一种低温下制备难变形金属块体纳米晶材料的方法

摘要

本发明公开了一种低温下制备难变形金属块体纳米晶材料的方法，其将待变形块体试样浸泡在低温冷却液中以获得所需低温，利用落锤冲击试验机对块体试样进行小能量多次冲击加载，随着落锤冲击次数和试样应变量的增加，试样晶粒逐渐细化。当应变量达到一定值后可得到块体纳米晶材料。在整个变形过程中试样始终浸泡在低温冷却液中，这保证了所需的低温环境。该方法特别适用于低温下难变形金属块体纳米晶材料的制备。同时，该方法具有适用低温范围广、操作简单、制造成本低等优点。

说明书

技术领域

本发明属于金属塑性加工技术领域，涉及块体纳米晶材料的制备技术，尤其是一种适用于低温下使用小能量多次冲击制备难变形金属块体纳米晶材料的方法。

背景技术

纳米材料由于具有不同于常规粗晶材料，而且通常优越于常规粗晶材料的理化、力学性能而成为当今材料领域中一个重要的研究方向。采用剧烈塑性变形技术加工的纳米材料具有三维尺寸大、清洁致密、无微孔隙等优点。这使得其成为最具发展前景的块体纳米材料制备技术，受到了越来越多的关注。典型的剧烈塑性变形技术包括等通道角挤压(ECAP)、高压扭转(HPT)和叠层轧制(ARB)等方法。应用这些方法，人们已经成功制备了多种纯金属、合金块体纳米晶材料（如Cu、Al、Ni、Fe、碳钢等）。

对于难变形金属或合金，例如钛合金、锆合金等，它们具有较高的屈服强度，通常达到几百兆帕甚至上千兆帕。在室温下应用上述剧烈塑性变形方法进行变形的过程中它们表现出很高的变形抗力，难于加工变形。为了克服这种高变形抗力，增加变形的塑性流动性，人们通过提高温度，在中温或高温下进行加工变形。然而，升高温度增加可加工性的同时又带来另一个问题。试样晶粒一方面变形细化，另一方面由于温度升高，晶粒出现再结晶、长大粗化，部分抵消了变形细化，使得晶粒细化效果减弱。纵观近年来在中温或高温条件下应用剧烈塑性变形技术加工的难变形金属材料，很难发现获得块体纳米晶。

可见，难变形金属材料在中、高温度条件下变形并不利于块体纳米化。为了增强室温下这些材料的可加工性，人们在改良和创新剧烈塑性变形技术方面作了一些尝试。例如，增大ECAP模具通道夹角以减小每道次挤压变形时的等效应变来增加材料的室温可加工性。或者减慢ECAP的挤压速度，使得样品发生充分回复，易于变形细化。此外，在ECAP挤压变形过程中增加静水压力可减小材料内附加的拉应力，避免出现裂纹，使得材料的可加工性大大增加。近来，我们提出了“小能量多次冲击技术制备块体纳米材料的方法”（专利授权号：ZL201010286615.7），通过控制落锤式冲击试验机工作参数对试样施加多次冲击载荷，克服了ECAP、HPT、ARB等技术采用静态或准静态载荷对难变形金属难于变形的困难，已成功制备了Ti-10V-2Fe-3Al高强度钛合金块体纳米晶。可是，应当注意到，以上这些针对剧烈塑性变形技术的改良和创新主要集中在室温下难变形金属的块体纳米化。而对低温下制备难变形金属的块体纳米晶却很少涉及，文献中也鲜有报道。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种低温下制备难变形金属块体纳米晶材料的方法，该方式采用低温下小能量多次冲击的方式，将待变形块体试样始终浸泡在低温冷却液中以获得所需低温，然后进行小能量多次冲击加载，得到难变形金属材料的块体纳米晶。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种低温下制备难变形金属块体纳米晶材料的方法，包括以下步骤：

1）获得待加工的难变形金属块体试样，难变形金属为所有屈服强度在百兆帕以上的金属材料；

2）通过液体注入口持续向落锤冲击试验机的砧座凹槽内注入低温冷却液，将待加工的难变形块体试样置于凹槽内冷却液中浸泡；

3）将撞击杆插入砧座凹槽内，落锤起吊至指定高度后释放以冲击撞击杆，通过力传递实现对难变形金属块体试样的冲击变形；落锤以5～30次/min的冲击频率重复上述冲击过程，直到难变形金属块体试样达到指定的变形应变量ε，其中，ε为变形应变量，h₀为试样变形前厚度，h为试样变形后厚度；在整个变形过程中，通过液体注入口持续向凹槽内注入所选的低温冷却液，试样始终浸泡在冷却液中。

