本發(fā)明屬于材料制備領(lǐng)域，具體涉及具有表面納米層和內(nèi)置骨架的雙金屬復(fù)合棒材及制備方法。

背景技術(shù)：

1、鋁及其合金是日常生產(chǎn)活動中，結(jié)構(gòu)輕量化使用量最大的金屬材料，其化學(xué)穩(wěn)定性較高，塑性好，有著無可替代的優(yōu)點。6系鋁合金主要以si、mg作為合金元素，是依靠si、mg在固溶處理時效析出作為強化手段的熱處理強化鋁合金，作為中強度鋁合金應(yīng)用具有成型性好、耐高溫、強度較高、耐腐蝕等優(yōu)良性能，廣泛用于建筑型材，需要良好耐蝕性能的大型結(jié)構(gòu)件，卡車、船舶、鐵道車輛結(jié)構(gòu)件，導(dǎo)管，家居等。針對輕質(zhì)高塑性鋁合金，如何提升其強度成為廣大學(xué)者關(guān)注的問題。利用高壓扭轉(zhuǎn)(hpt)、等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ecap)、累積疊軋(arb)等劇烈塑性變形(spd)方法可以制備出晶粒尺寸在100nm以下的塊狀材料，其中大量納米晶晶界、纏結(jié)位錯和合金元素對塊狀金屬起到強化作用，進而提升其強度。maowen?liu等人通過hpt制備超高強度的納米結(jié)構(gòu)2024鋁合金，其屈服強度由288mpa提升至824mpa，硬度由123hv提升至234hv，變形后屈服強度約是變形前屈服強度的3倍，硬度較變形前提升111hv；然而斷裂延伸率由17％降低至不到2％。可以看出，spd雖然導(dǎo)致強度顯著提高，但隨之延伸率也急速下降。因此需要探索一種犧牲少量延伸率的同時能夠提升材料強度的材料加工方法。

2、奧氏體不銹鋼韌性高、塑性好、焊接性能好，同時兼具良好的冷熱加工性能和耐腐蝕性能，且無磁性，成為應(yīng)用最廣泛的不銹鋼。奧氏體不銹鋼中，304l不銹鋼因良好的力學(xué)性能、抗氧化性和易成型性而廣泛應(yīng)用于石油化工、機械制造等領(lǐng)域中。

3、大量研究表明，對材料表面進行強化處理，改變表層晶粒組織結(jié)構(gòu)大小，使表面晶粒發(fā)生塑性變形從而形成納米層，可以有效提升材料綜合性能。研究人員現(xiàn)今已經(jīng)探索出多種表面處理方法，表面機械碾壓(smgt)可以在大塊金屬的表面層合成梯度納米微組織。該技術(shù)的工作原理與機床切削加工類似，將硬質(zhì)金屬球壓入材料表面后，再推動金屬球，使之和材料發(fā)生相對移動，球丸和表面晶粒之間的摩擦力促使材料表面發(fā)生塑性變形。隨著碾磨次數(shù)的增加，應(yīng)變量也隨之增加。本發(fā)明通過表面機械碾磨(smgt)細化復(fù)合棒表面晶粒尺寸，使晶粒細化到納米級別，提升其強度硬度，同時保留芯部粗晶結(jié)構(gòu)，保持較高塑性。材料的結(jié)構(gòu)單元在空間上呈梯度變化，由芯部的粗晶連續(xù)減小到表層的納米晶，使得材料兼具高強度與高韌性，同時還具有良好的抗疲勞性能和耐磨性。最終探索出一種犧牲少量延伸率的同時能夠提升材料強度的材料加工方法，得到高塑性高強度的不銹鋼-鋁復(fù)合棒材。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種具有表面納米層和內(nèi)置骨架的雙金屬復(fù)合棒材及制備方法，本發(fā)明將3d打印技術(shù)、鑄造技術(shù)和旋轉(zhuǎn)鍛造技術(shù)相結(jié)合，先使用3d打印技術(shù)形成304l內(nèi)置不規(guī)則多孔骨架結(jié)構(gòu)的不銹鋼管道，再將6061鋁合金澆鑄到不銹鋼管道中，得到不銹鋼-鋁合金復(fù)合棒，利用旋轉(zhuǎn)鍛造技術(shù)使不銹鋼與鋁合金緊固結(jié)合，再利用表面機械碾磨技術(shù)使復(fù)合棒表面形成納米層，最終獲得具有高強度、高塑性特點的金屬復(fù)合材料棒材。

2、實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種具有表面納米層和內(nèi)置骨架的雙金屬復(fù)合棒材的制備方法，包括如下步驟：

