表层粗晶内部纳米晶或超细晶的梯度金属材料及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种表层粗晶内部纳米晶或超细晶的梯度金属材料及制备方法。表层粗晶内部纳米晶或超细晶的梯度金属材料中，晶粒尺寸以连续梯度的方式从表层粗晶的1‑100μm降低到内部纳米晶的10‑100nm或超细晶的100‑1000nm。制备方法是：对剧烈塑性变形或固结纳米晶或纳米尺寸粉末制备的晶粒尺寸空间分布均匀的前驱纳米晶或超细晶金属材料进行感应加热处理。本发明专利技术中的梯度金属材料在具备足够韧性的同时，能够最大限度保持纳米晶或超细晶金属材料的强度。本发明专利技术中的制备方法简便、易行，容易实现大规模工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
表层粗晶内部纳米晶或超细晶的梯度金属材料及制备方法
本专利技术涉及梯度材料领域，特别涉及一种表层粗晶内部纳米晶或超细晶的梯度金属材料及制备方法。
技术介绍
由于机械制造业、国防工业、建筑、船舶及海洋工程等领域的需要，高性能的先进金属材料一直是材料科学领域的重要发展方向，纳米晶或超细晶金属材料因极高的强度而备受关注。纳米晶或超细晶材料强度可达粗晶材料的数倍，然而与粗晶材料相比，塑性较差，特别是均匀延伸率很低，所谓的强度-塑性的倒置关系。设计含有纳米晶和/或超细晶与粗晶的多尺度异构结构是一条提高纳米晶或超细晶金属材料塑性的有效途径，在提高塑性的同时，其强度-塑性点在强度-塑性图上位于强度-塑性倒置曲线的上方，一定程度上解决了强度-塑性倒置的难题。在现有的各种异构结构中，晶粒尺寸在空间上呈梯度变化、从表面纳米晶或超细晶尺寸连续增加到内部粗晶尺寸的梯度金属材料，可将塑性提高到接近粗晶的塑性，而且强度-塑性点也在强度-塑性倒置曲线的上方；然而与对应的纳米晶或超细晶材料相比，这种梯度材料的强度下降很多：屈服强度下降至对应纳米晶或超细晶材料屈服强度的0.2-0.5倍、抗拉强度下降至对应纳米晶或超细晶材料抗拉强度的0.4-0.6倍[T.H.Fang,etal.,Science311(2011)1587；X.Wu,etal.,ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences111(2014)7197]，削弱了纳米晶或超细晶材料所具有的强度极高的优势。
技术实现思路
为解决现有技术的问题，本专利技术提出一种新型的表层粗晶内部纳米晶或超细晶的梯度金属材料。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：提供一种新型的表层粗晶内部纳米晶或超细晶的梯度金属材料，其微观结构示意图见图1，材料的晶粒尺寸以连续梯度的方式从表层粗晶尺寸降低到内部纳米晶或超细晶尺寸，所述粗晶是指尺寸1-100微米的晶粒，纳米晶是指尺寸10-100nm的晶粒，超细晶是指尺寸100-1000nm的晶粒，所述梯度金属材料具体包括如下四类：(1)材料的晶粒尺寸以连续梯度的方式从表层粗晶尺寸降低到最心部的纳米晶尺寸；(2)材料的晶粒尺寸以连续梯度的方式从表层粗晶尺寸降低到最心部的超细晶尺寸；(3)材料的晶粒尺寸以连续梯度的方式从表层粗晶尺寸在材料内部一个位置降低成纳米晶尺寸，然后从该位置到心部都是纳米晶尺寸；(4)材料的晶粒尺寸以连续梯度的方式从表层粗晶尺寸在材料内部一个位置降低成超细晶尺寸，然后从该位置到心部都是超细晶尺寸。作为优选，所述梯度金属材料的几何形状为板状、圆棒状、方棒状、横截面为长方形的棒状、以及横截面为除圆形、正方形、长方形以外的异形截面的棒状。