專利名稱：一種大尺寸超細(xì)晶材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新材料加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種大尺寸超細(xì)晶材料的制備方法。
背景技術(shù)：
通常認(rèn)為超細(xì)晶(Ultrafine grains,UFG)的晶粒尺寸范圍為IOOnm < d < I μ m,或IOOnm < d < 500nm。晶粒細(xì)化是目前所知的既能提高強(qiáng)度，又能改善韌性的主要方法。超細(xì)晶組織可以使金屬材料在室溫下具有高的強(qiáng)度和韌性，表現(xiàn)出一系列優(yōu)異的物理、化學(xué)、力學(xué)和成型性能，改善金屬材料的綜合力學(xué)性能。制備超細(xì)晶的方法主要有如下兩種:(I)Top-down工藝，旨在通過加工工藝細(xì)化常規(guī)組織材料的晶粒。(2)Bottom-up工藝，旨在從原子和分子的基礎(chǔ)上合成細(xì)小晶粒組織。通常制備UFG組織的方法有:快速凝固(Rapid solidification)、機(jī)械合金化(Mechanical alloying)、氣相沉積(Vapor deposition)和強(qiáng)塑性變形(Severe plasticdeformation, SPD)等,其中快速凝固、機(jī)械合金化和氣相沉積均屬于Bottom-up工藝,其原理為對用不同技術(shù)制得的粉體進(jìn)行致密化，利用這些方法制備的材料存在內(nèi)部缺陷過多、制粉或者粉體團(tuán)聚過程中的污染、材料的晶粒尺寸增大等問題，這些問題嚴(yán)重制約了Bottom-up工藝的應(yīng)用；強(qiáng)塑性變形(SPD)屬于Top-down工藝，由加工工藝的不同又可分為高壓扭轉(zhuǎn)技術(shù)(HPT)、多向鍛壓技術(shù)(MAC)、等通道等角擠壓技術(shù)(ECAP)、累積輥壓接合技術(shù)(ARB)等。強(qiáng)塑性變形(sro)的實(shí)質(zhì)是在變形過程中保持坯料的外形基本不變，通過反復(fù)循環(huán)累積變形，從而實(shí)現(xiàn)晶粒尺寸的細(xì)化。通過強(qiáng)塑性變形工藝可將不同的合金晶粒細(xì)化到Ium以下，同時(shí)材料內(nèi)部的缺陷較少，但存在制備材料的尺寸較小、設(shè)備要求高等不足。
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較高壓扭曲變形法(HPT)是試樣在壓頭與模具之間承受約幾個(gè)GPa的壓力作用，同時(shí)由于上模的旋轉(zhuǎn)，試樣還將受到剪切變形力，從而獲得很大的塑性變形，但由于模具要承受高壓，而且不能制備尺寸更大的超細(xì)晶材料，因此高壓扭轉(zhuǎn)的應(yīng)用受到了很大限制。高壓扭轉(zhuǎn)變形法目前只能制備出直徑12 20mm,厚度0.2 Imm的超細(xì)晶金屬圓片。多次鍛壓法(MF)是試樣在變形過程中，可在三個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)，以保證試樣截面尺寸，利于多次變形，Imaye等人對T1-48Al_2Nb_2Cr合金進(jìn)行多次鍛造，獲得了平均晶粒尺寸為0.3μηι的等軸晶。然而,無約束的多次鍛造，即使是在一定的溫度下(0.4 0.5Tm),也很難保證試樣不開裂。它已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了 Ti及其合金，不銹鋼的超細(xì)化。等通道等角擠壓技術(shù)(ECAP)是利用由兩個(gè)相交的等徑通道組成的模具使金屬獲得大的塑性剪性變形，試樣變形前后的形狀和尺寸不發(fā)生改變，因而可以進(jìn)行多次變形。較高壓扭曲變形法和多次鍛壓法，等通道等角擠壓技術(shù)制備試樣尺寸已超過20 X 20 X IOOmm的塊體材料，且能保證試樣在變形過程中不開裂，但該方法對模具以及壓力的要求較高，模具要承受高壓，因此等通道等角擠壓技術(shù)的應(yīng)用受到很大的限制。