[发明专利]一种等离子熔覆制备异构材料的方法

说明书

本发明属于异构材料制备领域，具体涉及一种等离子熔覆制备异构材料的方法。包括预处理、底层熔覆、多层熔覆和固溶时效析出四步工序。具体步骤为：采用等离子熔覆，在高韧性材料A基体上熔覆高强度的材料B，再在高强度材料B基体上熔覆高韧性的材料A，按照特定的搭接堆垛方式重复以上的操作，最后经固溶时效析出获得三维方向上可控可设计的异构材料，最终实现材料的高强高韧。本发明通过等离子熔覆工艺及固溶时效析出制备多层复杂的异构复合材料，有效地避免杂质的掺入和界面氧化，易于进行工业生产，适用的原材料范围广，且熔覆样式及形状变化多样，实现了异质结构在三维方向上可控可设计。

技术领域

本发明属于异构材料制备领域，具体涉及一种等离子熔覆制备异构材料的方法。

背景技术

金属结构材料在军事、工业、航空等领域都有广泛的应用。人们通过多种强韧化机制提高材料的力学性能，使其具有更高的使用效率和安全性。但是，对于均质材料而言，强度的提高往往以牺牲塑性为代价，这严重限制了结构材料的应用和发展。因此，如何能兼得强度和塑性，成为了金属结构材料研究的热点和重点。

异构材料是近年来提出一种新型的高强高韧材料。不同于传统的均质材料，它在材料微观尺度上构筑性能差异的软、硬相。利用软硬相之间的背应力强化效应，同时实现材料的高强和高韧。经对文献检索发现，Ma等人在《Scripta Materialia》材料快报，2015，103：57-60上发表的“Strain hardening and ductility in a coarse-grain/nanostructure laminate material”(粗晶/纳米晶层状材料的应力硬化和韧性研究)一文中，介绍了一种利用高压扭转变形制备层片结构Cu合金材料，并通过热处理获得粗晶/纳米晶的晶粒尺度异构的层片结构Cu合金，其中纳米晶层的晶粒尺寸为100nm左右，而粗晶层的晶粒尺寸为4μm。该技术的特点如下：(1)制备的材料界面结合质量好；(2)制得的Cu合金板材具有出色的力学性能，在拥有纳米晶Cu的高强度的同时还在一定程度上保持了粗晶Cu的优异的均匀延伸率。但是该技术上存在以下问题：(1)难以控制界面的氧化；(2)高压扭转获得的样品尺寸太小；(3)对设备、模具的精度要求很高，工序复杂，生产效率低。

进一步检索发现，中国发明专利CN1883834A介绍了“一种Ti-TiAl3金属/金属间化合物层状复合材料的制备方法”，其原理是将Ti箔和Al箔表面处理后交替叠层放置，并在试样外围封焊纯Ti包套，通过热轧得到高强高韧的Ti-TiAl3金属/金属间化合物叠层复合材料。这种方法的特点在于：(1)获得Ti-TiAl3金属/金属间化合物层状交替的复合材料，可以兼顾高强度和高韧性；(2)通过调整Ti箔和Al箔交替叠层的数目和材料本身厚度可以得到不同厚度的层状复合材料。其局限性在于：(1)轧制前处理工作包括表面清洗、裁剪、氩弧焊密封、加热等多次操作操作要求高，生产效率低；(2)实际过程中存在表面清洁度、密封性的检查，热轧时氧化难以控制；(3)复合界面结合强度难以保证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种等离子熔覆制备异构材料的方法，将力学性能差异巨大的材料，通过表面熔覆技术按照特定设计的搭接堆垛方式，制备出三维方向上可控可设计的异构材料。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种等离子熔覆制备异构材料的方法，采用等离子熔覆，在高韧性材料A基体上熔覆高强度材料B，采用不同的路径，再在高强度材料B基体上等离子熔覆高韧性材料A，根据产品性能的要求选择搭接堆垛方式重复以上操作，得到熔覆的异构材料；将熔覆的异构材料经固溶时效处理，最终形成材料A/B组成的三维异构材料。

进一步的，所述的等离子熔覆在氩气保护下进行。

进一步的，所述等离子熔覆采用的设备附加装配一个储粉装置，用以通过控制界面控制材料A和B粉末两种熔覆粉末的添加。

进一步的，具体包括如下步骤：

步骤(1)：预处理：包括基体预处理和熔覆粉末预处理；