多层金属复合材料的单工序加工方法技术

本发明专利技术公开了一种多层金属复合材料的单工序加工方法。本发明专利技术以两种或两种以上固态金属或合金为原材料，将不同金属或合金的圆弧工件紧密放置，拼成一个完整管状样品；管状样品的内外壁被约束体完全约束，并对管状样品环形端面或柱面施加压力，同时，让内外约束体绕它们与工件共有中心轴相对转动；工件在高静水压条件下发生切向剪切变形，实现不同金属间接触面的不断增长，形成界面增殖。随着转动角度的不断增大，最初由异种金属圆弧工件紧密接触而形成的贯穿管状样品内外壁的初始界面，逐渐演变成起、终点分别在管内外壁并在管壁内缠绕数圈的螺旋形界面，从而产生多层金属复合结构。该方法改善了传统制备金属层状复合材料加工方法繁琐、效率低，界面易被环境污染，界面结合质量差等缺点，只需单一工序就能制备所需成分、层数、层厚等的多层金属复合材料。

Single process processing method of multilayer metal composite material

The invention discloses a single process processing method of multilayer metal composite material. The invention uses two or more than two kinds of solid metal or alloy as raw material, the circular arc workpiece with different metal or alloy closely placed into a complete tubular specimen; inside and outside wall tubular specimens is constrained completely constrained, and pressure at the same time, the annular end face of tubular specimen or cylindrical body, make internal and external constraints they were around the center axis and the workpiece rotate relative to the workpiece in the under water pressure; Gao Jing tangential shear deformation, increasing the contact area of different metal, the formation of interface proliferation. With the increasing of the rotation angle, initially by the dissimilar metal arc workpiece formed in close contact through the tubular wall inside and outside the sample initial interface, gradually evolved into the starting point and end point respectively in the outer wall of tube and spiral shaped interface number ring on the inner wall of the pipe, resulting in multilayer metal composite structure. This method improves the traditional preparation of metal laminated composite material processing method is tedious and low efficiency, the interface is easy to interface with the shortcomings of environmental pollution, poor quality, only a single process can fabricate multilayer metal composite materials required components, layers and layer thickness etc..

