一种具有仿贝壳砖泥结构的高强韧金属材料的制备方法技术

本发明专利技术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)。本发明专利技术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。术方法。术方法。

【技术实现步骤摘要】
一种具有仿贝壳砖泥结构的高强韧金属材料的制备方法


[0001]本专利技术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


技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路
r/>[0005]针对现有金属材料强韧化技术的不足，本专利技术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。本专利技术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。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]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：
[0008]S1、对合金板材完全退火以消除各向异性；
[0009]S2、对退火后的合金板材表面进行预处理；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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；
[0013]S6、重复S5若干次，得到一组间距相同且相互平行的焊缝；
[0014]S7、取出合金板材，重复S2，对合金板材表面预处理；
[0015]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；
[0016]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。
[0017]所述退火温度为340℃～400℃，退火时间为3～5h。
[0018]所述搅拌头的搅拌针长度是合金板材厚度的0.9～0.95倍，所述搅拌头的转速为500～2000rpm，所述搅拌头的焊速为20～100mm/min，所述搅拌头的轴肩下压量为0.01～0.1mm，所述搅拌头的加工距离为所述合金板材的长度和/或宽度；所述搅拌针的前倾角为0～5
°
，无偏移量。
[0019]所述特定距离为：平移的距离≤2
×
焊缝宽度。即平移的距离≤2倍的焊缝宽度。
[0020]所述若干次表示的数量大于5次。
[0021]所述合金板材包括镁合金板材、中碳钢板材或铝合金板材。
[0022]所述预处理的方法为：对合金板材表面先用砂纸打磨处理，再采用丙酮清洗表面，最后用去离子水进行清理以去除氧化物和污渍。
[0023]所述交替冷却加热系统包括若干一字排列的且一体成型的立方体管道，相邻立方体管道之间涂布有绝热涂层；所述立方体管道的长度大于焊缝长度，所述立方体管道的宽度与焊缝的宽度或相邻焊缝的间距相同，即冷却管道的宽度与焊缝宽度相同，加热管道的宽度与相邻两条焊缝之间的间距相同；全部所述立方体管道为间隔布置的冷却管道和加热管道，所述冷却管道内流通有降温剂，所述加热管道通过电阻加热。
[0024]所述降温剂为液氮，所述液氮的流速为25～30mL/s。
[0025]所述电阻的温度为200～250℃。
[0026]本专利技术具有如下有益效果：
[0027]1)、本专利技术通过搅拌摩擦工艺可以在合金板材上制备仿贝壳砖泥结构，设备常见且成本较低。
[0028]2)、本专利技术制备的具有仿贝壳砖泥结构的合金板材，相比单纯的粗晶合金或者经过搅拌摩擦工艺细晶后的合金，兼具高强度和高韧性，综合性能提升明显。本专利技术采用交替冷却加热系统对合金板材进行局部冷却和局部加热，局部冷却可以在焊缝部位形成急冷，从而增加了该部位的热量输出，降低了晶粒尺寸，并形成局部细晶结构，极大的提高了焊缝的强度，从而形成仿贝壳砖泥结构中的“砖”；局部加热可以减缓热影响区热量损失，提高该部分温度，使得该部分晶粒有足够的温度可以长大，从而进一步的增加该部分的韧性，形成仿贝壳砖泥结构中的“泥”；受交替冷却加热系统影响，焊缝母材之间的热力影响区(Thermo
‑
Mechanically Affected Zone，TMAZ)晶粒更加细小，“砖
‑
泥”连接更加紧密，从而形成稳定的仿贝壳砖泥结构。
[0029]3)、本专利技术提供的仿贝壳砖泥结构合金的制备方法，采用单道次搅拌摩擦焊制备高强度“砖”，利用原材料高韧性充当“泥”，工艺流程简单，生产效率高，工业化应用的市场前景广阔。
[0030]4)、本专利技术可以通过改变工艺参数制备不同尺寸砖泥结构的合金板材；砖泥结构
中砖的厚度由焊缝的宽度决定，可以通过改变搅拌针的直径来改变焊缝的宽度，从而改变砖的厚度；砖泥结构中泥的厚度由搅拌头平移的距离决定，搅拌头沿着垂直于上一道焊缝的方向向右平移的距离越小，泥的厚度就越小。此外，通过搅拌摩擦焊接工艺参数的选择以及交替冷却加热系统中冷却系统参数的选择，可以改变砖的强度；通过退火处理的参数以及交替冷却加热系统中加热系统的参数选择可以改变泥的韧性。
[0031]5)、本专利技术的制备方法具有普适性，对于制备具有仿贝壳砖泥结构的其他类型合金也具有指导意义。
[0032]本专利技术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，该工艺采用搅拌摩擦工艺实现合金晶粒细化，提高合金强本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有仿贝壳砖泥结构的高强韧金属材料的制备方法，其特征在于：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)；S5、将搅拌头沿着垂直于焊缝一(1)的方向平移特定距离，重复S4，形成一道平行于焊缝一(1)的焊缝二(2)；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
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细
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粗
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细交替出现的仿贝壳砖泥结构的高强韧金属材料。2.根据权利要求1所述的一种具有仿贝壳砖泥结构的高强韧金属材料的制备方法，其特征在于：所述退火温度为340℃～400℃，退火时间为3～5h。3.根据权利要求1所述的一种具有仿贝壳砖泥结构的高强韧金属材料的制备方法，其特征在于：所述搅拌头的搅拌针长度是合金板材厚度的0.9～0.95倍，所述搅拌头的转速为500～2000rpm，所述搅拌头的焊速为20～100mm/min，所述搅拌头的轴肩下压量为0.01～0.1mm，所述搅拌头的加...

【专利技术属性】
技术研发人员：于皓，巨佳，蒋旭峰，王安哲，毛向阳，陶学伟，姜沅辰，郭小金，李愈鑫，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：