專利名稱：一種低溫下制備難變形金屬塊體納米晶材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬塑性加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及塊體納米晶材料的制備技術(shù)，尤其是一種適用于低溫下使用小能量多次沖擊制備難變形金屬塊體納米晶材料的方法。
背景技術(shù)：
納米材料由于具有不同于常規(guī)粗晶材料，而且通常優(yōu)越于常規(guī)粗晶材料的理化、力學性能而成為當今材料領(lǐng)域中一個重要的研究方向。采用劇烈塑性變形技術(shù)加工的納米材料具有三維尺寸大、清潔致密、無微孔隙等優(yōu)點。這使得其成為最具發(fā)展前景的塊體納米材料制備技術(shù)，受到了越來越多的關(guān)注。典型的劇烈塑性變形技術(shù)包括等通道角擠壓(ECAP)、高壓扭轉(zhuǎn)(HPT)和疊層軋制(ARB)等方法。應用這些方法，人們已經(jīng)成功制備了多種純金屬、合金塊體納米晶材料(如Cu、Al、N1、Fe、碳鋼等)。對于難變形金屬或合金，例如鈦合金、鋯合金等，它們具有較高的屈服強度，通常達到幾百兆帕甚至上千兆帕。在室溫下應用上述劇烈塑性變形方法進行變形的過程中它們表現(xiàn)出很高的變形抗力，難于加工變形。為了克服這種高變形抗力，增加變形的塑性流動性，人們通過提高溫度，在中溫或高溫下進行加工變形。然而，升高溫度增加可加工性的同時又帶來另一個問題。試樣晶粒一方面變形細化，另一方面由于溫度升高，晶粒出現(xiàn)再結(jié)晶、長大粗化，部分抵消了變形細化，使得晶粒細化效果減弱。縱觀近年來在中溫或高溫條件下應用劇烈塑性變形技術(shù)加工的難變形金屬材料，很難發(fā)現(xiàn)獲得塊體納米晶?？梢?，難變形金屬材料在中、高溫度條件下變形并不利于塊體納米化。為了增強室溫下這些材料的可加工性，人們在改良和創(chuàng)新劇烈塑性變形技術(shù)方面作了一些嘗試。例如，增大ECAP模具通道夾角以減小每道次擠壓變形時的等效應變來增加材料的室溫可加工性?；蛘邷p慢ECAP的擠壓速度，使得樣品發(fā)生充分回復，易于變形細化。此外，在ECAP擠壓變形過程中增加靜水壓力可減小材料內(nèi)附加的拉應力，避免出現(xiàn)裂紋，使得材料的可加工性大大增加。近來， 我們提出了“小能量多次沖擊技術(shù)制備塊體納米材料的方法”(專利授權(quán)號:ZL201010286615.7)，通過控制落錘式?jīng)_擊試驗機工作參數(shù)對試樣施加多次沖擊載荷，克服了 ECAP、HPT、ARB等技術(shù)采用靜態(tài)或準靜態(tài)載荷對難變形金屬難于變形的困難，已成功制備了 T1-10V-2Fe-3Al高強度鈦合金塊體納米晶。可是，應當注意到，以上這些針對劇烈塑性變形技術(shù)的改良和創(chuàng)新主要集中在室溫下難變形金屬的塊體納米化。而對低溫下制備難變形金屬的塊體納米晶卻很少涉及，文獻中也鮮有報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種低溫下制備難變形金屬塊體納米晶材料的方法，該方式采用低溫下小能量多次沖擊的方式，將待變形塊體試樣始終浸泡在低溫冷卻液中以獲得所需低溫，然后進行小能量多次沖擊加載，得到難變形金屬材料的塊體納米晶。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的:
這種低溫下制備難變形金屬塊體納米晶材料的方法，包括以下步驟:I)獲得待加工的難變形金屬塊體試樣，難變形金屬為所有屈服強度在百兆帕以上的金屬材料；2)通過液體注入口持續(xù)向落錘沖擊試驗機的砧座凹槽內(nèi)注入低溫冷卻液，將待加工的難變形塊體試樣置于凹槽內(nèi)冷卻液中浸泡；3)將撞擊桿插入砧座凹槽內(nèi)，落錘起吊至指定高度后釋放以沖擊撞擊桿，通過力傳遞實現(xiàn)對難變形金屬塊體試樣的沖擊變形；落錘以5 30次/min的沖擊頻率重復上述
沖擊過程，直到難變形金屬塊體試樣達到指定的變形應變量ε，￡ = 1η|，其中，ε為變形
η
