CN116949259A - 一种金属材料的制备方法及金属材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种金属材料的制备方法及金属材料，属于金属材料制备领域，方法包括：对模具进行降温处理，使其温度处于低温；所述低温为温度低于零下某个温度值；将金属粉末喷涂至模具上，使得金属粉末与模具碰撞产生塑性变形引起金属晶粒细化得到金属材料；其中，所述金属粉末喷涂的速率大于预设速度，以保证所述塑性变形的机制主要为孪晶和剪切带，所述模具处于低温使得金属粉末与模具碰撞时始终处于低温环境，避免金属晶粒长大，且抑制所述塑性变形时内部位错的运动。本发明制备得到的金属材料性能高，且制备工艺简单。
Description
技术领域
本发明属于金属材料制备领域，更具体地，涉及一种金属材料的制备方法及金属材料。
背景技术
随着人类工业的不断进步，高强度高导电性材料在各个领域的需求不断增加，人们对于高性能金属材料的关注度越来越高。作为最常见的工程材料，金属材料的机械强度、导电性、耐磨性以及耐腐蚀性等关键性能往往不能兼得。
金属材料机械性能的提高往往伴随着导电性的降低，这一结论已被P.V.Anderws等人的研究证实，由于金属强度的提高往往需要通过引入各种缺陷来实现，例如位错，更多的晶界，点缺陷和增强相等，虽然这些缺陷可以增强金属的强度、耐磨性和耐腐蚀性，但是同时也增加了导电电子在这些缺陷处的散射，从而增加了金属的电阻率，降低了金属的导电性。
目前金属材料生产主要采用的是先制备后强化的方式，目前主流的制备方法主要有粉末冶金法、大塑性变形法等。强化方式主要有弥散强化、细晶强化、固溶强化、第二相强化以及相变强化等。目前已有大量关于高性能金属材料制备的研究，以铜合金为例，美国和日本相继开发出了多种高导电铜合金，如KFC、KLF2、TAMAC系列、DK系列等等。其主要的合金成分主要包括Cu-Fe系、Cu-Cr(-Zr)系、Cu-Ni(如Cu-Ni-Si、Cu-Ni-Al等)系等，这些合金在具有较高机械强度，同时兼顾了其导电性。
虽然目前关于高性能金属材料制备的研究成果已有许多，但是仍然存在着制备工序复杂，制备条件苛刻等诸多问题。例如在Cu-Cr系合金中，弥散强化时基体中的Cr相会在材料升温时发生团聚，导致材料脆性断裂。对于细晶强化来说，虽然晶粒数量增加可以使金属的机械强度、耐磨性和耐腐蚀性提高，但是更多的晶界会使电子的传输受到阻碍，引起导电性降低。固溶强化通过引入溶质原子进入晶胞中，导致晶格发生畸变，虽然可以提高强度，但是晶格畸变之后会对电子的散射作用增强，因此电子的运动也会变得困难。第二相强化是利用合金基体析出的第二相来阻碍位错的运动，可以提高合金的强度，但同时第二相的存在也会阻挡电子的运动，造成导电性降低。相变强化是利用材料经历大变形后晶格发生的剧烈畸变来起到强化金属的作用，与固溶强化类似，虽然可以提高强度，但导电性会降低。此外，在某些极端工况和科研领域条件下，目前的导电材料强度和导电性仍然无法同时满足需求。对于工业生产来说，目前高性能金属材料的制备成本较高，生产工艺也较为复杂，而且某些金属材料(例如铍铜合金)在生产过程中伴随着剧毒粉尘，对环境造成污染。
综上所述，目前在工业生产和科研领域，对于高性能材料的需求仍然非常巨大，但是现有的高性能金属材料的制备方法仍然存在无法兼顾强度、耐磨性、耐腐蚀性和导电性的问题，使得高性能金属材料难以得到有效的量产与应用。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种金属材料的制备方法及金属材料，旨在解决现有的高性能金属材料的制备方法无法兼顾强度、耐磨性、耐腐蚀性和导电性，使得高性能金属材料难以得到有效的量产与应用的问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种金属材料的制备方法，包括以下步骤：
对模具进行降温处理，使其温度处于低温；所述低温为温度低于零下某个温度值；
将金属粉末喷涂至模具上，使得金属粉末与模具碰撞产生塑性变形引起金属晶粒细化得到金属材料；其中，所述金属粉末喷涂的速率大于预设速度，以保证所述塑性变形的机制主要为孪晶和剪切带，所述模具处于低温使得金属粉末与模具碰撞时始终处于低温环境，避免金属晶粒长大，且抑制所述塑性变形时内部位错的运动。
