CN113145850A - 一种梯度组织的金属材料高通量制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种梯度组织的金属材料高通量制备方法，属于金属加工制备领域。本发明包括粉末制备、粉末筛选、配料、振动混料、粉末成型等工序。具体步骤依次为：通过气雾法制备球形原材料粉末；将原材料粉末根据颗粒尺寸分别筛分成n个等级；配置n种梯度成分材料；利用巴西果效应，通过机械振动，得到n层梯度成分材料；通过压块、烧结或热等静压技术制备出块体材料。本发明能够一次性制备不同粉体粒径、孔隙率和成分的大尺寸块体梯度材料，具有制备工艺简单、效率高等特点，可以用于不同组织、成分等新材料筛选研发。

Description

一种梯度组织的金属材料高通量制备方法

技术领域

本发明属于金属加工制备领域，尤其涉及一种沿长度方向组织呈梯度变化的棒材、板材等成形制备方法，可实现多组分金属材料的高通量制备。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

产业发展和技术进步越来越依赖新材料的开发，而新材料从发现到工业化应用一般需要10年以上。以前材料的研发和应用更多的是依赖研究者的科学直觉和大量重复的“尝试法”试验。为了改变这一局面，强化制造业领先地位，2011年，美国启动了材料基因组计划，随后欧洲、日本、中国等国家也陆续启动相应的计划。材料基因组计划具体内容包括：高通量计算、高通量制备、高通量检测及数据库建立等几方面。其中，材料高通量制备具有承上启下的作用，在加快新材料研发过程中占据重要的地位。

传统块体材料制备方法，针对某种体系，每次只能制备一种组分材料，并且需要重复多次试验，来研究材料成分、晶粒度、相界面、晶体缺陷与织构等因素对材料性能的影响，进而才能建立材料成分-组织-性能的统计映射关系。这是材料成本居高不下的主要原因。

粉末冶金是用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)作为原料，经过成型和烧结，制取金属材料、复合材料以及各种类型制品的工业技术。其可以实现近净成形，并可以最大限度地减少合金成分偏聚，消除粗大、不均匀的铸造组织。通过粉末冶金可以制备成分梯度材料，但采用粉末冶金一次性制备出具有不同粉体粒径、孔隙率、成分组合材料的高通量制备方法，还未见报道。

发明内容

为了克服上述问题，本发明的目的在于提供一种梯度组织的金属材料高通量制备方法。本发明提供的梯度组织的金属材料高通量制备方法，采用粉末冶金方法能够一次性制备不同粉体粒径、孔隙率和成分的梯度材料。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面，提供了一种梯度组织的金属材料高通量制备方法，包括：

制备球形原材料粉末；

将原材料粉末根据颗粒尺寸不同，分别筛分成n个等级，即，直径d₁<d₂<…<d_i-1<d_i<d_i+1<…<d_n-1<……

根据原料粉末的等级数n，配置n种梯度成分材料；

将n种梯度成分材料的原材料粉末混合后，置入轴向垂直于水平面的棒材模具或法向平行于水平面的板材模具中，采用振动方式混料，得到n层梯度成分材料；

在棒材的径向/板材的法向加压，在其他方向施加约束，将梯度材料压制成棒材或板材。

本发明通过粉末制备、粉末筛选、配料、振动混料、粉末成型等步骤，能够一次性制备不同粉体粒径和成分的梯度材料，拓宽了高通量梯度材料制备方法，可加快不同组织、成分的新材料筛选过程。

本发明的第二个方面，提供了任一上述的方法制备的梯度组织的金属材料。

本发明通过不同粒径的粉末冶金方式制备梯度材料，因此，能够制备不同界面、孔隙等梯度晶体缺陷材料，便于后续的高通量检测和分析。

本发明的第三个方面，提供了上述的梯度组织的金属材料在制备功能材料、高强度、高韧性材料中的应用。

由于本发明制备梯度组织的金属材料的方法简单、高效、可控性强，因此，有望在制备功能材料、高强度、高韧性材料中得到广泛的应用。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明通过粉末制备、粉末筛选、配料、振动混料、粉末成型等步骤，能够一次性制备不同粉体粒径和成分的梯度材料，拓宽了高通量梯度材料制备方法，可加快不同组织、成分的新材料筛选过程。

(2)本发明通过粒径筛选、配料称重、振动混料等常规方法，利用巴西果效应和粉末冶金技术制备梯度材料。不需要选区激光熔化、CVD等昂贵的设备，因而其工艺成本低，且适于大多数金属材料。

(3)采用本发明的制备方法，可以制备大尺寸块体梯度材料。另外，由于粉末成形的压缩方向垂直于材料的梯度方向，制备梯度材料的压缩力是相同的。

(4)本发明通过不同粒径的粉末冶金方式制备梯度材料，因此，能够制备不同界面、孔隙等梯度晶体缺陷材料，便于后续的高通量检测和分析。

(5)本发明的制备方法简单、操作方便、实用性强，易于推广。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