累積輥壓接合技術(shù)(ARB)是將表面進(jìn)行脫脂及加工硬化等處理后的尺寸相等的兩塊金屬薄板材料在一定溫度下疊軋并使其自動(dòng)焊合，然后重復(fù)進(jìn)行相同的工藝反復(fù)疊軋焊合，從而使材料的組織得到細(xì)化。該方法實(shí)現(xiàn)了大尺寸板材超細(xì)晶的制備，相比于其他的強(qiáng)塑性變形工藝有生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)率高、可生產(chǎn)大尺寸板材超細(xì)晶等優(yōu)勢，被認(rèn)為是強(qiáng)塑性變形工藝中唯一有希望工業(yè)化生產(chǎn)大塊超細(xì)晶金屬材料的方法，但由于其加工工藝復(fù)雜，表層清理、疊合等工藝技術(shù)要求高，且產(chǎn)品中存在明顯的焊合帶，嚴(yán)重影響了其性能，同時(shí)單道次大變形量也決定了它只適合于薄板材料，制約了累積輥壓接合技術(shù)(ARB)的工業(yè)化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
為解決目前制備超細(xì)晶材料中存在的問題，本發(fā)明提供了一種在多次鍛壓法的基礎(chǔ)上，加模具限制試樣變形，再結(jié)合鍛壓或軋制技術(shù)，制備大尺寸超細(xì)晶材料的方法。本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下:本發(fā)明所公 開的大尺寸超細(xì)晶材料的制備方法，是在多次鍛壓法的基礎(chǔ)上，加模具限制試樣變形，再結(jié)合鍛壓或軋制技術(shù)，制備大尺寸超細(xì)晶材料。本發(fā)明所公開的大尺寸超細(xì)晶材料的制備方法的詳細(xì)制備步驟如下:(I)先將液壓機(jī)壓頭下壓速率調(diào)整為5-lOmm/s，將被成型材料放入模具中；(2)將液壓機(jī)壓頭緩慢靠近模具中的被成型材料，被成型材料在模具腔內(nèi)四面受限，兩面在壓力作用下進(jìn)行延展；(3)被成型材料按照應(yīng)變軸X — Y — Z — X進(jìn)行換方向壓縮，被成型材料每旋轉(zhuǎn)90度為一道次變形，控制每道次的等效應(yīng)變在0.2-0.7之間，保持被成型材料尺寸不變；(4)變形5-20道次后，將被成型材料轉(zhuǎn)移至一系列不同尺寸的模具中，被成型材料在每個(gè)模具中同樣四面受限，兩面可以在壓力作用下延展，被變形材料發(fā)生尺寸改變，得到所需的大尺寸超細(xì)晶材料。上述步驟也可以是:(I)先將液壓機(jī)壓頭下壓速率調(diào)整為5-lOmm/s，將被成型材料放入模具中；(2)將液壓機(jī)壓頭緩慢靠近模具中的被成型材料，被成型材料在模具腔內(nèi)四面受限，兩面在壓力作用下進(jìn)行延展；(3)被成型材料按照應(yīng)變軸X — Y — Z — X進(jìn)行換方向壓縮，被成型材料每旋轉(zhuǎn)90度為一道次變形，控制每道次的等效應(yīng)變在0.2-0.7之間，其等效應(yīng)變由公式ε = ln(h0/h)計(jì)算(其中:h0為試樣原始高度，h為試樣變形后高度)，保持被成型材料尺寸不變；(4)變形5-20道次后，進(jìn)行室溫小變形量多道次輥軋?zhí)幚?，設(shè)定軋機(jī)軋輥速率為100-200m/s，分2-10道次軋制，每次變形量5% -15%，經(jīng)多道次輥軋至所需厚度，得到所需的大尺寸超細(xì)晶材料。本發(fā)明所公開的大尺寸超細(xì)晶材料的制備方法，其中，液壓機(jī)的最大負(fù)荷為100t。本發(fā)明所公開的大尺寸超細(xì)晶材料的制備方法，其中，步驟(2)中，壓縮過程中以MoS2為潤滑劑。本發(fā)明所公開的大尺寸超細(xì)晶材料的制備方法，將得到的超細(xì)晶材料進(jìn)行退火處理，以消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定組織，退火溫度為100°c -200°c，時(shí)間為30-60min。本發(fā)明的大尺寸超細(xì)晶材料制備方法的優(yōu)點(diǎn)如下:
(I)成本低，工藝簡單:本方法在企業(yè)現(xiàn)有傳統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備上即可實(shí)施，不需添加其它特殊的設(shè)備，不僅操作簡單，且在提高金屬材料回收利用率上具有很大的優(yōu)越性。(2)生產(chǎn)率高:可以生產(chǎn)具有大尺寸超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的金屬材料，根據(jù)原始試樣的尺寸及所需，在原試樣的基礎(chǔ)上，可以生產(chǎn)不同厚度及尺寸的超細(xì)晶材料，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。


下面結(jié)合附圖及實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。圖1為改進(jìn)了的多次鍛壓工藝制備大尺寸超細(xì)晶金屬材料示意圖。圖2為改進(jìn)了的多次鍛壓工藝換方向壓縮方式示意圖。圖3為一系列不同模腔尺寸放大變形模具。圖4為本方法制備過程中原始試樣(a)，改進(jìn)了的多次鍛壓后試樣(b)，最終制得試樣(C)的外觀形貌照片。圖5為本方法鍛壓制備純Al試樣的超細(xì)晶材料鍛面透射照片。圖6為本方法輥軋制備純Al試樣的超細(xì)晶材料軋面透射照片。圖7為本方法輥軋制備A1-4CU試樣的超細(xì)晶材料軋面透射照片。
具體實(shí)施例方式下面的實(shí)施例是對本 發(fā)明的進(jìn)一步詳細(xì)描述。實(shí)施例1本例屬于改進(jìn)多向壓縮變形后小變形量多道次輥軋制備純Al超細(xì)晶材料的一種方法。具體過程如下:制備純Al試樣，其尺寸為36mmX 36mmX 24mm，在多次鍛壓法(MF)的基礎(chǔ)上，加模具限制試樣變形方式，參照圖1。實(shí)驗(yàn)采用型號為WE100，最大負(fù)荷為IOOt的液壓機(jī)，設(shè)定液壓機(jī)壓頭下壓速率為5-lOmm/s，試樣在模腔內(nèi)四面受限，兩面在壓力作用下可以延展，試樣按應(yīng)變軸X — Y — Z — X進(jìn)行換方向壓縮，參照圖2。以MoS2做潤滑，試樣每旋轉(zhuǎn)90°為一道次變形，每道次控制壓頭下壓量為12mm，保持試樣尺寸不變。變形15道次后，轉(zhuǎn)移至一系列具有不同模腔尺寸的模具中，參照圖3。第一個(gè)模具內(nèi)腔尺寸為36mmX48mm，將變形后試樣放入第一個(gè)模具內(nèi)，在相同變形速率下壓縮至試樣底面完全填充內(nèi)腔，此時(shí)試樣的高度厚度約為18_。第二個(gè)模具內(nèi)腔尺寸為48_X54mm，將經(jīng)第一個(gè)模具變形后試樣放入，在相同變形速率下壓縮至試樣底面完全填充內(nèi)腔，此時(shí)試樣的高度厚度約為12mm。第三個(gè)模具內(nèi)腔尺寸為54_X96mm，將經(jīng)第二個(gè)模具變形后試樣放入，在相同變形速率下壓縮至試樣底面完全填充內(nèi)腔,此時(shí)試樣的高度厚度約為6mm。在相同原始試樣尺寸的情況下，多次鍛壓法可制備的超細(xì)晶材料尺寸小于36mmX 36mmX 24mm,該發(fā)明最終可得試樣尺寸為54mmX96mmX6mm,尺寸明顯增大。經(jīng)變形后，平均晶粒尺寸由原始30-50 μ m細(xì)化到500-700nm左右，硬度由原始HV25-30強(qiáng)化到HV60-75，抗拉強(qiáng)度由原始100_130MPa提高至150-180MPa。將變形后的試樣進(jìn)行退火處理，退火溫度為100°C _200°C，時(shí)間為30_60min，以消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定組織。