一種制備塊體納米晶合金材料的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及納米晶合金，具體而言為涉及一種利用冷壓焊技術(shù)制備塊體納米晶合金材料的方法。本發(fā)明利用條帶狀或者片狀合金材料在巨大壓力下與基底材料通過劇烈塑性變形冷焊復(fù)合到一起的特性，將條帶狀納米晶合金材料冷焊成塊體材料，由于冷壓焊過程沒有明顯的升溫現(xiàn)象，因此最終獲得的塊體材料的晶粒與原始條帶不會有明顯差別，即仍為納米晶。
【專利說明】一種制備塊體納米晶合金材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米晶合金，具體而言為涉及一種利用冷壓焊技術(shù)制備塊體納米晶合金材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由Hall-Patch關(guān)系可知，金屬材料的強度與材料的晶粒尺寸成反比，晶粒細化是提高結(jié)構(gòu)材料強度的有效方法之一；同時晶粒細化后對材料的塑性和韌性，甚至物理性能都有很大的改善；因此，在不改變材料成分的如提下使晶粒細化可以有效地提聞材料的強度和改善材料的塑韌性；通過晶粒細化可以制備出超細晶材料(一般認為晶粒尺寸在KTlOOOnm的材料)，由于超細晶材料具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、良好的物理性能以及較好的加工成型性能，無論是在工業(yè)生產(chǎn)還是軍事應(yīng)用中都有著重要的價值和廣闊的前景。
[0003]超細晶材料的制備方法很多，理論上任何能制備出細晶粒尺寸多晶體的方法都可以用來制備超細晶材料；用來制備塊體納米超細晶金屬材料的方法，目前主要可以分為三大類:一是先制備出納米微粒，然后通過原位擠壓制備出塊體；二是非晶晶化法；三是大塑性變形法；其中第一類方法是一種二次凝聚晶體或非晶體，第一次凝聚是由金屬原子形成納米顆粒在保持新鮮表面的條件下，將納米顆粒壓在一起形成塊體凝聚固體，由此制備納米金屬固體的步驟就是所謂的“三步法”:制備納米顆?！w粒收集——固結(jié)。為了防止氧化，上述步驟一般都是在真空中進行，這就給制備納米金屬和合金固體帶來很大困難；而非晶晶化法是最近幾年應(yīng)用較多的制取納米金屬塊體材料的一種方法，這種方法的關(guān)鍵是如何形成金屬非晶進而經(jīng)過可控的熱處理方法獲得納米晶材料或者納米復(fù)合材料，但由于金屬非晶的獲得比較困難，此方法的適用范圍有限；大塑性變形法(Severe plasticdeformation, SPD)是在常溫或相對較低溫度下對材料進行塑性變形，當(dāng)變形量足夠大時，就可獲得超細晶材料，但是，到目前為止，還沒有有效的方法制備致密的塊體納米晶合金材料。
[0004]冷壓焊是在室溫下借助壓力使待焊金屬產(chǎn)生塑性變形而實現(xiàn)固態(tài)焊接的方法。通過塑性變形擠出連接部位界面上的氧化膜等雜質(zhì)，使純金屬緊密接觸，達到晶間結(jié)合，冷壓焊過程中有限的變形速度不會引起接頭部分明顯的升溫，因此不會產(chǎn)生熱焊接頭常見的軟化區(qū)、熱影響區(qū)和脆性中間相；因此，如果利用冷壓焊的原理，將預(yù)先獲得的納米晶合金條帶或片材逐層焊合在一起，則能形成致密的塊體納米晶合金材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出一種制備塊體納米晶合金材料的方法，其原理是:利用條帶狀或者片狀合金材料在巨大壓力下與基底材料通過劇烈塑性變形冷焊復(fù)合到一起的特性，將條帶狀納米晶合金材料冷焊成塊體材料，由于冷壓焊過程沒有明顯的升溫現(xiàn)象，因此最終獲得的塊體材料的晶粒與原始條帶不會有明顯差別，即仍為納米晶。
