[发明专利]一种多尺度结构合金材料、制备方法及其用途

说明书

本发明涉及一种多尺度结构合金材料、制备方法及其用途，制备方法包括以下步骤：1)粉末致密化烧结：将合金粉末装入烧结模具，经预压后进行烧结，烧结压力为20～100MPa，烧结温度Ts满足：合金粉末相变峰的开始温度≤Ts≤合金粉末相变峰的结束温度；2)加高压处理：烧结结束后，加压冷却，冷却压力为10～500MPa；卸压冷却：待加压冷却温度降至550～600℃，迅速泄压，冷却得到合金材料。基于本发明的方法，开发了一种简便易操作的材料成形制备方法，将合金材料的制备及后续处理技术合二为一，实现双尺度/多尺度纳米/超细晶结构合金材料的一体化成形，通过原位调控合金内部的微观组织结构形态、晶粒尺度等，制备出高强韧的合金材料。

技术领域

本发明属于合金材料制备技术领域，特别涉及一种多尺度结构合金材料、制备方法及其用途。

背景技术

随着国家科学技术的发展与进步，制备出更高强韧性的合金材料以满足更苛刻条件下的应用，一直以来都是研究者们追求的目标。而合金材料的强韧化途径经过几十年的沉积与传承，已逐渐向多样化的加工处理技术发展。按照材料微观结构决定宏观性能的经典理论，科研工作者的最终目标均是通过精确控制合金材料的微观结构(相组成、晶粒尺度、分布位置及具体形态)，来有效优化其综合性能，尤其是机械性能，以达到合金材料强韧化的最终目的。

近年来，超细(100nm-1m)及纳米晶(100nm)材料因其可观的强化作用，逐渐成为了材料界的研究热点。纳米合金材料是其内部形成纳米晶的金属与合金。目前，常见的制备纳米结构金属以及合金的加工工艺主要包括大塑形变形法，通过位错的积聚以及重排来细化晶粒。此外，还有电沉积等工艺，通过控制一个促进大量形核但抑制晶粒长大的沉积条件，可以制备纳米晶。这些均是建立在Hall-Petch细晶强化理论之上，人们提出的合金材料的主要强化策略。Hall-Petch细晶强化理论指出，随着晶粒尺度的降低，可以获得前所未有的高强度。然而，各种研究表明，纳米晶合金材料虽然可以得到5～10倍于初始粗晶材料的高强度，但会呈现出较低的塑性，这本质上归因于超细晶粒内有限的位错储存和加工硬化能力。相比之下，高塑性的微米晶(1m)结构的合金材料似乎也受人们的青睐。

基于以上的种种矛盾性问题，近年来，科研者已经有了一系列设计策略的突破，这些工艺能够在合金材料中制得纳米晶并获得高强度，同时亦保留了大部分微米晶结构使材料塑性得到大幅度提升。这正是科研工作者们提出的“双尺度”、“多尺度”微观结构制备策略，即制备出纳米晶(100nm)、超细晶(100nm-1m)、微米晶(1-2m)等多种尺度晶粒中任意两种或多种尺度晶粒共存的多尺度结构合金材料。这一举措可将纳米或超细晶材料的强化作用工程应用化，同时亦可改进传统铸态粗晶材料的综合机械性能，使合金材料兼具较高的强度和塑性。

目前，制备双尺度/多尺度结构合金材料的主要方法有，块体合金的塑性变形+热处理诱发的再结晶行为，不同粒径合金粉末的固态烧结法及梯度烧结法，半固态加工技术，基于粉末冶金的半固态烧结技术等，均可制得粗晶相弥散分布于细晶基体的双尺度组织。然而，上述这些方法存在后续处理工序复杂，原材料粉末制备繁琐，半固态浆料制备比较困难，固液相体积分数比例不可控等问题，使这些方法技术难以在较多合金体系中推广，更难制备出微观组织可控的高致密高性能合金材料。因此，开发一种简便易操作的多尺度结构合金材料合成方法以减少环境污染、节约人力、时间、能源，同时获得高质量的多尺度结构合金材料，是本领域亟需实现的目标。

发明内容

本发明解决的技术问题提供一种多尺度结构合金材料、制备方法及其用途，开发一种简便易操作的材料成形制备方法，将合金材料的制备及后续处理技术合二为一，实现双尺度/多尺度纳米/超细晶结构合金材料的一体化成形，通过原位调控合金内部的微观组织结构形态、晶粒尺度等，制备出高强韧合金材料。

本发明提供的多尺度结构合金材料的制备方法，包括以下步骤：

1)粉末致密化烧结：将合金粉末装入烧结模具，经预压后进行烧结，烧结压力为20～100MPa，烧结温度Ts满足：合金粉末相变峰的开始温度≤Ts≤合金粉末相变峰的结束温度；