圖4為本方法制備過程中原始試樣(a)，改進(jìn)了的多次鍛壓后試樣(b)，最終制得試樣(c)的外觀形貌照片。圖5顯示的是經(jīng)過本方法處理后的透射電子顯微鏡組織，具有明顯的超細(xì)晶組織結(jié)構(gòu)。實(shí)施例2本例屬于改進(jìn)多向壓縮變形后小變形量多道次輥軋制備純Al超細(xì)晶材料的一種方法。具體過程如下:制備純Al試樣，其尺寸為36mmX36mmX24mm，在多次鍛壓法(MF)的基礎(chǔ)上，力口模具限制試樣變形方式，參照圖1。實(shí)驗(yàn)采用型號為WE100，最大負(fù)荷為IOOt的液壓機(jī)，設(shè)定液壓機(jī)壓頭下壓速率為5-lOmm/s，試樣在模腔內(nèi)四面受限，兩面在壓力作用下可以延展，試樣按應(yīng)變軸X — Y — Z — X進(jìn)行換方向壓縮，參照圖2。以MoS2做潤滑，試樣每旋轉(zhuǎn)90°為一道次變形，每道次控制壓頭下壓量為12mm，保持試樣尺寸不變。變形15道次后，進(jìn)行室溫小變形量多道次輥軋?zhí)幚?。設(shè)定軋機(jī)軋輥速率100-200m/s，分6道次軋制，每次變形量5-15%。在相同原始試樣尺寸的情況下，多次鍛壓法可制備的超細(xì)晶材料尺寸小于36mm X 36mm X 24mm,該方法最終可得試樣尺寸為44mm X 86mm X 6mm,尺寸明顯增大，參照圖
6。經(jīng)變形后，平均晶粒尺寸由原始30-50um細(xì)化到500_700nm左右，硬度由原始HV25-30強(qiáng)化到HV65-80，抗拉強(qiáng)度由原始100-120MPa提高至160_180MPa。將變形后的試樣進(jìn)行退火處理，退火溫度為100°C _200°C，時(shí)間為30-60min，以消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定組織。圖7顯示的是經(jīng)過多向壓縮軋制變形后的純鋁透射電子顯微鏡組織照片。實(shí)施例3本例屬于改進(jìn)多向壓縮變形后小變形量多道次輥軋制備A1-4CU超細(xì)晶材料的一種方法。具體過程如下:制備A1-4CU試樣，其 尺寸為36mmX 36mmX 24臟，在多次鍛壓法(MF)的基礎(chǔ)上，力口模具限制試樣變形方式，參照圖1。實(shí)驗(yàn)采用型號為WE100，最大負(fù)荷為IOOt的液壓機(jī)，設(shè)定液壓機(jī)壓頭下壓速率為5-lOmm/s，試樣在模腔內(nèi)四面受限，兩面在壓力作用下可以延展，試樣按應(yīng)變軸X — Y — Z — X進(jìn)行換方向壓縮，參照圖2。以MoS2做潤滑，試樣每旋轉(zhuǎn)90°為一道次變形，每道次控制壓頭下壓量為12mm，保持試樣尺寸不變。變形一定道次(15)后，進(jìn)行室溫小變形量多道次輥軋?zhí)幚?。設(shè)定軋機(jī)軋輥速率100-200m/s，分6道次軋制，每次變形量5-10%。在相同原始試樣尺寸的情況下，多次鍛壓法可制備的超細(xì)晶材料尺寸小于36mmX 36mmX 24mm,該方法最終可得試樣尺寸為54mmX 96mmX 6mm,尺寸明顯增大，參照圖
4。經(jīng)變形后，平均晶粒尺寸由原始30-50 μ m細(xì)化到300-500nm左右，硬度由原始HV50-90強(qiáng)化到HV130-150，抗拉強(qiáng)度由原始200-250MPa提高至350_500MPa。將變形后的試樣進(jìn)行退火處理，退火溫度為150°C _300°C，時(shí)間為30-60min，以消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定組織。圖7顯示的是經(jīng)過多向壓縮軋制變形后的純鋁透射電子顯微鏡組織照片。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。
權(quán)利要求