應變量，&為試樣變形前厚度，h為試樣變形后厚度；在整個變形過程中，通過液體注入口持續(xù)向凹槽內(nèi)注入所選的低溫冷卻液，試樣始終浸泡在冷卻液中。進一步，步驟I)中，所述金屬塊體試樣的外形為圓柱形、圓餅形或者長方體形。難變形金屬為鈦、鈦合金或鋯合金。進一步，步驟2)中，所述低溫冷卻液為液氮、液氮和乙醇的混合或者液氮和丙酮的混合。進一步，步驟3)中，難變形金屬塊體試樣的變形應變量ε范圍為I 5 ;落錘錘頭為大截面平底錘頭 ，落錘質(zhì)量為I 20kg，有效沖擊高度選擇范圍為100 2000mm。本發(fā)明具有以下有益效果:本發(fā)明方法低溫下制備難變形金屬塊體納米晶材料的方法采用在低溫下小能量多次沖擊的方式制備難變形金屬塊體納米晶材料，能夠廣泛應用于低溫制備純金屬、合金塊體納米晶材料，特別適用于低溫下制備難變形金屬、合金的塊體納米晶材料。其具有適用低溫范圍廣、制造成本低、操作簡單等優(yōu)點。本發(fā)明的方法在基礎(chǔ)理論研究和實際工程應用方面具有十分廣闊的前景。


圖1為本發(fā)明低溫下制備難變形金屬塊體納米晶材料所采用的落錘式?jīng)_擊試驗機的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，I落錘；2撞擊桿；3砧座凹槽；4液體注入口 ；5試樣；6滑軌；7液體排出口 ；8冷卻液；9砧座。圖2為T1-2Al-2.5Zr合金經(jīng)過800° C退火16小時后的金相形貌照片。圖3為經(jīng)退火處理的T1-2A1_2.5Zr合金利用本發(fā)明技術(shù)在液氮(約-196° C)中變形不同應變量的金相形貌照片:(a) 0.1 ； (b)0.35 ； (c) 1.2。圖4為經(jīng)退火處理的T1-2A1_2.5Zr合金利用本發(fā)明技術(shù)在液氮(約-196° C)中變形不同應變量的透射電子顯微照片:(a)0.1 ； (b)0.35 ； (c) 1.2。圖5為TA2工業(yè)純鈦試樣經(jīng)過800° C退火2小時后的金相形貌照片。圖6為經(jīng)過退火處理的TA2工業(yè)純鈦試樣利用本發(fā)明技術(shù)在液氮+乙醇混合液(約-90° C)中變形1.6應變量后的形貌照片:(a)金相形貌；(b)透射電子顯微形貌。
具體實施方式
本發(fā)明的低溫下制備難變形金屬塊體納米晶材料的方法所使用的裝置為落錘式?jīng)_擊試驗機，其裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，I為落錘，2為撞擊桿,3為站座凹槽,4為液體注入口，5為試樣,6為滑軌,7為液體排出口，8為冷卻液,9為站座。該方法具體包括以下步驟:I)獲得待加工的難變形金屬塊體試樣，該難變形金屬塊體試樣的外形可為圓柱形、圓餅形或者長方體形。本發(fā)明所指的難變形金屬包括鈦及鈦合金、鋯合金等所有屈服強度在百兆帕至幾百兆帕甚至上千兆帕以上的金屬材料。2)通過液體注入口持續(xù)向落錘沖擊試驗機的砧座凹槽3內(nèi)注入低溫冷卻液，將待加工的難變形塊體試樣置于砧座凹槽3內(nèi)冷卻液中浸泡。低溫冷卻液可選擇液氮、液氮與乙醇的混合、液氮與丙酮的混合等任何低溫液態(tài)冷卻介質(zhì)。(3)將撞擊桿2插入砧座凹槽內(nèi)，落錘I起吊至指定高度后釋放以沖擊撞擊桿2，通過力傳遞實現(xiàn)對試樣的沖擊變形。落錘I以5 30次/min的沖擊頻率重復上述沖擊過
程，直到試樣變形達到指定的應變量= 其中，ε為變形應變量，Iitl為試樣變形前
厚度，h為試樣變形后厚度。在整個變形過程中，通過液體注入口持續(xù)向凹槽內(nèi)注入所選的低溫冷卻液，試樣始終浸泡在冷卻液中。這里，試樣變形應變量ε范圍為I 5。落錘I錘頭為大截面平底錘頭，落錘I質(zhì)量為I 20kg，有效沖擊高度選擇范圍為100 2000mm。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明內(nèi)容進行進一步詳細說明，需要指出的是，本發(fā)明并不限于這些實施例。