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。

本发明提供的一种梯度组织的金属材料高通量制备方法，包括：粉末制备、粉末筛选、配料、振动混料、粉末成型等步骤。

(1)粉末制备：通过气雾法分别制备球形原材料粉末，包括主元素、合金化元素以及中间合金等粉末。

(2)粉末筛选：将原材料粉末根据颗粒尺寸(直径d)不同，分别筛分成n个等级，即，d₁<d₂<…<d_i-1<d_i<d_i+1<…<d_n-1<d_n。

(3)配料：根据原料粉末的等级数n，配置n种梯度成分材料。其中，第i种成分材料，选用直径为d_i的粉末配料。

(4)振动混料：将n种梯度成分材料的原材料粉末混合后，置入轴向垂直于水平面的棒材模具或法向平行于水平面的板材模具中，通过水平振动和(或)上下振动等复合方式混料，得到n层梯度成分材料。

(5)粉末成型：在棒材的径向/板材的法向加压，在其他方向施加约束，将梯度材料压制成棒材或板材。

研究发现：若合金元素与主元素密度差别太大，导致振动过程中由于密度原因分层。即：如果合金元素密度比主元素太大很多，在振动过程中，可能会因密度大，而沉到底部；如果小的话，则可能上浮。这样制备每层合金的组织就会不均匀。在一些实施例中，粉末制备过程中，若合金元素与主元素密度差的绝对值，小于主元素密度的20％，将合金元素以中间合金的形式加入。采用中间合金是，主元素和合金元素提前以一个固定比例，掺杂到一块，缩小密度差。

在一些实施例中，粉末制备过程中，若合金元素与主元素密度差的绝对值，小于主元素密度的10％，将合金元素以中间合金的形式加入。

在一些实施例中，粉末筛选过程中，相邻等级粉末的粉末尺寸差在20％以上，即d_i+1/d_i＞1.2。以消除不同粉末尺寸之间可能产生的重叠，而导致制备不同梯度合金成分不准的问题。

在一些实施例中，粉末筛选过程中，相邻等级粉末的粉末尺寸差在50％以上，即d_i+1/d_i＞1.5。

在一些实施例中，振动混料过程中，振动频率为：1～10Hz，振动时间为10～200s。

在一些实施例中，通过压块+烧结的工艺制备含有孔隙率的梯度组织金属材料。

在一些实施例中，通过热等静压工艺制备全致密的梯度组织金属材料。

下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。

本发明实施例及对比例的合金硬度和成分，分别依据GB/T231.1-2018和GB/T31364-2015执行。

实施例1

一种梯度组织的Mg-Gd-Cu合金高通量制备方法，具体如下。

(1)粉末制备：通过气雾法分别制备球形原材料粉末，包括高纯镁、Mg-5wt％Gd中间合金、Mg-2wt％Cu中间合金粉末。

(2)粉末筛选：将高纯镁、Mg-5wt％Gd中间合金、Mg-2wt％Cu中间合金粉末，根据直径大小分别筛分成6个等级20μm、40μm、60μm、80μm、110μm、150μm，每个等级粉末尺寸波动范围为±4μm。

(3)配料：根据上述6种粉末直径的不同配置6种成分材料，如表1所示，即，Mg、Mg-0.5wt％Gd-0.2wt％Cu、Mg-1.0wt％Gd-0.4wt％Cu、Mg-1.5wt％Gd-0.6wt％Cu、Mg-2.0wt％Gd-0.8wt％Cu、Mg-2.5wt％Gd-1.0wt％Cu。

表1梯度材料Mg-Gd-Cu合金的成分与粉末直径对应关系

层数	成分(重量百分比)	粉末直径(μm)	重量(g)
				1	Mg	20±4	500
2	Mg-0.5％Gd-0.2％Cu	40±4	500
				3	Mg-1.0％Gd-0.4％Cu	60±4	500
4	Mg-1.5％Gd-0.6％Cu	80±4	500
				5	Mg-2.0％Gd-0.8％Cu	110±4	500
6	Mg-2.5％Gd-1.0％Cu	150±4	500

(4)振动混料：将6种梯度成分材料的原材料粉末混合后，置入轴向垂直于水平面的棒材(直径40mm)模具中，通过左右振动和上下振动方式混料，振动频率为2Hz，振动时间为100s，得到6层梯度成分材料。

(5)粉末成型：通过约束棒材轴向，并在径向加压方式制备棒材；在氩气保护下，600℃烧结得到Mg-Gd-Cu梯度材料。

实施例2

一种梯度组织的Al-Li-Cu-Zr合金高通量制备方法，具体如下。

(1)粉末制备：通过气雾法分别制备球形原材料粉末，包括高纯铝、Al-10wt％Li中间合金、Al-5wt％Cu、Al-2wt％Zr中间合金粉末。

(2)粉末筛选：将高纯铝、Al-10wt％Li中间合金、Al-5wt％Cu、Al-2wt％Zr中间合金粉末，根据其直径大小分别筛分成8个等级，即，4μm、7μm、11μm、20μm、40μm、60μm、80μm、110μm。