1.一種大尺寸超細(xì)晶材料的制備方法，其特征在于，本方法是在多次鍛壓法的基礎(chǔ)上，加模具限制試樣變形，再結(jié)合鍛壓或軋制技術(shù)，制備大尺寸超細(xì)晶材料。
2.如權(quán)利要求I所述的大尺寸超細(xì)晶材料制備方法，其特征在于，該方法的詳細(xì)制備步驟如下 (1)先將液壓機(jī)壓頭下壓速率調(diào)整為5-lOmm/s，將被成型材料放入模具中； (2)將液壓機(jī)壓頭緩慢靠近模具中的被成型材料，被成型材料在模具腔內(nèi)四面受限，兩面在壓力作用下進(jìn)行延展； (3)被成型材料按照應(yīng)變軸X— Y — Z — X進(jìn)行換方向壓縮，被成型材料每旋轉(zhuǎn)90度為一道次變形，控制每道次的等效應(yīng)變在O. 2-0. 7之間，保持被成型材料尺寸不變； (4)變形5-20道次后，將被成型材料轉(zhuǎn)移至一系列不同尺寸的模具中，被成型材料在每個(gè)模具中同樣四面受限，兩面可以在壓力作用下延展，被變形材料發(fā)生尺寸改變，得到所需的大尺寸超細(xì)晶材料。
3.如權(quán)利要求I所述的大尺寸超細(xì)晶材料制備方法，其特征在于，該方法的詳細(xì)制備步驟如下 (1)先將液壓機(jī)壓頭下壓速率調(diào)整為5-lOmm/s，將被成型材料放入模具中； (2)將液壓機(jī)壓頭緩慢靠近模具中的被成型材料，被成型材料在模具腔內(nèi)四面受限，兩面在壓力作用下進(jìn)行延展； (3)被成型材料按照應(yīng)變軸X— Y — Z — X進(jìn)行換方向壓縮，被成型材料每旋轉(zhuǎn)90度為一道次變形，控制每道次的等效應(yīng)變在O. 2-0. 7之間，保持被成型材料尺寸不變； (4)變形5-20道次后，進(jìn)行室溫小變形量多道次輥軋?zhí)幚?，設(shè)定軋機(jī)軋輥速率為100-200m/s,分2-10道次軋制，每次變形量5% -15%,經(jīng)多道次輥軋至所需厚度，得到所需的大尺寸超細(xì)晶材料。
4.如權(quán)利要求2或3所述的大尺寸超細(xì)晶材料的制備方法，其特征在于，所述液壓機(jī)的最大負(fù)荷為loot。
5.如權(quán)利要求2或3所述的大尺寸超細(xì)晶材料制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中，壓縮過程中以MoS2為潤滑劑。
6.如權(quán)利要求2或3所述的大尺寸超細(xì)晶材料制備方法，其特征在于，將成型的超細(xì)晶材料進(jìn)行退火處理，退火溫度為100°C _200°C，時(shí)間為30-60min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大尺寸超細(xì)晶材料的制備方法，本發(fā)明方法是在多次鍛壓法的基礎(chǔ)上，加模具限制試樣變形，再結(jié)合鍛壓或軋制技術(shù)，制備超細(xì)晶材料。本法的制備過程如下試樣在模腔內(nèi)四面受限，兩面可以在壓力作用下延展，試樣按應(yīng)變軸X→Y→Z→X進(jìn)行換方向壓縮，每旋轉(zhuǎn)90°為一道次。經(jīng)此模具變形一定道次后，將試樣轉(zhuǎn)移至一系列不同模腔尺寸的模具中，樣品在任意一個(gè)模具中同樣四面受限，兩面可以在壓力作用下延展，試樣尺寸發(fā)生改變，形成大尺寸超細(xì)晶材料?；?qū)⒔?jīng)過加工變形的試樣進(jìn)行小變形量多道次輥軋，經(jīng)多道次輥軋至所需厚度，形成所需大尺寸超細(xì)晶材料。本發(fā)明方法具有成本低、工藝簡單、生產(chǎn)率高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號C22F1/04GK103255361SQ20131013503
公開日2013年8月21日 申請日期2013年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月18日
發(fā)明者許曉嫦, 趙鳳曉, 張奇, 鄭子樵 申請人:中南大學(xué)