3、步驟(1)：準(zhǔn)備不銹鋼粉末和鋁合金；

4、步驟(2)：構(gòu)建內(nèi)置多孔骨架的不銹鋼棒狀模型；

5、步驟(3)：采用選區(qū)激光熔化slm打印成型步驟(2)的模型，得到內(nèi)置多孔骨架的不銹鋼棒材；

6、步驟(4)：熔化6061鋁合金；

7、步驟(5)：將不銹鋼棒材加熱到超過鋁合金熔點20-40℃，再將鋁合金溶液澆鑄到骨架孔隙中，得到初始復(fù)合棒材；

8、步驟(6)：使用線切割切去復(fù)合棒材頂端帶有澆口杯部分；

9、步驟(7)：對步驟(6)中得到的復(fù)合棒材加熱保溫后進行旋鍛，得到拉長復(fù)合棒材；

10、步驟(8)：對拉長復(fù)合棒材進行表面機械碾磨，最終得到擁有表面納米層和內(nèi)置不銹鋼骨架的金屬復(fù)合棒材。

11、進一步的，步驟(1)中的不銹鋼粉末為304l不銹鋼粉末，粉末的顆粒尺寸范圍為16-52μm；鋁合金為6061鋁合金。

12、進一步的，步驟(2)構(gòu)建的內(nèi)置多孔骨架的不銹鋼棒狀模型的結(jié)構(gòu)為：頂部帶有澆口杯，外殼呈管道形狀，內(nèi)部支撐為基于泰森多邊形voronoi結(jié)構(gòu)的隨機多孔骨架結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)平均孔徑d和孔隙率p兩個參數(shù)來控制模型整體結(jié)構(gòu)，其中d參數(shù)范圍為1-3mm，p參數(shù)范圍為60-80％，整體呈圓棒形。

13、進一步的，步驟(3)中選區(qū)激光熔化采用的工藝參數(shù)為：激光功率為170-260w，掃描速度為750-850mm/s，掃描間距為100μm，采用交叉疊加方式進行激光掃描，層與層之間夾角為67°。

14、進一步的，步驟(3)在選區(qū)激光熔化slm的成型過程中工作艙內(nèi)充滿氮氣。

15、進一步的，步驟(4)具體為：使用電磁感應(yīng)加熱爐對6061鋁合金熔煉，熔煉溫度570-680℃，加熱過程中向合金添加精煉劑除渣，完成后令合金保溫在熔煉溫度，準(zhǔn)備澆鑄。

16、進一步的，步驟(5)鋁合金溶液通過錐形澆口杯流入骨架孔隙中，鋁合金和不銹鋼骨架穩(wěn)固結(jié)合，至此，形成初始不銹鋼-鋁合金復(fù)合棒材。

17、進一步的，步驟(7)對初始不銹鋼-鋁合金復(fù)合棒材加熱保溫，溫度為鋁合金熔點的80％，保溫時間8-10min，保溫后進行單次壓下量為5％，總變形量為20-50％的旋鍛，形成長成復(fù)合棒材。

18、進一步的，步驟(8)中碾磨壓頭為直徑14mm的wc/co球體，復(fù)合棒旋轉(zhuǎn)速度v1為140-160r/min，壓頭運動速度v2為4-6mm/min，單次壓入深度為20-50μm，加工5道次，總壓入量100-250μm；最終得到內(nèi)置骨架且具有均勻的表面納米晶層和芯部粗晶的不銹鋼-鋁合金復(fù)合棒。

19、一種具有表面納米層和內(nèi)置骨架的雙金屬復(fù)合棒材，采用上述的方法制備。

20、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點在于：

21、(1)本發(fā)明中的內(nèi)置骨架是基于泰森多邊形(voronoi)結(jié)構(gòu)設(shè)計的隨機多孔骨架結(jié)構(gòu)，多孔金屬結(jié)構(gòu)是兼顧結(jié)構(gòu)和功能的一體化材料，有著優(yōu)異的比強度和比剛度，具有吸能減震、多功能承載、隔音隔熱等功能；可以通過調(diào)節(jié)平均孔徑d和孔隙率p兩個參數(shù)來控制模型整體結(jié)構(gòu)，不僅設(shè)計性強、結(jié)構(gòu)可控，在受到外力沖擊時也能保持更好的穩(wěn)固性。

22、(2)本發(fā)明將鋁合金溶液澆鑄到固相不銹鋼多孔骨架中，上下互通的孔隙提高了鋁合金溶液流通性，兩種金屬之間通過熔合、擴散等作用復(fù)合在一起，形成冶金結(jié)合；這種固-液復(fù)合技術(shù)工序簡單、受外形條件約束小、工藝設(shè)備要求簡單、生產(chǎn)效率較高，具有良好的發(fā)展前景。

23、(3)與實體金屬相比，打印多孔不銹鋼結(jié)構(gòu)和向其澆鑄低密度鋁合金都使復(fù)合棒材進一步輕量化，實現(xiàn)減重和環(huán)境效益之間的平衡。

24、(4)對初始復(fù)合棒材進一步旋鍛處理，使內(nèi)部凝固的鋁合金與不銹鋼骨架結(jié)合更牢固，內(nèi)部組織更加致密，進一步消除少量由3d打印和澆鑄引起的缺陷；同時可以利用旋鍛技術(shù)調(diào)控復(fù)合棒長度，使其生產(chǎn)應(yīng)用范圍更加廣泛。

25、(5)本發(fā)明中旋鍛技術(shù)主要作用為使復(fù)合棒材內(nèi)部骨架和澆鑄溶液緊固結(jié)合，控制復(fù)合棒長度，表面納米層還需要利用表面機械碾磨完成；在表面機械碾磨過程中，可以通過調(diào)控壓入量和壓入道次調(diào)節(jié)粗晶和納米晶內(nèi)外層比例，從而實現(xiàn)塑性和強度匹配調(diào)整。

26、(6)本發(fā)明使用的激光選區(qū)熔化技術(shù)、鑄造、旋轉(zhuǎn)鍛造技術(shù)、表面機械碾磨等技術(shù)成熟，材料成本低，易實現(xiàn)工業(yè)化，經(jīng)濟和環(huán)保效益高，推動棒材結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)智能化和綠色化。