进一步，步骤1）中，所述金属块体试样的外形为圆柱形、圆饼形或者长方体形。难变形金属为钛、钛合金或锆合金。

进一步，步骤2）中，所述低温冷却液为液氮、液氮和乙醇的混合或者液氮和丙酮的混合。

进一步，步骤3）中，难变形金属块体试样的变形应变量ε范围为1～5；落锤锤头为大截面平底锤头，落锤质量为1～20kg，有效冲击高度选择范围为100～2000mm。

本发明具有以下有益效果：

本发明方法低温下制备难变形金属块体纳米晶材料的方法采用在低温下小能量多次冲击的方式制备难变形金属块体纳米晶材料，能够广泛应用于低温制备纯金属、合金块体纳米晶材料，特别适用于低温下制备难变形金属、合金的块体纳米晶材料。其具有适用低温范围广、制造成本低、操作简单等优点。本发明的方法在基础理论研究和实际工程应用方面具有十分广阔的前景。

附图说明

图1为本发明低温下制备难变形金属块体纳米晶材料所采用的落锤式冲击试验机的结构示意图。

其中，1落锤；2撞击杆；3砧座凹槽；4液体注入口；5试样；6滑轨；7液体排出口；8冷却液；9砧座。

图2为Ti-2Al-2.5Zr合金经过800°C退火16小时后的金相形貌照片。

图3为经退火处理的Ti-2Al-2.5Zr合金利用本发明技术在液氮（约-196°C）中变形不同应变量的金相形貌照片：(a)0.1；(b)0.35；(c)1.2。

图4为经退火处理的Ti-2Al-2.5Zr合金利用本发明技术在液氮（约-196°C）中变形不同应变量的透射电子显微照片：(a)0.1；(b)0.35；(c)1.2。

图5为TA2工业纯钛试样经过800°C退火2小时后的金相形貌照片。

图6为经过退火处理的TA2工业纯钛试样利用本发明技术在液氮+乙醇混合液（约-90°C）中变形1.6应变量后的形貌照片：(a)金相形貌；(b)透射电子显微形貌。

具体实施方式

本发明的低温下制备难变形金属块体纳米晶材料的方法所使用的装置为落锤式冲击试验机，其装置结构如图1所示。图中，1为落锤，2为撞击杆，3为砧座凹槽，4为液体注入口，5为试样，6为滑轨，7为液体排出口，8为冷却液，9为砧座。该方法具体包括以下步骤：

1)获得待加工的难变形金属块体试样，该难变形金属块体试样的外形可为圆柱形、圆饼形或者长方体形。本发明所指的难变形金属包括钛及钛合金、锆合金等所有屈服强度在百兆帕至几百兆帕甚至上千兆帕以上的金属材料。

2)通过液体注入口持续向落锤冲击试验机的砧座凹槽3内注入低温冷却液，将待加工的难变形块体试样置于砧座凹槽3内冷却液中浸泡。低温冷却液可选择液氮、液氮与乙醇的混合、液氮与丙酮的混合等任何低温液态冷却介质。

(3)将撞击杆2插入砧座凹槽内，落锤1起吊至指定高度后释放以冲击撞击杆2，通过力传递实现对试样的冲击变形。落锤1以5～30次/min的冲击频率重复上述冲击过程，直到试样变形达到指定的应变量ε，其中，ε为变形应变量，h₀为试样变形前厚度，h为试样变形后厚度。在整个变形过程中，通过液体注入口持续向凹槽内注入所选的低温冷却液，试样始终浸泡在冷却液中。这里，试样变形应变量ε范围为1～5。落锤1锤头为大截面平底锤头，落锤1质量为1～20kg，有效冲击高度选择范围为100～2000mm。

下面结合附图和实施例对本发明内容进行进一步详细说明，需要指出的是，本发明并不限于这些实施例。

实施例1：

液氮（约-196°C）中利用小能量多次冲击加载制备难变形金属Ti-2Al-2.5Zr块体纳米晶材料：

设备：落锤式冲击试验机（如图1）；

落锤1质量：8kg；

冲击有效高度：900mm；

冲击频率：8次/min；

低温液态冷却液：液氮（约-196°C）；

试样变形应变量：1.2；

Ti-2Al-2.5Zr合金材料：合金实际成分为Ti-1.59％Al-1.91％Zr(重量百分比)，试样尺寸为Ф16mm×2mm。经800°C退火16小时后，微观组织由等轴α相晶粒组成，其晶粒尺寸约100μm，金相形貌如图2所示。