實施例1:液氮(約-196° C)中利用 小能量多次沖擊加載制備難變形金屬T1-2A1_2.5Zr塊體納米晶材料:設備:落錘式?jīng)_擊試驗機(如圖1)；落錘I質(zhì)量:8kg;沖擊有效高度:900mm ；沖擊頻率:8次/min ；低溫液態(tài)冷卻液:液氮(約-196° C);試樣變形應變量:1.2;Τ -2Α1-2.5Zr合金材料:合金實際成分為Ti_l.59 % A1-1.91 % Zr (重量百分比)，試樣尺寸為Φ16ι πιΧ2πιπι。經(jīng)800° C退火16小時后,微觀組織由等軸α相晶粒組成,其晶粒尺寸約100 μ m,金相形貌如圖2所示。試樣在液氮(約-196° C)中經(jīng)過不同應變量的多次沖擊變形后的金相形貌如圖3所示，可以看到變形0.1應變量后，粗晶內(nèi)形成眾多細小、平行的針片狀孿晶。當應變量增加到0.35時，針片狀孿晶碎化，但仍保持原來的位向。當應變量增加到1.2后，原始粗晶完全消失，取而代之的是極其細小的晶粒。經(jīng)過透射電子顯微鏡的進一步放大觀察可以看到，變形0.1應變量后，透射電子顯微形貌顯示為平行的孿晶片。隨著應變量增加到0.35時，孿晶片發(fā)生破碎。當應變量繼續(xù)增加到1.2后，微觀組織由納米晶組成，晶粒尺寸約為50nm，電子衍射圖譜為衍射圓環(huán)，如圖4所示。實施例2:
液氮+乙醇混合液(約-90° C)中利用小能量多次沖擊加載制備難變形金屬TA2工業(yè)純鈦塊體納米晶材料:設備:落錘式?jīng)_擊試驗機；落錘質(zhì)量:5kg ;沖擊有效高度:500mm ；低溫冷卻液:液氮+乙醇混合液(約-90° C)；沖擊頻率:10次/min ；試樣變形應變量:1.6;TA2工業(yè)純鈦材料:試樣尺寸為Φ10πιπιΧ4πιπι。經(jīng)800° C退火2小時后晶粒粗大，約150 μ m，如圖5所示。試樣在液氮+乙醇混合液(約-90° C)中經(jīng)過1.6應變量的多次沖擊變形后的組織形貌如圖6所示?？梢钥吹?，經(jīng)過800° C退火2小時后的TA2工業(yè)純鈦試樣在液氮+乙醇混合液(約-90° C)中利用本發(fā)明技術(shù)變形1.6應變量后，金相形貌顯示為原始粗大晶粒完全消失，取而代之的是極其細小的晶粒。透射電子顯微形貌顯示為微觀組織由納米晶組成，晶粒尺寸約為90nm，電子衍射圖譜為斷續(xù)狀衍射圓環(huán)。實施例3I)獲得待加工的難變形金屬塊體試樣，該難變形金屬塊體試樣的外形可為圓柱形；難變形金屬選擇鈦。2)通過液體注入口持續(xù)向落錘沖擊試驗機的砧座凹槽3內(nèi)注入低溫冷卻液，將待加工的難變形塊體試樣置于砧座凹槽3內(nèi)冷卻液中浸泡。低溫冷卻液可選擇液氮、液氮與乙醇的混合、液氮與丙酮的混合等任何低溫液態(tài)冷卻介質(zhì)。(3)將撞擊桿2插入砧座凹槽內(nèi)，落錘I起吊至指定高度后釋放以沖擊撞擊桿2，通過力傳遞實現(xiàn)對試樣的沖擊變形。落錘I以5次/min的沖擊頻率重復上述沖擊過程，直
到試樣變形達到指定的應變量ε，ε= lnh0/h其中，ε為變形應變量，Iitl為試樣變形前厚度，
h為試樣變形后厚度。在整個變形過程中，通過液體注入口持續(xù)向凹槽內(nèi)注入所選的低溫冷卻液，試樣始終浸泡在冷卻液中。這里，試樣變形應變量ε范圍為I 5。落錘I錘頭為大截面平底錘頭，落錘I質(zhì)量為20kg，有效沖擊高度選擇范圍為100 2000mm。實施例4I)獲得待加工的難變形金屬塊體試樣，該難變形金屬塊體試樣的外形可為圓餅形；難變形金屬選擇鈦合金。2)通過液體注入口持續(xù)向落錘沖擊試驗機的砧座凹槽3內(nèi)注入低溫冷卻液，將待加工的難變形塊體試樣置于砧座凹槽3內(nèi)冷卻液中浸泡。低溫冷卻液可選擇液氮、液氮與乙醇的混合、液氮與丙酮的混合等任何低溫液態(tài)冷卻介質(zhì)。(3)將撞擊桿2插入砧座凹槽內(nèi)，落錘I起吊至指定高度后釋放以沖擊撞擊桿2，通過力傳遞實現(xiàn)對試樣的沖擊變形。落錘I以30次/min的沖擊頻率重復上述沖擊過程，
直到試樣變形達到指定的應變量ε，ε= lnh0/h其中，ε為變形應變量，Iitl為試樣變形前厚