作为优选，所述梯度金属材料为无同素异构转变的金属Mg、Al、Ni、Cu、Mo、Ta、W及其合金，组成元素原子百分数相等的三元或三元以上高熵合金，组成元素原子百分数不全部相等且组成元素原子百分数在10～35％范围内的三元或三元以上高熵合金。本专利技术也提供一种制备这种表层粗晶内部纳米晶或超细晶的梯度金属材料的方法，用感应加热对晶粒尺寸空间分布均匀的前驱纳米晶或超细晶金属材料进行处理，具体包括以下步骤：a提供晶粒尺寸空间分布均匀的前驱纳米晶或超细晶金属材料：b感应加热处理：将步骤a的所述晶粒尺寸空间分布均匀的前驱纳米晶或超细晶金属材料放入横截面按照前驱纳米晶或超细晶金属材料的外形而相应设计的感应加热线圈中，进行感应加热处理。即将所述板状晶粒尺寸空间分布均匀的前驱纳米晶或超细晶金属材料放入横截面为长方形的感应加热线圈中，其示意图见图2；所述圆棒状晶粒尺寸空间分布均匀的前驱纳米晶或超细晶金属材料放入横截面为圆形的感应加热线圈中，其示意图见图3；所述方棒状晶粒尺寸空间分布均匀的前驱纳米晶或超细晶金属材料放入横截面为正方形的感应加热线圈中，其示意图见图4；所述横截面为长方形的棒状晶粒尺寸空间分布均匀的前驱纳米晶或超细晶金属材料放入横截面为长方形的感应加热线圈中，其示意图见图5；所述横截面为除圆形、正方形、长方形以外的异形截面的棒状的晶粒尺寸空间分布均匀的前驱纳米晶或超细晶金属材料放入横截面为相应形状的感应加热线圈中，进行感应加热处理。感应加热通过感应加热线圈中的交变电流，在被加热的所述前驱纳米晶或超细晶金属材料中感生电流，利用感生电流的热效应加热前驱纳米晶或超细晶金属材料。感应线圈中的交变电流在被加热材料中感生电流的分布具有集肤效应，即越靠近材料表面，感生电流密度越大，在表层被加热的温度越高；越往材料内部，感生电流密度越小，材料的温升越低。这样，表层较高的加热温度使表层的纳米晶或超细晶长大成粗晶，内部较低的加热温度使内部晶粒有一定程度长大但保持纳米晶或超细晶，心部更低的加热温度使心部晶粒轻微长大或不长大。感应加热后，在空气中自然缓慢冷却到室温，即可获得表层粗晶内部纳米晶或超细晶的梯度金属材料。按上述方案，所述的步骤a的晶粒尺寸空间分布均匀的前驱纳米晶或超细晶金属材料为晶粒尺寸10-100nm的纳米晶或晶粒尺寸100-1000nm的超细晶。按上述方案，所述的步骤a为：对粗晶金属材料进行剧烈塑性变形或对金属材料的纳米晶或纳米尺寸粉末进行固结，获得晶粒尺寸空间分布均匀的前驱纳米晶或超细晶金属材料，然后将其机械加工成所需要的几何形状，包括板状、圆棒状、方棒状、横截面为长方形的棒状、以及横截面为除圆形、正方形、长方形以外的异形截面的棒状。作为优选，所述剧烈塑性变形的方法包括等通道角挤压、多向压缩、反复叠轧、冷挤压、厚度压下量90％或90％以上的轧制。作为优选，所述感应加热频率为0.3-300千赫兹，感应加热频率决定感应加热时电流透入深度，主要决定粗晶层厚度，电流透入深度定义为从表面电流密度最大处到电流密度为表面电流密度的1/e≈0.37倍处对应的深度，这里e为自然对数的底数；所述前驱纳米晶或超细晶金属材料与所述感应加热线圈的间距为1-30mm，一般在保证所述感应加热处理的操作过程中感应线圈不接触前驱纳米晶或超细晶金属材料的前提下，间距可尽可能小，以提高加热效率；所述感应加热功率为1-500kW，所述感应加热时间为2-20秒，功率与加热时间的配合决定输入到前驱纳米晶或超细晶金属材料中的能量，从而决定温升，尤其是电流透入深度内的温升，从而对表面粗晶层中晶粒尺寸有决定性影响，同时加热时间也影响前驱纳米晶或超细晶金属材料中的热扩散，由此影响从外到内晶粒尺寸的梯度以及粗晶层厚度的扩展，这主要根据被加热材料的熔点、比热、电阻率、热导率、磁导率及尺寸来选择。本专利技术具有如下优点：1.