在一个可能的示例中，该方法还包括以下步骤：
喷涂完成后，将金属材料从模具上脱模取出。
在一个可能的示例中，对模具进行降温处理，具体为：
采用低温液体对模具进行降温处理。
在一个可能的示例中，所述低温液体为液氮或者液氦中的一种或多种。
在一个可能的示例中，将金属粉末喷涂至模具的过程中，金属粉末喷涂路径和模具均处于无水环境，所述无水环境指不包含任何形态的水。
在一个可能的示例中，所述模具的硬度大于预设硬度，且质量足够大以保证热容大于预设热容。
第二方面，本发明提供了一种金属材料，所述金属材料通过上述第一方面或第一方面任意一个可能的示例所提供的方法制备得到。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供一种金属材料的制备方法及金属材料，在制备金属材料之前，先对模具冷却使其达到低温，使得金属粉末与模具碰撞时始终处于低温环境。金属粉末与模具碰撞时会产生剧烈的塑性变形，会引起晶粒细化从而强化材料。当金属粉末冲击模具时，金属粉末可以达到快速冷却的目的，避免了由于高温引起晶粒长大的问题。金属在低温环境下发生动态塑性变形时，其内部位错的运动会被抑制，在大应变条件下，变形的机制主要为孪晶和剪切带。孪晶界与传统晶界一样，可以对位错的运动起到阻碍作用，提高金属的机械强度，但其对导电电子的散射作用相比常规的晶界要小得多，因此含有大量孪晶界金属的电阻率比传统的高角度晶界金属要低一个数量级，从而可以使金属保持其电导率。本发明提供的制备工艺简单高效，可以制备各种金属材料，且不需后续热处理即可投入使用，达到了成型即成性的目的。
附图说明
图1是本发明实施例提供的金属材料的制备方法流程图；
图2是本发明的具体实施方式中对模具降温的示意图；
图3是本发明的具体实施方式中材料制备的示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为液氮，2为模具，3为金属材料，4为密闭容器，5为冷喷涂装置，6为金属粉末。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
首先，对本发明实施例中涉及的技术术语进行介绍。
(1)低温
本发明中提到的低温是温度低于零下或者低于零下某个温度的某个温度或者某个温度区间，为负摄氏度，也可以采用开尔文温标表示。
(2)低温液体
本发明中提到的低温液体可以是液氮、液氦及液氩等低温液体中的一种或多种组合，以能够对模具进行降温到低温为准。进一步地，模具的温度可以降到与低温液体温度相同或者相近，本领域技术人员可以根据实际需求进行选择。
接下来，对本发明实施例中提供的技术方案进行介绍。
针对以上需求，本发明提供了一种金属材料的制备方法和装置，主要的目的在于解决金属在机械强度、耐磨性、耐腐蚀性和导电性之间的矛盾，使金属具有高机械强度、高耐磨性、高耐腐蚀性的同时具有良好的导电性。该工艺的原理为通过加速装置加速金属粉末，使其与预制模具表面发生高速碰撞，在制备前需要对模具进行预降温处理，使金属粉末与模具碰撞时始终处于低温环境。
一方面，金属粉末与模具碰撞时会产生剧烈的塑性变形，会引起晶粒细化从而强化材料。当金属粉末冲击模具时，由于金属粉末的质量远小于模具，根据传导冷却效应，金属粉末在变形时由于变形热效应产生的热量可以快速传导至模具，使金属粉末可以达到快速冷却的目的，避免了由于高温引起晶粒长大的问题。另一方面，金属在低温环境下发生动态塑性变形时，其内部位错的运动会被抑制，在大应变条件下，变形的机制主要为孪晶和剪切带。孪晶界与传统晶界一样，可以对位错的运动起到阻碍作用，提高金属的机械强度，但其对导电电子的散射作用相比常规的晶界要小得多，因此含有大量孪晶界金属的电阻率比传统的高角度晶界金属要低一个数量级，从而可以使金属保持其电导率。该工艺简单高效，可以制备各种金属材料，且不需后续热处理即可投入使用，达到了成型即成性的目的。
图1是本发明实施例提供的金属材料的制备方法流程图。如图1所示，包括以下步骤：
S101，对模具进行降温处理，使其温度处于低温；所述低温为温度低于零下某个温度值；
S102，将金属粉末喷涂至模具上，使得金属粉末与模具碰撞产生塑性变形引起金属晶粒细化得到金属材料；其中，所述金属粉末喷涂的速率大于预设速度，以保证所述塑性变形的机制主要为孪晶和剪切带，所述模具处于低温使得金属粉末与模具碰撞时始终处于低温环境，避免金属晶粒长大，且抑制所述塑性变形时内部位错的运动。