[0006]一種制備塊體納米晶合金材料的方法，其特征在于:將條帶狀或者片狀納米晶合金材料水平放置在同材質(zhì)基底材料上，定位模具壓在條帶狀或者片狀納米晶材料上，然后通過冷壓沖頭加壓冷焊，一個焊點緊接著上一個焊點，直到將基底材料焊滿，也可以同時冷壓焊一排或者一組焊點，一排或者一組內(nèi)的焊點相互之間緊密排列，排與排或者組與組之間緊密排列，焊成一層后在該焊層上依上述步驟重復(fù)進行，新的焊點壓住前一層焊點的交接處，焊完一層后再冷壓焊新的一層，直至冷壓焊獲得的材料達到指定的厚度 。
[0007]所涉及的條帶狀或者片狀納米晶合金材料是指，采用熔體旋轉(zhuǎn)法制備的鋁、鈦或者銅基納米晶合金條帶材或片材。
[0008]所涉及的同材質(zhì)基底材料是指，與條帶狀或者片狀納米晶合金材料相同的厚度為5^10mm的經(jīng)過脫脂除銹處理表面平整的塊體合金材料，該材料放置在支撐底板上。
[0009]所涉及的定位模具是指，內(nèi)孔尺寸截面為0.5~2.0_X0.5~2.0_，高度為
2.5^4.0mm由模具鋼制作的模具，預(yù)加壓力為3(T50MPa。
[0010]所涉及的冷壓沖頭是指，端面尺寸為0.5^2.0mmX0.5^2.0mm,高度為3.0-5.0mm
的模具鋼沖頭，在定位模具中垂直運動。
[0011]所涉及的加壓冷焊是指，加載應(yīng)力為200(T2500MPa，加載持續(xù)時間為0.5^1.5s進
行冷壓焊。
[0012]所涉及的一個焊點緊接著上一個焊點是指，后一個焊點的位置緊貼前一個焊點。
[0013]所涉及的新的焊點壓住前一層焊點的交接處是指，后一層上的焊點位置在前一層相鄰的三個或者四個焊點的交叉點上。
[0014]本發(fā)明提出的方法，不僅能在塊體納米晶合金材料制備過程中防止納米晶長大，而且焊點可以預(yù)先設(shè)計，成本低、效率高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為冷壓焊過程示意圖，其中，I為沖壓頭，2為定位模具，3為納米晶條帶，4為同材質(zhì)基底材料，5為支撐底板；
圖2為塊體納米晶材料的TEM照片；從圖中可以看出，通過冷壓焊獲得的塊體鋁合金材料仍為納米晶。
【具體實施方式】
[0016]本發(fā)明可以根據(jù)以下實例實施，但不限于以下實例。在本發(fā)明中所使用的術(shù)語，除非有另外的說明，一般具有本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常理解的含義；應(yīng)理解，這些實施例只是為了舉例說明本發(fā)明，而非以任何方式限制本發(fā)明的范圍；在以下的實施例中，未詳細描述的各種過程和方法是本領(lǐng)域中公知的常規(guī)方法。
[0017]實施例1