与现有技术相比，本专利技术提出的表层粗晶内部纳米晶或超细晶的梯度金属材料能够尽可能多地保留纳米晶或超细晶材料的超高强度，克服了现有梯度金属材料与纳米晶或超细晶材料相比强度降低太多的缺点；表层的粗晶又能够改善材料的塑性，使得本专利技术提出的梯度金属材料具有良好的强韧性配合。2.本专利技术提出的表层粗晶内部纳米晶或超细晶的梯度金属材料的制备方法简便、易行，容易实现大规模工业化生产，而且适用的金属材料范围广泛。附图说明图1是表层粗晶内部纳米晶或超细晶的梯度金属材料的微观结构示意图；图2是用横截面为长方形的感应加热线圈感应加热处理板状前驱纳米晶或超细晶金属本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种表层粗晶内部纳米晶或超细晶的梯度金属材料，其特征在于，材料的晶粒尺寸以连续梯度的方式从表层粗晶尺寸降低到内部纳米晶或超细晶尺寸，所述粗晶是指尺寸1‑100微米的晶粒，纳米晶是指尺寸10‑100nm的晶粒，超细晶是指尺寸100‑1000nm的晶粒，所述梯度金属材料具体包括如下四类：(1)材料的晶粒尺寸以连续梯度的方式从表层粗晶尺寸降低到最心部的纳米晶尺寸；(2)材料的晶粒尺寸以连续梯度的方式从表层粗晶尺寸降低到最心部的超细晶尺寸；(3)材料的晶粒尺寸以连续梯度的方式从表层粗晶尺寸在材料内部一个位置降低成纳米晶尺寸，然后从该位置到心部都是纳米晶尺寸；(4)材料的晶粒尺寸以连续梯度的方式从表层粗晶尺寸在材料内部一个位置降低成超细晶尺寸，然后从该位置到心部都是超细晶尺寸。

【技术特征摘要】
1.一种表层粗晶内部纳米晶或超细晶的梯度金属材料，其特征在于，材料的晶粒尺寸以连续梯度的方式从表层粗晶尺寸降低到内部纳米晶或超细晶尺寸，所述粗晶是指尺寸1-100微米的晶粒，纳米晶是指尺寸10-100nm的晶粒，超细晶是指尺寸100-1000nm的晶粒，所述梯度金属材料具体包括如下四类：(1)材料的晶粒尺寸以连续梯度的方式从表层粗晶尺寸降低到最心部的纳米晶尺寸；(2)材料的晶粒尺寸以连续梯度的方式从表层粗晶尺寸降低到最心部的超细晶尺寸；(3)材料的晶粒尺寸以连续梯度的方式从表层粗晶尺寸在材料内部一个位置降低成纳米晶尺寸，然后从该位置到心部都是纳米晶尺寸；(4)材料的晶粒尺寸以连续梯度的方式从表层粗晶尺寸在材料内部一个位置降低成超细晶尺寸，然后从该位置到心部都是超细晶尺寸。2.根据权利要求1所述的表层粗晶内部纳米晶或超细晶的梯度金属材料，其特征在于，所述梯度金属材料的几何形状为板状、圆棒状、方棒状、横截面为长方形的棒状、以及横截面为除圆形、正方形、长方形以外的异形截面的棒状。3.根据权利要求1所述的表层粗晶内部纳米晶或超细晶的梯度金属材料，其特征在于，所述梯度金属材料为无同素异构转变的金属Mg、Al、Ni、Cu、Mo、Ta、W及其合金，组成元素原子百分数相等的三元或三元以上高熵合金，组成元素原子百分数不全部相等且组成元素原子百分数在10～35％范围内的三元或三元以上高熵合金。4.一种表层粗晶内部纳米晶或超细晶的梯度金属材料的制备方法，其特征在于，对晶粒尺寸空间分布均匀的前驱纳米晶或超细晶金属材料进行感应加热处理，具体包括以下步骤：a提供晶粒尺寸空间分布均匀的前驱纳米晶或超细晶金属材料：b感应加热处理：将步骤a的所述晶粒尺寸空间分布均匀的前驱纳米晶或超细晶金属材料放入横截面按照前驱纳米晶或超细晶金属材料的外形而相应设计的感应加热线圈中，进行感应加热处理。5.根据权利要求4所述的表层粗晶内部纳米晶或超细晶的梯度...

【专利技术属性】
技术研发人员：林耀军，贾兴祺，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42