[发明专利]一种纳米结构金属材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及具有纳米结构特征的金属材料的制备方法，具体地说，本发明涉及一种基于塑性变形原理制备具有纳米结构特征的金属材料。

背景技术

纳米结构金属材料是指显微组织结构(至少在一个尺度上)具有纳米特征的单相或多相金属(包括纯金属及合金)。由于纳米金属材料相对于传统金属材料具有高的缺陷密度，如空位，位错，亚晶界、晶界等，纳米材料通常具有不同于，且通常优于相应的粗晶材料的优异性能，如优异的力学性能，高的扩散性能，良好的电、磁学性能等。

迄今为止，已经研发出多种涉及纳米结构金属材料的制备方法。按其不同的制备工艺路线可以分为：(a)自下而上的制备方法，如球磨热压、气相冷凝、电沉积等；(b)自上而下的制备方法，如等通道角挤压，层叠轧合等。但上述制备方法由于本身固有的局限性，存在一些缺点，如球磨热压法所制备的纳米结构金属材料不可避免的存在孔洞，杂质污染以及不致密等问题；等通道角挤压方法仅能制备圆形或矩形截面试样，所制备材料形状受到极大限制，且需要大吨位的压力设备；层叠轧合方法存在孔洞以及轧制层间结合问题。以上制备工艺所制备的纳米材料存在各种显微缺陷的同时，也难以制备出大尺寸材料，以满足工程实际需求，尤其是作为结构材料方面的需求。因此纳米材料的制备方法一直是制约纳米材料研究深入开展以及工程上广泛应用的主要瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米结构金属材料的制备方法，该制备方法具有工艺简单，所制备的纳米金属材料尺寸大，易于大规模工业化生产等特点，且易与传统金属材料的制备工艺进行对接，具有广泛的工业基础和应用价值。采用本发明制备的纳米结构金属材料具有无污染、完全致密等优点。本发明的提出将使纳米结构金属材料作为功能和结构材料的大范围应用成为可能。

本发明的技术方案是：

本发明提供了一种大尺寸纳米结构金属的制备方法，该制备方法所使用的装置是本申请人于同日递交的发明专利申请“一种制备金属材料纳米结构表面层的方法及其装置”中的所述装置，由工件夹持及运动机构、轧辊、轧辊运动机构、温度气氛控制机构、传动机构及驱动机构等组成。利用绕公转轴线高速旋转的轧辊多次轧制所述金属材料，使其发生塑性变形，通过引入高密度晶体缺陷达到细化显微组织的目的。在轧制时所述轧辊绕自转轴线自由旋转，同时所述金属材料与所述轧辊按既定轨迹做有规律的相对运动。一般地，运动方式有两种：运动方式一，所述轧辊仅作旋转运动，而旋转平面保持位置不变，即轧辊没有平移运动，而被处理的所述金属材料按既定的轨迹以匹配的速度做平移运动；运动方式二，被处理的所述金属材料不动、所述轧辊在公转的同时以匹配的速度按既定的轨迹做平移运动，并且所述轧辊的运动轨迹完全覆盖待处理的所述金属材料。

在上述轧制的同时可以通过加热装置，如电加热，或冷却介质，如液氦、液氢、液氮、干冰等，对待处理的金属材料进行加热或冷却以调节所述待处理的金属材料的温度，或通入惰性气体、氮气、氢气等进行保护，或通入渗碳、渗氮反应性气氛以满足不同纳米结构金属制备的需求，以实现不同的处理工艺得到单质或复合纳米结构金属。

其中，轧辊公转速度可以在0.1～20000rpm之间进行调整以获得不同的应变速率，满足不同金属材料处理的要求。轧辊直径可以在1～2000mm之间进行调整以满足不同应用场合对纳米结构金属的需求。

待处理金属材料的运动轨迹及速度无特殊要求，但应保证待处理金属材料的表面被完全覆盖，即待处理金属材料表面完全轧制到，并保证轧制痕迹5％以上的重合度，并且重合度的选取与轧制深度密切相关。

一般情况下，本发明可以通过三种不同的工艺路线实现完全纳米结构金属材料的制备。工艺路线一，当所述金属材料一面被轧制出一定厚度满足要求的纳米结构后，翻转工件按相同的工艺参数轧制仍为粗晶组织的与其相对的另一面，以使待处理金属板在厚度方向的组织全部细化为纳米结构；工艺路线二，当所述金属材料一面被轧制出一定厚度的满足要求的纳米结构后，可以采用机械或其它去除材料方法，去除仍为粗晶结构的材料，得到完全纳米结构的金属材料；工艺路线三，在金属材料两面同时轧制制备纳米结构，如可以采用有两个但不限于两个的轧辊的装置，多个轧辊可以同时在金属材料对称面上轧制制备纳米结构。

本发明具有如下优点：

1、制备方法简单。本方法结合传统轧制工艺和冲击塑性应变细化金属材料显微组织的优点，制备工艺简单，各种工艺参数易于控制。

2、所制备的纳米结构金属材料尺度大，适合于工业化生产。