本實施例具體實施一種制備塊體納米晶鋁合金的方法，其中采用的鋁合金為7055，希望得到的納米晶材料厚度為IOmm ;將通過熔體旋轉(zhuǎn)法制備的納米晶7055鋁合金條帶水平放置在厚度為5mm，長、寬各20mm的7055鋁合金材料上，該塊體合金表面平整且預(yù)先經(jīng)過脫脂除銹處理，定位模具壓在條帶狀納米晶7055鋁合金上，通過冷壓沖頭加壓冷焊，一個焊點緊接著上一個焊點，直到將基底材料焊滿；定位模具采用模具鋼制作，內(nèi)孔尺寸截面為0.5mmX 0.5mm，高度為2.5mm，預(yù)加壓力為40MPa ;冷壓沖頭采用模具鋼制作，端面尺寸為0.5mmX0.5mm,高度為3.0mm ;加壓冷焊的加載應(yīng)力為2300MPa，加載持續(xù)時間為0.5s ;加壓冷焊時后一個焊點的位置緊貼前一個焊點；完成一層后在該焊層上依上述步驟重復(fù)進行，新的焊點壓住前一層條帶焊點的交接處，即后一層上的焊點位置在前一層相鄰的四個焊點的交叉點上，焊完一層后再冷壓焊新一層的條帶，直至冷壓焊獲得的材料厚度達到10mm。
[0018]實施例2
本實施例具體實施一種制備塊體納米晶鋁合金的方法，其中采用的鋁合金為6061，希望得到的納米晶材料厚度為15mm ;將通過熔體旋轉(zhuǎn)法制備的納米晶6061合金條帶水平放置在厚度為10mm，長、寬各25mm的6061鋁合金材料上，該塊體合金表面平整且預(yù)先經(jīng)過脫脂除銹處理，定位模具壓在條帶狀納米晶材料上，通過冷壓沖頭加壓冷焊，一個焊點緊接著上一個焊點，直到將塊體材料焊滿。其中，定位模具采用模具鋼制作，內(nèi)孔尺寸截面為
2.0mmX2.0mm,高度為4.0mm,預(yù)加壓力為50MPa ;冷壓沖頭采用模具鋼制作，端面尺寸為
2.0mmX 2.0mm,高度為5.0mm ;加壓冷焊的加載應(yīng)力為2000MPa，加載持續(xù)時間為1.5s ;加壓冷焊時后一個焊點的位置緊貼前一個焊點；完成一層后在該焊層上依上述步驟重新進行，新的焊點壓住前一層條帶焊點的交接處，即后一層上的焊點位置在前一層相鄰的三個焊點的交叉點上，焊完一層后再冷焊新的條帶，直至冷壓焊獲得的材料厚度達到15_ ;經(jīng)分析，通過冷壓焊獲得的材料完全為納米晶。
[0019]實施例3
本實施例具體實施一種制備塊體納米晶鈦合金的方法，其中采用的鈦合金為Ti6A14V，希望得到的納米晶材料厚度為12mm ;將通過熔體旋轉(zhuǎn)法制備的納米晶Ti6A14V鈦合金條帶水平放置在厚度為6mm，長、寬各20mm的Ti6A14V鈦合金材料上，該塊體合金表面平整且預(yù)先經(jīng)過脫脂除銹處理，定位模具壓在條帶狀納米晶材料上，通過冷壓沖頭加壓冷焊，一個焊點緊接著上一個焊點，直到將基底材料焊滿；其中，定位模具采用模具鋼制作，內(nèi)孔尺寸截面為1.0mmX 1.0mm,高度為3.5mm,預(yù)加壓力為30MPa ;冷壓沖頭采用模具鋼制作,端面尺寸為1.0mmX 1.0mm，高度為4.0mm ;加壓冷焊的加載應(yīng)力為2500MPa，加載持續(xù)時間為0.8s ；加壓冷焊時后一個焊點的位置緊貼前一個焊點；完成一層后在該焊層上依上述步驟重新進行，新的焊點壓住前一層條帶焊點的交接處，即后一層上的焊點位置在前一層相鄰的四個焊點的交叉點上，焊完一層后再冷焊新的條帶，直至冷壓焊獲得的材料厚度達到12mm;經(jīng)分析，通過冷壓焊獲得的材料完全為納米晶。
[0020]實施例4
