[发明专利]多层金属复合材料的单工序加工方法

说明书

本发明公开了一种多层金属复合材料的单工序加工方法。本发明以两种或两种以上固态金属或合金为原材料，将不同金属或合金的圆弧工件紧密放置，拼成一个完整管状样品；管状样品的内外壁被约束体完全约束，并对管状样品环形端面或柱面施加压力，同时，让内外约束体绕它们与工件共有中心轴相对转动；工件在高静水压条件下发生切向剪切变形，实现不同金属间接触面的不断增长，形成界面增殖。随着转动角度的不断增大，最初由异种金属圆弧工件紧密接触而形成的的贯穿管状样品内外壁的初始界面，逐渐演变成起、终点分别在管内外壁并在管壁内缠绕数圈的螺旋形界面，从而产生多层金属复合结构。该方法改善了传统制备金属层状复合材料加工方法繁琐、效率低，界面易被环境污染，界面结合质量差等缺点，只需单一工序就能制备所需成分、层数、层厚等的多层金属复合材料。

技术领域

本发明涉及塑性加工领域，具体是一种单工序制备多层金属复合材料加工新方法。

背景技术

诸如晶界、相界以及表面等界面对于材料的性能至关重要，其作用在粗晶、超细晶或者纳米晶等不同微观组织尺度范围均有所体现。特别是纳米结构材料，界面将主导很多材料行为，从而使纳米材料较之粗晶态表现出非凡、独特的性能。

复合材料是由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等两种或两种以上的材料经过复合工艺而制备的多相材料，构成复合材料的几种材料之间的界面依然能够分辨，多种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，从而使复合材料的综合性能往往优于原组成材料而满足各种不同的要求。已被大量运用到航空航天、医学、机械、建筑、核能等行业。界面是复合材料极其重要的微结构，是构成复合材料各组元之间的“纽带”，也是微观应力以及其他“信息”传递的“桥梁”。因此，复合材料是否能获得的优异综合性能，除了与构成复合材料的各个组元自身性能有关外，在很大程度上还取决于复合材料界面(相界)的结构形态、数量、性质等。

层状金属复合材料是将两种或两种以上金属或合金材料进行分层组合形成的一类金属复合材料。与所有复合材料一样，层状金属复合材料内部的界面会显著影响其的物理和力学性质，从而很大程度决定了这类材料的使用性能和服役表现。然而制备具有良好界面结合的层状金属复合材料往往较为困难，一些现有的诸如爆炸复合等方法工艺可控性较差，物理、化学气相沉积及其变种工艺则面临加工效率不高，从成本方面考虑不经济等困扰。其他固-液、液-液相复合工艺也同样存在对所加工金属体现要求苛刻，加工对象选择范围较狭隘等亟需解决的问题。

上世纪90年代出现的累积叠轧(Accumulative Roll Bonding，简称ARB)是最具可行性的固-固相层状金属复合制备方法。其技术如图1所示，板状金属间反复进行传统轧制复合、裁剪、表面处理以及堆叠等多工序。ARB工艺的主要优势在于可以在传统轧机上制备层状金属复合材料，设备简单。随着轧制道次的增加，材料内部等界面不断增加。这些界面的存在会大大降低裂纹的扩展能力，提高材料的断裂韧性和损伤容性性能。[侯红亮,等.航空制造技术,2007,8:003.]但是ARB也存在明显的缺点，即在每次轧制复合之前，都需要对板材进行繁琐的剪裁及表面清洁处理等，无法进行连续高效加工[Tsuji N,etal.Adv.Eng.Mater.2003,5(5):338-344.]。不仅如此，以单一金属铝的ARB加工为例，经过若干道次之后，绝大多数界面都已经难以分辨，然而最后一道轧制工序所产生的复合界面却几乎肉眼可见[M.Eizadjou,H.D.Manesh,K.Janghorban,J.Alloy.Compd.474(2009)406.]，这意味着较之其他界面，ARB工艺的最后一个界面的结合质量不高，而最后一个界面却位于整个多层结构板材的正中央。这势必会影响其使用性能。

鉴于ARB工艺在多层结构的生产效率、层状结构之间的界面结合质量等方面存在的不足，能否通过新型的制备技术克服上述技术缺陷值得关注。