金属结构及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种金属结构及其制造方法，其包括被布置为非晶体结构的第一多金属颗粒；被布置为具有至少两个晶粒尺寸的晶体结构的第二多金属颗粒，其中，晶体结构被布置为容纳沉积在其上的非晶体结构；其中，晶粒尺寸以梯度结构被布置。

【技术实现步骤摘要】
金属结构及其制造方法
本专利技术涉及一种金属结构及其制造方法，特别但不排他地涉及金属结构以及通过在基板上沉积金属膜而用于制造金属结构的方法。
技术介绍
材料的强度反映了能够经受施加的载荷或者抵抗塑料变形的能力。每种材料是独一无二的，因此每一者具有不同的强度。材料的强度包括拉伸强度、压缩强度时以及剪切强度。以拉伸强度为例，其表现为以对抗材料撕开(例如通过拉伸)而承受的最大应力，同时在断裂之前材料会延展或者塑性形变。在某些情况下，材料可能应用于环境条件严峻的各种应用中，诸如高温、高应变率、高应力和高滑动速度。因此，除了上述强度外，必须以更全面的方式仔细研究其耐磨性和耐腐蚀性等材料特性，从而确保在这些苛刻的条件下选择正确的材料来应用。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供了一种金属结构，其包括被布置为非晶体结构的第一多金属颗粒；被布置为具有至少两个晶粒尺寸的晶体结构的第二多金属颗粒，其中该晶体结构被布置为容纳沉积在其上的非晶体结构。在第一方面的实施方案中，晶粒尺寸以梯度结构被布置。在第一方面的实施例中，梯度结构的晶粒尺寸从中心到表面逐渐减小。在第一方面的实施例中，梯度结构包括在中心处的粗晶体。在第一方面的实施例中，梯度结构还包括纳米晶体表面。在第一方面的实施例中，纳米晶面的晶粒包括小于或等于1μm的尺寸。在第一方面的实施例中，非晶体结构被布置为形成金属玻璃薄膜。在第一方面的实施例中，晶体结构的表面在其上沉积有非晶体结构时，仅包括围绕表面压痕的轻微表面压痕和裂纹。在第一方面的实施例中，通过晶体结构的高扩散系数，表面压痕和非实质裂纹显着降低。在第一方面的实施例中，非晶结构和晶体结构形成多层梯度结构。在第一方面的实施例中，与基本上具有相同延展性的未处理金属材料相比，金属材料分别包括至少24％和13％的增加的屈服强度和极限抗拉强度。在第一方面的实施例中，与未处理的金属材料相比，金属材料包括至少65％的增加的耐磨性。在第一方面的实施例中，与未经处理的金属材料相比，金属材料包括至少为5倍的增加的耐腐蚀性。在第一方面的实施例中，与未经处理的金属材料相比，晶体结构包括至少60％的增加的硬度，并且非晶体结构包括至少3.02GPa的硬度。根据本专利技术的第二方面，提供一种用于制造金属结构的方法，其包括以下步骤：将具有被布置为非晶体结构的第一多金属颗粒的金属层沉积在基板上；其中基板包括被布置为具有至少两个晶粒尺寸的晶体结构的第二多金属颗粒。在第二方面的实施例中，通过物理处理来加工基板以形成晶体结构。在第二方面的实施例中，通过物理处理进一步加工基板以形成纳米晶体表面。在第二方面的实施例中，晶粒尺寸以梯度结构被布置。在第二方面的实施例中，梯度结构的晶粒尺寸通过诸如高应变率SMAT工艺的物理处理来操纵。在第二方面的实施例中，金属层以磁控溅射工艺被沉积。在第二方面的实施例中，通过磁控溅射工艺来操纵金属层的厚度和/或组成。在第二方面的实施例中，在磁控溅射工艺中使用单一合金靶。在第二方面的实施例中，单一合金靶包括镁、锌和钙。在第二方面的实施例中，镁、锌和钙的原子比等于60:35:5。在第二方面的实施例中，磁控溅射工艺包括以下参数：-背景真空压力：≤1×10-4Pa；-基板温度：≤50℃。在第二方面的实施例中，金属层包括1-15μm的厚度。在第二方面的实施例中，基板包括0.8-1.8mm的厚度。附图说明现在将参考附图通过实施例来描述本专利技术的实施例，其中：图1是根据本专利技术的金属结构的图示；图2是多层梯度结构AZ31样品的纳米晶体层的透射电子显微镜(TEM)图像；图3是多层梯度结构AZ31样品表面的金属玻璃膜的透射电子显微镜(TEM)图像；图4是使用300mN载荷压入直接沉积镁基金属玻璃膜的AZ31样品后的压痕形貌图；图5是使用300mN载荷压入多层梯度结构AZ31样品后的压痕形貌图；图6示出了根据本专利技术制造的多层梯度结构AZ31样品的硬度随深度的变化图；图7是根据本专利技术制造的多层梯度结构AZ31样品和初始AZ31样品的拉伸应力应变曲线；图8是根据本专利技术的多层梯度结构AZ31Mg合金样品在执行2000μN纳米磨损测试之后的扫描探针显微镜图像；图9是初始AZ31样品在执行2000μN纳米磨损测试之后的扫描探针显微镜图像；图10示出了图8至9中两个样品在纳米磨损测试期间的磨损系数；图11示出了图8至9中两种样品在纳米磨损测试期间的磨损率；以及图12示出了根据本专利技术的多层梯度结构AZ31Mg合金样品和初始AZ31样品的极化曲线。