[发明专利]一种具有仿贝壳砖泥结构的高强韧金属材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种具有仿贝壳砖泥结构的高强韧金属材料的制备方法，包括以下步骤：S1、对合金板材完全退火以消除各向异性；S2、对退火后的合金板材表面进行预处理；S3、将预处理后的合金板材置于工作台上，工作台与合金板材之间放置交替冷却加热系统(3)，并施加预紧力锁紧；S4、在搅拌摩擦加工设备上安装搅拌头，选定搅拌头旋转速度、焊速、加工距离、下压量和搅拌针前倾角，搅拌摩擦焊接锁紧后的合金板材，形成一道长且直的焊缝一(1)。本发明通过焊缝和母材的交替实现仿贝壳的砖泥结构，提高合金强度同时保留材料的韧性，是制备高性能合金板材的一种经济有效且可以实现工业化生产的技术方法。

技术领域

本发明涉及一种具有仿贝壳砖泥结构的高强韧金属材料的制备方法，属于金属材料技术领域。

背景技术

镁及镁合金是目前最轻的金属结构材料，具有密度较小、比强度高、散热性能良好、阻尼减震性优异、能够承受大的冲击载荷等特点。镁合金因为合金元素的添加而具有较好的韧性，在航工航天、车辆工程等领域得到大量的应用。镁合金的强度与钛合金或不锈钢相比较低，因而在受到大载荷或强冲击时，其使用受限。目前常用剧烈塑性变形(SPD)技术制备超细晶材料，以增加镁合金的强度。这些方法在提高强度同时降低了材料的塑性，从而削弱了合金的抗冲击性能。通过将镁合金与其他高强度金属(如钢、钛合金等)焊接，也可以在保留镁合金阻尼减震性能同时提升结构件的强度。但是焊接工艺常常伴随复杂的界面问题，无法从根本上提升镁合金的综合性能。

近年来，仿生学的发展大大拓展了研究思路，其中贝壳因高度有序的“砖-泥”结构而具有抗冲击、高强度及高断裂韧性等优异的机械性能，吸引了大量的关注。经过对现有技术的文献调研，目前仿贝壳砖泥结构的设计理念被广泛用于复合材料的制备，如中国专利CN108912602A，CN109898180A，CN111136999A等。但这些专利只注重通过异种材料复合来实现砖泥结构，目前没有将贝壳结构应用在单种材料上的理论和技术研究。

同样地，现有的中碳钢以及铝合金等金属材料，同样存在上述镁合金存在的问题。

发明内容

针对现有金属材料强韧化技术的不足，本发明提供了一种具有仿贝壳砖泥结构的高强韧金属材料的制备方法，利用搅拌摩擦工艺在合金板材上制备仿贝壳砖泥结构，提升合金的强韧性以及抗冲击性能。本发明不仅能够通过简单的工艺制备出大量高强度、高韧性、抗冲击性能优异、阻尼减震性良好的合金，而且制备工艺简单、经济、可靠、易于推广，满足工业需求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种具有仿贝壳砖泥结构的高强韧金属材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、对合金板材完全退火以消除各向异性；

S2、对退火后的合金板材表面进行预处理；

S3、将预处理后的合金板材置于工作台上，工作台与合金板材之间放置交替冷却加热系统，并施加预紧力锁紧；

S4、在搅拌摩擦加工设备上安装搅拌头，选定搅拌头旋转速度、焊速、加工距离、下压量和搅拌针前倾角，搅拌摩擦焊接锁紧后的合金板材，形成一道长且直的焊缝一；

S5、将搅拌头沿着垂直于焊缝一的方向平移特定距离，重复S4，形成一道平行于焊缝一的焊缝二；

S6、重复S5若干次，得到一组间距相同且相互平行的焊缝；

S7、取出合金板材，重复S2，对合金板材表面预处理；

S8、将S7中的合金板材固定在工作台上，并且使得S6加工得到的焊缝方向与下面的焊接方向相垂直；

S9、重复S4～S6，得到一组与S6中的焊缝垂直，间距相同且相互平行的另一组焊缝，即获得粗-细-粗-细交替出现的仿贝壳砖泥结构的高强韧金属材料。