试样在液氮（约-196°C）中经过不同应变量的多次冲击变形后的金相形貌如图3所示，可以看到变形0.1应变量后，粗晶内形成众多细小、平行的针片状孪晶。当应变量增加到0.35时，针片状孪晶碎化，但仍保持原来的位向。当应变量增加到1.2后，原始粗晶完全消失，取而代之的是极其细小的晶粒。经过透射电子显微镜的进一步放大观察可以看到，变形0.1应变量后，透射电子显微形貌显示为平行的孪晶片。随着应变量增加到0.35时，孪晶片发生破碎。当应变量继续增加到1.2后，微观组织由纳米晶组成，晶粒尺寸约为50nm，电子衍射图谱为衍射圆环，如图4所示。

实施例2：

液氮+乙醇混合液（约-90°C）中利用小能量多次冲击加载制备难变形金属TA2工业纯钛块体纳米晶材料：

设备：落锤式冲击试验机；

落锤质量：5kg；

冲击有效高度：500mm；

低温冷却液：液氮+乙醇混合液（约-90°C）；

冲击频率：10次/min；

试样变形应变量：1.6；

TA2工业纯钛材料：试样尺寸为Ф10mm×4mm。经800°C退火2小时后晶粒粗大，约150μm，如图5所示。

试样在液氮+乙醇混合液（约-90°C）中经过1.6应变量的多次冲击变形后的组织形貌如图6所示。可以看到，经过800°C退火2小时后的TA2工业纯钛试样在液氮+乙醇混合液（约-90°C）中利用本发明技术变形1.6应变量后，金相形貌显示为原始粗大晶粒完全消失，取而代之的是极其细小的晶粒。透射电子显微形貌显示为微观组织由纳米晶组成，晶粒尺寸约为90nm，电子衍射图谱为断续状衍射圆环。

实施例3

1)获得待加工的难变形金属块体试样，该难变形金属块体试样的外形可为圆柱形；难变形金属选择钛。

2)通过液体注入口持续向落锤冲击试验机的砧座凹槽3内注入低温冷却液，将待加工的难变形块体试样置于砧座凹槽3内冷却液中浸泡。低温冷却液可选择液氮、液氮与乙醇的混合、液氮与丙酮的混合等任何低温液态冷却介质。

(3)将撞击杆2插入砧座凹槽内，落锤1起吊至指定高度后释放以冲击撞击杆2，通过力传递实现对试样的冲击变形。落锤1以5次/min的冲击频率重复上述冲击过程，直到试样变形达到指定的应变量ε，其中，ε为变形应变量，h₀为试样变形前厚度，h为试样变形后厚度。在整个变形过程中，通过液体注入口持续向凹槽内注入所选的低温冷却液，试样始终浸泡在冷却液中。这里，试样变形应变量ε范围为1～5。落锤1锤头为大截面平底锤头，落锤1质量为20kg，有效冲击高度选择范围为100～2000mm。

实施例4

1)获得待加工的难变形金属块体试样，该难变形金属块体试样的外形可为圆饼形；难变形金属选择钛合金。

2)通过液体注入口持续向落锤冲击试验机的砧座凹槽3内注入低温冷却液，将待加工的难变形块体试样置于砧座凹槽3内冷却液中浸泡。低温冷却液可选择液氮、液氮与乙醇的混合、液氮与丙酮的混合等任何低温液态冷却介质。

(3)将撞击杆2插入砧座凹槽内，落锤1起吊至指定高度后释放以冲击撞击杆2，通过力传递实现对试样的冲击变形。落锤1以30次/min的冲击频率重复上述冲击过程，直到试样变形达到指定的应变量ε，其中，ε为变形应变量，h₀为试样变形前厚度，h为试样变形后厚度。在整个变形过程中，通过液体注入口持续向凹槽内注入所选的低温冷却液，试样始终浸泡在冷却液中。这里，试样变形应变量ε范围为1～5。落锤1锤头为大截面平底锤头，落锤1质量为1kg，有效冲击高度选择范围为100～2000mm。

实施例5

1)获得待加工的难变形金属块体试样，该难变形金属块体试样的外形可为长方体形；难变形金属选择锆合金。

2)通过液体注入口持续向落锤冲击试验机的砧座凹槽3内注入低温冷却液，将待加工的难变形块体试样置于砧座凹槽3内冷却液中浸泡。低温冷却液可选择液氮、液氮与乙醇的混合、液氮与丙酮的混合等任何低温液态冷却介质。

(3)将撞击杆2插入砧座凹槽内，落锤1起吊至指定高度后释放以冲击撞击杆2，通过力传递实现对试样的冲击变形。落锤1以20次/min的冲击频率重复上述冲击过程，直到试样变形达到指定的应变量ε，其中，ε为变形应变量，h₀为试样变形前厚度，h为试样变形后厚度。在整个变形过程中，通过液体注入口持续向凹槽内注入所选的低温冷却液，试样始终浸泡在冷却液中。这里，试样变形应变量ε范围为1～5。落锤1锤头为大截面平底锤头，落锤1质量为15kg，有效冲击高度选择范围为100～2000mm。