在一个更为具体的实施例中，为了实现上述目的，所提出的方法主要包括以下步骤：
(1)根据实际工况的需求，加工与待制备工件尺寸相配合的模具；
(2)将模具置于低温介质中，使模具整体冷却到与介质相同的温度；
(3)根据待制备材料选取对应的金属粉末，通过加速装置将金属粉末喷涂于模具上，成型为预定形状；
(4)喷涂完成后，将制备完成的材料取出。
优选的，模具材料应该选择硬度较高的材料，同时质量应足够大以保证其热容足够大；以便模具能够将金属粉末快速冷却。
优选的，选取的低温介质可以为液态介质，即低温液体，同时介质的温度应足够低以保证金属粉末与模具之间的温差足够大。
优选的，可以将模具置于无水环境内，例如真空，以避免空气和其他杂质的影响；其中，无水环境指的主要是不存在气态的水，避免模具与气态水交换热量，将气态水冷凝成水珠或者冰块附着在模具表面，影响金属粉末与模具碰撞形变。
优选的，加速装置可以为市面常见的喷涂设备或其他可以加速微小颗粒的装置。
采用本发明所提供的方法来制备高性能金属材料是非常高效的。在制备过程中可能用到的装置如图2和图3所示，本发明的一个实施例适用于制造高性能金属材料，主要包括以下步骤：
步骤一，按照待制备材料的尺寸形状确定模具2的形状，将模具2完全侵入液氮1中，直至模具整体温度降低至液氮温度；
步骤二，将模具2置于密闭容器4中，之后再对容器4抽真空；
步骤三，将冷喷涂装置5对准模具，将金属粉末6高速喷涂到模具上；
步骤四，待喷涂完成后，将制备完成的金属材料3从模具2上取下。
金属粉末经过喷涂装置加速以后，其速度可以是超过音速，也可以是更高的速度，之后与模具发生剧烈撞击并伴随剧烈的塑性变形，由于金属粉末的体积和质量相对于模具可以忽略，因此模具的热容远大于金属粉末，金属粉末内部的塑性热可以及时传导至模具，此时金属粉末的变形过程可以认为是低温动态塑性变形。低温可以有效抑制金属变形时内部位错的运动，当应变足够大时，变形机制主要为孪晶和剪切带，因此，所制备金属材料的内部微观组织含有大量的孪晶界，由于孪晶界的特有性质，可以在保证其机械强度、耐磨性和耐腐蚀性的同时兼顾其导电性。
可以理解的是，上述金属粉末和金属材料对应的金属可以是铜、铁、铝等金属。
可以理解的是，在本发明的实施例中涉及的各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本发明的实施例的范围。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种金属材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
对模具进行降温处理，使其温度处于低温；所述低温为温度低于零下某个温度值；
将金属粉末喷涂至模具上，使得金属粉末与模具碰撞产生塑性变形引起金属晶粒细化得到金属材料；其中，所述金属粉末喷涂的速率大于预设速度，以保证所述塑性变形的机制主要为孪晶和剪切带，所述模具处于低温使得金属粉末与模具碰撞时始终处于低温环境，避免金属晶粒长大，且抑制所述塑性变形时内部位错的运动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
喷涂完成后，将金属材料从模具上脱模取出。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对模具进行降温处理，具体为：
采用低温液体对模具进行降温处理。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述低温液体为液氮或者液氦中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将金属粉末喷涂至模具的过程中，金属粉末喷涂路径和模具均处于无水环境，所述无水环境指不包含任何形态的水。
6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述模具的硬度大于预设硬度，且质量足够大以保证热容大于预设热容。
7.一种金属材料，其特征在于，所述金属材料通过权利要求1至6任一项所述的方法制备得到。
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