(3)配料：根据上述8种粉末直径的不同配置8种成分材料，如表2所示。

表2梯度材料Al-Li-Cu-Zr合金的成分与粉末直径对应关系

(4)振动混料：将8种梯度成分材料的原材料粉末混合后，置入板材模具(板材法向与水平面平行，板材截面为4mm×20mm)中，通过左右振动和上下振动方式混料，振动频率为1Hz，振动时间为120s，得到8层梯度组织材料。

(5)粉末成型：在580℃条件下采用热等静压工艺得到全致密的Al-Li-Cu-Zr梯度材料。

对比例1

与实施例1的区别在于，对比例1的Mg-Gd-Cu合金中，气雾法制备的原材料不采用中间合金，而是纯Mg、Gd、Cu合金粉末。

由于原材料粉末密度差别过大，无法制备出Mg-Gd-Cu梯度组织合金。

对比例2

与实施例1的区别在于，原材料粉末筛选过程中，1<d_i+1/d_i<1.05，即不同等级之间的粉末直径范围区分度不大。

振动的过程中巴西果效应无法使颗粒直径相差较小的合金元素分层，也就无法制备出Mg-Gd-Cu梯度组织合金。

对比例3

与实施例1的区别在于，原材料不是通过振动混合得到梯度材料。而是将各个等级原材料粉末分别机械混合均匀后，逐层铺粉的方法，也可以制备梯度合金材料。

制备过程混料工艺繁琐，且需要专门的铺粉装置，制备效率低。

实验例

对实施例1-2、对比例1-2制备的Mg-Gd-Cu合金各层的成分和硬度进行测试，结果如下：

表3实施例1中Mg-Gd-Cu合金各层的实测成分和硬度

表4对比例1和对比例2中合金各层的实测成分

层数	对比例1化学成分	对比例2化学成分
			1	Mg-4.1％Gd-2.3％Cu	Mg-0.2％Gd-0.1％Cu
2	Mg-1.5％Gd-1.4％Cu	Mg-0.6％Gd-0.25％Cu
			3	Mg-0.7％Gd-0.6％Cu	Mg-1.05％Gd-0.47％Cu
4	Mg-0.2％Gd-0.3％Cu	Mg-1.4％Gd-0.69％Cu
			5	Mg-0.1％Gd-0.08％Cu	Mg-1.87％Gd-0.76％Cu
6	Mg-0.08％Gd-0.05％Cu	Mg-2.36％Gd-0.96％Cu

表5实施例2中Al-Li-Cu-Zr合金各层的实测成分和硬度

比较实施例1-2与对比例1-2的梯度组织合金制备方法，可以看出：本发明提出的制备方法，可以通过粉体直径调控制备出梯度合金材料，工艺简单，效率高。对比例1、2合金分别是配料的原料、粒径筛选方法与实施例不同，因而无法制备出配料的材料成分。

最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种梯度组织的金属材料高通量制备方法，其特征在于，包括：

制备球形原材料粉末；

将原材料粉末根据颗粒尺寸不同，分别筛分成n个等级，即，直径d₁<d₂<…<d_i-1<d_i<d_i+1<…<d_n-1<……

根据原料粉末的等级数n，配置n种梯度成分材料；

将n种梯度成分材料的原材料粉末混合后，置入轴向垂直于水平面的棒材模具或法向平行于水平面的板材模具中，采用振动方式混料，得到n层梯度成分材料；

在棒材的径向/板材的法向加压，在其他方向施加约束，将梯度材料压制成棒材或板材。

2.如权利要求1所述的梯度组织的金属材料高通量制备方法，其特征在于，所述原材料粉末包括：主元素、合金化元素以及中间合金粉末。

3.如权利要求1所述的梯度组织的金属材料高通量制备方法，其特征在于，原材料粉末采用气雾法制备。

4.如权利要求1所述的梯度组织的金属材料高通量制备方法，其特征在于，粉末制备过程中，若合金元素与主元素密度差的绝对值，小于主元素密度的20％，将合金元素以中间合金的形式加入；

优选的，若合金元素与主元素密度差的绝对值，小于主元素密度的10％，将合金元素以中间合金的形式加入。

5.如权利要求1所述的梯度组织的金属材料高通量制备方法，其特征在于，粉末筛选过程中，相邻等级粉末的粉末尺寸差在20％以上，即d_i+1/d_i＞1.2；

优选的，相邻等级粉末的粉末尺寸差在50％以上，即d_i+1/d_i＞1.5。

6.如权利要求1所述的梯度组织的金属材料高通量制备方法，其特征在于，振动混料过程中，振动频率为：1～10Hz，振动时间为10～200s。

7.如权利要求1所述的梯度组织的金属材料高通量制备方法，其特征在于，采用压块+烧结的工艺制备含有孔隙率的梯度组织金属材料。

8.如权利要求1所述的梯度组织的金属材料高通量制备方法，其特征在于，热等静压工艺制备全致密的梯度组织金属材料。

9.权利要求1-8任一项所述的方法制备的梯度组织的金属材料。

10.权利要求9所述的梯度组织的金属材料在制备功能材料、高强度、高韧性材料中的应用。