具体实施方式不希望受到理论的束缚，专利技术人通过自己的试验和实验研究发现，强度、塑性、耐磨性和耐腐蚀性是合金适合作为结构材料的最重要的标准之一。然而，本领域技术人员将容易理解，这些标准可能不会同时呈现在一种单一材料内。例如，虽然传统的高强合金具有比高塑性合金更强的强度，但其塑性却大大降低。为了减轻或缓解至少部分上述问题，本专利技术人设计了一种制造多层梯度结构合金的方法。在该方法中，其应用示例使得晶粒的尺寸从材料的中心到其表面逐渐减小，并且非晶体合金膜可以被沉积在最表面上。合金的梯度结构可以通过诸如表面机械磨损处理(SMAT)的物理处理产生，然后非晶体合金膜可以通过磁控溅射被沉积。有利地，制造的多层梯度结构合金可以具有高强度、高耐磨性和高耐腐蚀性。参考图1，提供了一种金属结构100，其包括非晶结构10的第一种金属结构；具有至少两种晶粒尺寸的晶体结构20的第二种金属结构，其中，晶体结构20被非晶体结构10所沉积在其上表面。在该实施例中，晶体结构20的晶粒尺寸为梯度结构30。晶体结构20可以通过物理处理被加工，例如SMAT，使得这种梯度结构30的晶粒尺寸可以从金属结构100的中心40向金属结构100的表面50逐渐减小，从而形成纳米梯度结构。通过SMAT以高能量粒子冲击金属材料，金属结构100形成包括纳米晶体层-细晶体层-粗晶层的梯度结构30。这显着提高了金属材料的物理特性，诸如强度等。优选地，中心40处的晶体结构20可以是粗晶体，另一方面，表面50处的晶体结构20可以是用于形成纳米晶体表面52的更细晶体。例如，纳米晶体表面52的晶粒可以包括小于或等于1μm的尺寸。专利技术人进一步设计出具有高强度和高硬度的金属玻璃薄膜。这种材料可以被沉积在基板表面以增强基板材料的疲劳特性和耐磨性。通过在合金表面上沉积金属玻璃薄膜，可以克服合金的弱耐磨性。与晶体材料的晶界和位错结构相比，由于金属玻璃的非晶体结构具有更高的耐腐蚀性能，所以沉积金属玻璃膜的基体的腐蚀性能将会提升。在本实施例中，基板22表面的非晶体结构12可以例如通过溅射，更优选地通过磁控溅射工艺在其上沉积具有非晶结构10的金属层/金属玻璃薄膜12，从而形成多层梯度结构60。在一个示例中，合金基板22的厚度可以在0.8至1.8mm的范围内，并且金属玻璃薄膜12的厚度可以在1至15μm的范围内。在晶体结构20上沉积非晶结构12后，晶体结构20的表面50仅包括围绕表面压痕的轻微表面压痕和裂纹。如本专利技术人所发现的，由于晶体结构20的高扩散系数使得非晶结构12与晶体结构20具有很强的结合能力，表面压痕和非实质裂纹大小被显著降低。有利的是，由于SMAT处理的合金表面50上的纳米晶体结构52具有高扩散系数，因此本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属结构，所述结构包括：第一多金属颗粒,所述第一多金属颗粒被布置为非晶体结构；第二多金属颗粒,所述第二多金属颗粒被布置为具有至少两个晶粒尺寸的晶体结构，其中，所述晶体结构被布置为容纳沉积在其上的所述非晶体结构。

【技术特征摘要】
2016.11.08 US 15/345,8631.一种金属结构，所述结构包括：第一多金属颗粒,所述第一多金属颗粒被布置为非晶体结构；第二多金属颗粒,所述第二多金属颗粒被布置为具有至少两个晶粒尺寸的晶体结构，其中，所述晶体结构被布置为容纳沉积在其上的所述非晶体结构。2.如权利要求1所述的金属材料，其特征在于，所述晶粒尺寸以梯度结构被布置。3.如权利要求2所述的金属材料，其特征在于，所述梯度结构的所述晶粒尺寸从所述中心到所述表面逐渐减小。4.如权利要求3所述的金属材料，其特征在于，所述梯度结构在所述中心处包括粗晶体。5.如权利要求4所述的金属材料，其特征在于，所述梯度结构还包括纳米晶体表面。6.如权利要求5所述的金属材料，其特征在于，所述纳米晶体表面的晶粒包括小于或等于1μm的尺寸。7.如权利要求1所述的金属材料，其特征在于，所述非晶体结构被布置为形成金属玻璃薄膜。8.如权利要求1所述的金属材料，其特征在于，所述晶体结构的表面在其上沉积有所述非晶体结构时，仅包括围绕所述表面压痕的轻微表面压痕和裂纹。9.如权利要求1所述的金属材料，其特征在于，通过所述晶体结构的高扩散系数显著降低了所述表面压痕和非实质裂纹。10.如权利要求1所述的金属材料，其特征在于，所述非晶体结构和所述晶体结构形成多层梯度结构。11.如权利要求1所述的金属材料，其特征在于，所述金属材料在具有基本相同延展性的未经处理的金属材料上分别具有增加至少24％的屈服强度和增加至少13％的极限抗拉强度。12.如权利要求1所述的金属材料，其特征在于，所述金属材料包括比未经处理的金属材料增加至少65％的耐磨性。13.如权利要求1所述的金属材料，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕坚，吴戈，
申请(专利权)人：香港城市大学，
类型：发明
国别省市：中国香港,81