度，h為試樣變形后厚度。在整個變形過程中，通過液體注入口持續(xù)向凹槽內(nèi)注入所選的低溫冷卻液，試樣始終浸泡在冷卻液中。這里，試樣變形應變量ε范圍為I 5。落錘I錘頭為大截面平底錘頭，落錘I質(zhì)量為1kg，有效沖擊高度選擇范圍為100 2000_。實施例5I)獲得待加工的難變形金屬塊體試樣，該難變形金屬塊體試樣的外形可為長方體形；難變形金屬選擇鋯合金。2)通過液體注入口持續(xù)向落錘沖擊試驗機的砧座凹槽3內(nèi)注入低溫冷卻液，將待加工的難變形塊體試樣置于砧座凹槽3內(nèi)冷卻液中浸泡。低溫冷卻液可選擇液氮、液氮與乙醇的混合、液氮與丙酮的混合等任何低溫液態(tài)冷卻介質(zhì)。(3)將撞擊桿2插入砧座凹槽內(nèi)，落錘I起吊至指定高度后釋放以沖擊撞擊桿2，通過力傳遞實現(xiàn)對試樣的沖擊變形。落錘I以20次/min的沖擊頻率重復上述沖擊過程，
直到試樣變形達到指定的應變量= 其中，ε為變形應變量，Iitl為試樣變形前厚
h
度，h為試樣變形后厚度。在整個變形過程中，通過液體注入口持續(xù)向凹槽內(nèi)注入所選的低溫冷卻液，試樣始終浸泡在冷卻液中。這里，試樣變形應變量ε范圍為I 5。落錘I錘頭為大截面平底錘頭，落 錘I質(zhì)量為15kg，有效沖擊高度選擇范圍為100 2000mm。
權(quán)利要求
1.一種低溫下制備難變形金屬塊體納米晶材料的方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)獲得待加工的難變形金屬塊體試樣，難變形金屬為所有屈服強度在百兆帕以上的金屬材料； 2)通過液體注入口持續(xù)向落錘沖擊試驗機的砧座凹槽內(nèi)注入低溫冷卻液,將待加工的難變形塊體試樣置于凹槽內(nèi)冷卻液中浸泡；3)將撞擊桿插入砧座凹槽內(nèi)，落錘起吊至指定高度后釋放以沖擊撞擊桿，通過力傳遞實現(xiàn)對難變形金屬塊體試樣的沖擊變形；落錘以5 30次/min的沖擊頻率重復上述沖擊過程，直到難變形金屬塊體試樣達到指定的變形應變量= 其中，ε為變形應變h量，&為試樣變形前厚度，h為試樣變形后厚度；在整個變形過程中，通過液體注入口持續(xù)向凹槽內(nèi)注入所選的低溫冷卻液，試樣始終浸泡在冷卻液中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫下制備難變形金屬塊體納米晶材料的方法，其特征在于，步驟I)中，所述金屬塊體試樣的外形為圓柱形、圓餅形或者長方體形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫下制備難變形金屬塊體納米晶材料的方法，其特征在于，步驟I)中，難變形金屬為鈦、鈦合金或錯合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫下制備難變形金屬塊體納米晶材料的方法，其特征在于，步驟2)中，所述低溫冷卻液為液氮、液氮和乙醇的混合或者液氮和丙酮的混合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫下制備難變形金屬塊體納米晶材料的方法，其特征在于，步驟3)中，難變形金屬塊體試樣的變形應變量ε范圍為I 5;落錘錘頭為大截面平底錘頭，落錘質(zhì)量為I 20kg，有效沖擊高度選擇范圍為100 2000mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低溫下制備難變形金屬塊體納米晶材料的方法，其將待變形塊體試樣浸泡在低溫冷卻液中以獲得所需低溫，利用落錘沖擊試驗機對塊體試樣進行小能量多次沖擊加載，隨著落錘沖擊次數(shù)和試樣應變量的增加，試樣晶粒逐漸細化。當應變量達到一定值后可得到塊體納米晶材料。在整個變形過程中試樣始終浸泡在低溫冷卻液中，這保證了所需的低溫環(huán)境。該方法特別適用于低溫下難變形金屬塊體納米晶材料的制備。同時，該方法具有適用低溫范圍廣、操作簡單、制造成本低等優(yōu)點。
文檔編號C22F1/18GK103205663SQ201310127478
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月12日
發(fā)明者陳威, 孫巧艷, 肖林, 孫軍, 何正春 申請人:西安交通大學