[发明专利]一种利用高能束制备非平衡超细组织合金的方法

说明书

本发明提供了一种利用高能束制备非平衡超细组织合金的方法，属于金属材料制备加工技术领域。该方法的工艺流程包括：高能束表面重熔、重熔层去应力分离和重熔层稳定化复合。通过高能束表面重熔，在合金表面制得一层合金化元素超饱和且晶粒超细的重熔层。通过重熔层去应力分离，将多层可以是不同成分的超细组织、超高固溶度的重熔层去应力并叠合。通过重熔层稳定化复合，最终使多层材料之间形成冶金融合，使多层材料形成一个材料整体，从而制备出超轻硬质合金、强功能可降解锌合金、高强复合材料、高强超轻多孔材料等多种具有非平衡超细组织的高性能材料。

技术领域

本发明属于金属材料制备加工技术领域，具体涉及一种利用高能束制备非平衡超细组织合金的方法。

背景技术

随着合金材料的不断发展及其在各行业的广泛应用，人们对合金性能的要求也越来越高。合金的组织决定性能，例如，晶粒细化能显著提高合金的屈服强度。

晶粒细化的方法包括液态细化和固态细化。液态细化的方法包括加入形核剂，破碎枝晶，提高凝固速度等。其中，形核剂的加入虽然能够起到显著的异质形核效果，但是会改变原合金的化学成分，可能导致合金某些性能的降低。破碎枝晶对于提高合金化元素在合金基体中的固溶度没有太大效果。根据凝固速度与铸件尺寸的关系，提高凝固速度最简单的方法是降低铸件厚度，受此启发产生了薄带连铸技术。连铸的薄带坯可以直接送入轧机轧制获得薄带材，形成了短流程、高效率制备薄带材的双辊铸轧技术。厚度为0.9mm的AZ31带坯的凝固速度可达300K/s，而传统浇铸的冷速一般不超过10K/s。比薄带连铸冷速更快，但异曲同工的是甩带法，常用于制备非晶合金。据估算，单辊甩带法制备镁基非晶的冷速可达10⁶K/s量级。为了保证大的冷速，单辊甩带法制备带材的厚度通常小于0.5mm，且制备的带材容易因冷速凝固时来不及伸展而堆叠在一起。

固态细化的方法主要包括再结晶、大塑性变形等。再结晶晶粒细化的对象通常是合金基体的晶粒，对于第二相的尺寸没有太大影响，再结晶之后，基体中原来粗大的第二相依旧保持粗大的尺寸，仍然是裂纹择优萌生的地方。大塑性变形通常需要多道次反复变形才能将晶粒尺寸细化至5μm以下，材料制品逐道次有损失，常常需要去除头尾和边裂部分，制备流程长、成材率低。

因此，急需一种能够同时实现第二相和基体组织都非常细小的高性能合金材料的制备工艺。

发明内容

针对现有合金晶粒细化方法中存在的厚度薄、第二相和基体难以同时超细化、合金化元素的固溶程度受限于最大平衡固溶度的问题，本发明提供了一种利用高能束制备非平衡超细组织合金的方法，通过高能束表面重熔，在合金表面制得一层合金化元素超饱和且晶粒超细的重熔层；通过重熔层去应力分离，将多层可以是不同成分的超细组织、超高固溶度的重熔层去应力并叠合；通过重熔层稳定化复合，最终使多层材料之间形成冶金融合，使多层材料形成一个材料整体，从而制备出超轻硬质合金、强功能可降解锌合金、高强复合材料、高强超轻多孔材料等多种具有非平衡超细组织的高性能材料。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

本发明的一方面提供一种利用高能束制备非平衡超细组织合金的方法，包括以下步骤：

(1)高能束表面重熔：使用高能束发生器对一个或多个合金样品表面进行扫描，在合金样品表面制得一层超饱和且晶粒超细的重熔层；样品数根据最终材料厚度的增加而增加；

(2)重熔层去应力分离：将上述重熔层去应力分离，获得多个单层重熔层；

(3)重熔层稳定化复合：将上述多个单层重熔层叠合，依次进行晶界稳定化处理和塑性变形复合，使多层材料之间形成冶金融合，形成一个材料整体，从而获得所述非平衡超细组织合金。

进一步的，步骤(1)中所述高能束包括激光束、电子束、离子束。

进一步的，步骤(1)中所述高能束发生器的功率范围为50-5000W。