第二相梯度结构单元的高强韧镁合金。选用的原材料为Mg-10Y-0.2Zn(质量百分数)镁合金粉末，其制备方法按以下步骤进行：

(1)控制球磨：称取4g的镁合金粉末放入50ml的球磨罐中，并加2ml正己烷做球磨助剂。初步设置系列不同能量条件下的平行球磨实验，如表5所示，进行控制球磨。球磨实验通过振动式球磨机SPEX8000D完成。

表5实施例3的平行球磨实验条件表

实施例3	1	2	3	4	5	6
							球料比	2:1	5:1	5:1	5:1	10:1	10:1
转速(rpm)	800	800	800	1200	1200	1200
							时间(h)	5	5	10	5	5	10

(2)组织分析：对6组控制球磨得到的粉末进行金相观察，发现6号样品的粉末颗粒为扁平状形貌，且颗粒尺寸不均匀性较大，控制球磨效果不好。1～5号样品粉末颗粒均为不规则颗粒状形貌，且颗粒尺寸比较均匀。同时成分分析表明，由于球磨能量条件剧烈，6号样品杂质污染较大。进一步分析表明，由于控制球磨能量条件较弱，1号样品粉末颗粒的金相组织均匀、无明显梯度结构形貌，表明此能量条件下的固溶效果很有限。

(3)烧结成型：对2～5号样品的粉末颗粒冷压成型后，采用普通热压烧结工艺进行烧结成型。烧结压力为20MPa，烧结温度为550℃，烧结时间为30分钟，得到具有固溶度梯度结构单元的镁合金块体。

(4)热处理：对步骤(3)得到的2～5号具有固溶度梯度结构单元的镁合金样品进行时效热处理。时效温度220℃，时间10小时。得到具有时效第二相梯度结构单元的高强韧镁合金。

图6为4号样品时效第二相的透射电镜照片。图6a显示了一个梯度结构单元表层区域的时效第二相的分布情况，第二相尺寸细小，数量密度很高，且镁基体晶粒尺寸较小。图6b显示了一个梯度结构单元内部区域的时效第二相的分布情况，由于单元内部元素的固溶度较低，时效后第二相数量密度相对较低，且镁基体晶粒尺寸相对较大。2、3和5号样品的时效第二相梯度结构特征与4号样品相似，其第二相的具体数量密度、大小等有一定变化。通过以上实验结果，进一步确定了优化的控制球磨工艺参数，同时结合后续热处理工艺，得到了相应的具有时效第二相梯度结构单元的高强韧镁合金。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种具有梯度结构单元的高强韧金属材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)控制球磨：将一定质量的金属材料粉末和研磨球放入球磨罐中，并加入适量的球磨助剂；根据选用的金属材料的类型初步确定控制球磨的能量条件范围，进行多组不同能量条件下的平行球磨实验；

(2)组织分析：对平行球磨实验得到的金属材料粉末进行组织分析，判定其梯度结构特征，确定优化的控制球磨工艺参数，并得到相应梯度结构特征的粉末颗粒前驱体；

(3)烧结成型：以步骤(2)制备的粉末颗粒前驱体为结构单元进行烧结成型，得到具有梯度结构单元的高强韧金属材料；

(4)热处理：对步骤(3)制备的具有梯度结构单元的高强韧金属材料进行后续热处理，以进一步调控其组织结构。

2.根据权利要求1所述的具有梯度结构单元的高强韧金属材料的制备方法，其特征在于，所述金属材料的类型包括但不限于铁、钛、铝、镁、铜及合金粉末的一种。

3.根据权利要求1所述的具有梯度结构单元的高强韧金属材料的制备方法，其特征在于，所述平行球磨实验方式主要包括但不限于行星式球磨、振动式球磨和搅拌式球磨。

4.根据权利要求1所述的具有梯度结构单元的高强韧金属材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述控制球磨的能量条件主要包括球磨转速、球料比、球磨时间，具体参数由具体的梯度结构特征和金属材料的类型决定。

5.根据权利要求1所述的具有梯度结构单元的高强韧金属材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述组织分析包括晶粒尺度分析、第二相分析，所述梯度结构特征包括晶粒尺度梯度、第二相梯度。

6.根据权利要求1所述的具有梯度结构单元的高强韧金属材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述烧结成型包括普通热压烧结、热等静压烧结和高压烧结，具体的烧结温度、压力和时间参数由金属材料的类型和致密度要求决定。

7.根据权利要求5所述的具有梯度结构单元的高强韧金属材料的制备方法，其特征在于，当梯度结构特征是晶粒尺度梯度时，烧结方法优选地采用高压烧结，有利于保持球磨制备的粉末颗粒前驱体中的梯度晶粒尺度结构；当梯度结构特征是第二相梯度时，烧结方法采用普通热压烧结或热等静压烧结，控制球磨使粉末颗粒由表及里的固溶状态不同，表层合金化程度最大，烧结成型时结构单元中原位析出的第二相状态呈现梯度连续变化。

8.根据权利要求1所述的具有梯度结构单元的高强韧金属材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述后续热处理具体的温度、时间参数由金属材料的类型和热处理技术目标决定。

9.一种具有梯度结构单元的高强韧金属材料，其特征在于，采用如权利要求1-8任意权利要求所述的制备方法制备而成。

Images