本實施例具體實施一種制備塊體納米晶銅合金的方法，其中采用的銅合金為H80，希望得到的納米晶材料厚度為20mm ;將1180銅合金納米晶片材水平放置在厚度為10mm，長、寬各20mm的H80銅合金材料上，該塊體合金表面平整且預(yù)先經(jīng)過脫脂除銹處理，定位模具壓在納米晶銅合金片材上，通過冷壓沖頭加壓冷焊，一個焊點緊接著上一個焊點，直到將基底材料焊滿。其中，定位模具采用模具鋼制作，內(nèi)孔尺寸截面為1.5mmX 1.5mm,高度為3.8mm,預(yù)加壓力為40MPa ;冷壓沖頭采用模具鋼制作,端面尺寸為1.5mmX 1.5mm,高度為4.5mm ;加壓冷焊的加載應(yīng)力為2200MPa，加載持續(xù)時間為1.0s ;加壓冷焊時后一個焊點的位置緊貼前一個焊點；完成一層后在該焊層上依上述步驟重新進行，新的焊點壓住前一層條帶焊點的交接處，即后一層上的焊點位置在前一層相鄰的三個焊點的交叉點上，焊完一層后再冷焊新的納米晶銅合金片材，直至冷壓焊獲得的材料厚度達到20mm ;經(jīng)分析，通過冷壓焊獲得 的材料完全為納米晶。
【權(quán)利要求】
1.一種制備塊體納米晶合金材料的方法，其特征在于包括如下步驟:將條帶狀或者片狀納米晶合金材料水平放置在同材質(zhì)基底材料上，定位模具壓在條帶狀或者片狀納米晶材料上，然后通過冷壓沖頭加壓冷焊，一個焊點緊接著上一個焊點，直到將基底材料焊滿，也可以同時冷壓焊一排或者一組焊點，一排或者一組內(nèi)的焊點相互之間緊密排列，排與排或者組與組之間緊密排列，焊成一層后在該焊層上依上述步驟重復(fù)進行，新的焊點壓住前一層焊點的交接處，焊完一層后再冷壓焊新的一層，直至冷壓焊獲得的材料達到指定的厚度。
2.如權(quán)利要求1所述的一種制備塊體納米晶合金材料的方法，其特征在于:所述的條帶狀或者片狀納米晶合金材料是指，采用熔體旋轉(zhuǎn)法制備的鋁、鈦或者銅基納米晶合金條帶材或片材。
3.如權(quán)利要求1所述的一種制備塊體納米晶合金材料的方法，其特征在于:所述的同材質(zhì)基底材料是指，與條帶狀或者片狀納米晶合金材料相同的厚度為5~10_的經(jīng)過脫脂除銹處理表面平整的塊體合金材料，該材料放置在支撐底板上。
4.如權(quán)利要求1所述的一種制備塊體納米晶合金材料的方法，其特征在于:所述的定位模具是指，內(nèi)孔尺寸截面為0.5^2.0mmX0.5^2.0_，高度為2.5^4.0mm由模具鋼制作的模具，預(yù)加壓力為3(T50MPa。
5.如權(quán)利要求1所述的一種制備塊體納米晶合金材料的方法，其特征在于:所述的冷壓沖頭是指，端面尺寸為0.5^2.0mmX0.5^2.0mm，高度為3.0-5.0mm的模具鋼沖頭，在定位模具中垂直運動。
6.如權(quán)利要求1所述的一種制備塊體納米晶合金材料的方法，其特征在于:所述的加壓冷焊是指，加載應(yīng)力為200(T2500MPa，加載持續(xù)時間為0.5^1.5s進行冷壓焊。
7.如權(quán)利要求1所述的一種制備塊體納米晶合金材料的方法，其特征在于:所述的一個焊點緊接著上一個焊點是指，后一個焊點的位置緊貼前一個焊點。
8.如權(quán)利要求1所述的一種制備塊體納米晶合金材料的方法，其特征在于:所述的新的焊點壓住前一層焊點的交接處是 指，后一層上的焊點位置在前一層相鄰的三個或者四個焊點的交叉點上。
【文檔編號】B23K20/00GK103506752SQ201310470694
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月11日
【發(fā)明者】陳剛, 趙玉濤, 季鵬飛, 姜柱 申請人:江蘇大學(xué)