[发明专利]一种多级层状梯度材料的制备方法及其产品

说明书

本发明公开了一种多级层状梯度材料的制备方法及其产品，属于金属材料领域。本发明基于成分梯度引起相变温度呈梯度分布的基本原理，通过低成本、可规模化生产的传统扩散复合与相变热处理工艺制备出多级层状梯度材料。本发明所述的制备方法包括以下步骤：1)选用至少两种可以相互无限固溶的金属材料，且所形成的固溶体具有同素异构相变特征；2)将上述金属材料交替叠放，并实施扩散复合，获得层状梯度材料；3)针对层状梯度材料开展至少一次相变热处理，制备出多级层状梯度材料。通过本发明的制备方法制备的多级层状梯度材料，同时拥有层状与梯度非均质结构，能够实现优异的强/韧性匹配。

技术领域

本发明属于金属材料领域，具体涉及一种多级层状梯度材料的制备方法及其产品。

背景技术

千百年来，提高材料的强度一直是材料领域的重要研究方向。通过合金化、加工硬化、细化组织等方法可在一定范围内显著提高金属材料的强度。然而，这些传统方法在提高金属材料强度时，一般会显著降低金属材料的塑/韧性，从而恶化了金属材料的加工制备性能，同时也降低了金属材料的服役安全性。因此，开发一种金属材料的强度与塑/韧性的协同改善方法，或者提高强度而不显著降低塑/韧性的方法是近年来的研究热点。

梯度材料，严格意义上讲，应该称作“梯度功能复合材料”(简称FGM)，又称倾斜功能材料。古人很早就根据这种思路来炼铁，在日本出土的一把剑刃上，我们可以看到剑锋、刃部和主体的颜色是不同的，这说明它们的成分也是不同的。大自然早就把这个概念引入生物组织中了，例如，动物的骨头就是一种梯度结构，外部坚韧，内部疏松多孔。厨房使用的一把菜刀刀刃部需要硬度高的材料，而其他部位的材料则应该具有高强度和韧性。一般复合材料中分散相是均匀分布的，整体材料的性能是同一的，但是在有些情况下，人们常常希望同一件材料的两侧具有不同的性质或功能，又希望不同性能的两侧结合得完美，从而不至于在苛刻的使用条件下因性能不匹配而发生破坏。从航天飞机的推进系统中最有代表性的超音速燃烧冲压式发动机为例，燃烧气体的温度通常要超过2000℃，对燃烧室壁会产生强烈的热冲击；燃烧室壁的另一侧又要经受作为燃料的液氢的冷却作用，通常温度为－200℃左右。这样，燃烧室壁接触燃烧气体的一侧要承受极高的温度，接触液氢的一侧又要承受极低的温度，一般材料显然满足不了这一要求。于是，人们想到将金属和陶瓷联合起来使用，用陶瓷去对付高温，用金属来对付低温。但是，用传统的技术将金属和陶瓷结合起来时，由于二者的界面热力学特性匹配不好，在极大的热应力下还是会遭到破坏。针对这种情况，1984年，日本科学家平井敏雄首先提出了梯度功能材料的新设想和新概念，并展开研究。这种全新的材料设计概念的基本思想是：根据具体要求，选择使用两种具有不同性能的材料，通过连续地改变两种材料的组成和结构，使其内部界面消失，从而得到功能相应于组成和结构的变化而渐变的非均质材料，以减小和克服结合部位的性能不匹配因素。例如，对上述的燃烧室壁，在陶瓷和金属之间通过连续地控制内部组成和微细结构的变化，使两种材料之间不出现界面，从而使整体材料具有耐热应力强度和机械强度也较好的新功能。

经过亿万年的进化，自然界中存在许多综合性能十分优异的材料，比如骨骼、牙齿、贝壳等。这些生物材料的微结构往往不均匀，而是呈梯度、层状等分布，即通过构成组元的结构优化达到优异的强/韧匹配。受此启发，人们发展了表面梯度加工方法、层状复合法等方法，加工制备出了表面纳米梯度材料、层状复合材料等新型非均质材料。研究结果表明：梯度、层状等结构能够较好地抑制纳米晶过早的应变局域化问题、提高材料加工硬化能力、增加微裂纹扩展功，进而改善金属材料的强/韧匹配性能。

但是，已有的表面梯度加工方法仅能够在金属材料表层一定深度范围内制备出梯度结构，无法适用于厚度较厚的材料。而已有的层状材料一般仅有一级层状结构，对强/韧匹配的优化效果十分有限。此外，现有的非均质材料往往仅有一种非均匀结构，比如梯度或者层状。然而，自然界中优异的生物材料一般同时拥有多种非均匀结构，而且往往是多级非均匀结构。因此，为了更好的优化金属材料的强/韧匹配性能，需要开发一种能加工制备出拥有两种或者多种非均匀结构金属材料的方法。

发明内容