【技术实现步骤摘要】
多层金属复合材料的单工序加工方法
本专利技术涉及塑性加工领域，具体是一种单工序制备多层金属复合材料加工新方法。
技术介绍
诸如晶界、相界以及表面等界面对于材料的性能至关重要，其作用在粗晶、超细晶或者纳米晶等不同微观组织尺度范围均有所体现。特别是纳米结构材料，界面将主导很多材料行为，从而使纳米材料较之粗晶态表现出非凡、独特的性能。复合材料是由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等两种或两种以上的材料经过复合工艺而制备的多相材料，构成复合材料的几种材料之间的界面依然能够分辨，多种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，从而使复合材料的综合性能往往优于原组成材料而满足各种不同的要求。已被大量运用到航空航天、医学、机械、建筑、核能等行业。界面是复合材料极其重要的微结构，是构成复合材料各组元之间的“纽带”，也是微观应力以及其他“信息”传递的“桥梁”。因此，复合材料是否能获得的优异综合性能，除了与构成复合材料的各个组元自身性能有关外，在很大程度上还取决于复合材料界面(相界)的结构形态、数量、性质等。层状金属复合材料是将两种或两种以上金属或合金材料进行分层组合形成的一类金属复合材料。与所有复合材料一样，层状金属复合材料内部的界面会显著影响其的物理和力学性质，从而很大程度决定了这类材料的使用性能和服役表现。然而制备具有良好界面结合的层状金属复合材料往往较为困难，一些现有的诸如爆炸复合等方法工艺可控性较差，物理、化学气相沉积及其变种工艺则面临加工效率不高，从成本方面考虑不经济等困扰。其他固-液、液-液相复合工艺也同样存在对所加工金属体现要求苛刻，加工对象选择范围较狭隘等亟需解决的问题。上世纪90年代出现的累积叠轧(AccumulativeRollBonding，简称ARB)是最具可行性的固-固相层状金属复合制备方法。其技术如图1所示，板状金属间反复进行传统轧制复合、裁剪、表面处理以及堆叠等多工序。ARB工艺的主要优势在于可以在传统轧机上制备层状金属复合材料，设备简单。随着轧制道次的增加，材料内部等界面不断增加。这些界面的存在会大大降低裂纹的扩展能力，提高材料的断裂韧性和损伤容性性能。[侯红亮,等.航空制造技术,2007,8:003.]但是ARB也存在明显的缺点，即在每次轧制复合之前，都需要对板材进行繁琐的剪裁及表面清洁处理等，无法进行连续高效加工[TsujiN,etal.Adv.Eng.Mater.2003,5(5):338-344.]。不仅如此，以单一金属铝的ARB加工为例，经过若干道次之后，绝大多数界面都已经难以分辨，然而最后一道轧制工序所产生的复合界面却几乎肉眼可见[M.Eizadjou,H.D.Manesh,K.Janghorban,J.Alloy.Compd.474(2009)406.]，这意味着较之其他界面，ARB工艺的最后一个界面的结合质量不高，而最后一个界面却位于整个多层结构板材的正中央。这势必会影响其使用性能。鉴于ARB工艺在多层结构的生产效率、层状结构之间的界面结合质量等方面存在的不足，能否通过新型的制备技术克服上述技术缺陷值得关注。近年来，一类能够在高静水压力作用下实现管状材料管壁切向剪切变形的剧烈塑性变形新工艺备受关注[L.S.Tóth,etal.ScriptaMater.60(2009)175.；J.T.Wang,etal.ScriptaMater.67(2012)810.；H.Y.Um,etal.ScriptaMater.82(2014)41.]。本专利技术的主要专利技术人已于2011年提出了这类工艺中的一种具体实现方式，称之为管状材料高压剪切变形方法(tubehigh-pressureshearing,简称t-HPS方法)及其装置(已授权，201110030903.0)。目前，这类工艺已经在纯铝、纯铜、IF钢等材料上，成功实现了具有亚微米晶粒尺寸的超细晶结构的制备。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种多层金属复合材料的单工序加工方法，该方法可应用于两种及两种以上金属(含合金)之间的复合，加工成品为具有多层结构的金属复合材料，复合界面在加工过程中不断增加，且界面增加程度可控，界面分布可预测。实现本专利技术目的的技术解决方案为：(1)首先确定加工目标：包括尺寸需求，即所加工管材的高度H、壁厚T以及内半径Ri、外半径Re＝Ri+T等；成分需求，即哪两种或多种金属(或合金)，每种成分所占比例；结构需求，即层数Nt或平均层间距h＝T/Nt。(2)根据加工目标，选择加工对象为若干个种特定金属(或合金)圆弧工件，各个圆弧工件具有相同的内外半径，对这些圆弧工件进行表面处理，去除污染物和氧化层，然后紧密放置或拼接，使其正好构成一个待加工的完整管状样品；圆弧工件在紧密放置或拼接时，它们之间的接触面贯穿管状样品的内外壁，构成了初始界面；放置或拼接时以异种材质相邻为原则；其中任一种特定金属(或合金)工件的个数和其工件圆弧角度根据该种金属(或合金)在完整管状样品所占体积比确定，即该种金属(或合金)工件的圆弧角度总和除以360°等于该成分的体积分数。(3)采用刚性约束体分别对管状样品的内壁和外壁进行全约束，并对步骤(2)紧密放置或拼接成的管状样品的两个环形端面施加轴向载荷，轴向压载与约束体共同作用下，在工件内部产生1GPa～30GPa静水压力。与此同时，对一个约束体提供扭矩，而固定另外一个约束体；或者同时对两个约束体提供反方向的扭矩，使其绕管状样品的中心轴发生相对转动；实现管状样品的切向剪切变形，使样品中不同金属之间的界面增殖并发生冶金结合。对于初始界面数为Ni的多金属管状样品，根据样品壁厚T，以及最终所需获得的多层结构的结构需求，即层数Nt或平均层间距h＝T/Nt，确定转动圈数q＝(Nt-1)/Ni或者q＝[(T/h)-1]/Ni；完成所需转动圈数，制备出具有目标层数或平局层间距的多层金属复合材料。本专利技术与现有技术相比，其显著优点：(1)加工工序简单，生产效率高。本专利技术制备多层结构的过程中并不是根据需要的层数逐层叠加复合，而是对样品加压的同时，通过给约束体提供持续的相对转动，就会不断发生界面增殖，不同金属之间在更多的位置产生冶金结合形成更多界面。本专利技术加工过程连续，只需要单一工序的加工就能制备出多层的复合管材，并且除加工前的对试样进行一定的表面处理后，无需在加工过程中对试样表面进行处理。而ARB等加工方法，需要许多繁琐、重复的工艺道次才能实现多层的复合材料制备。(2)界面结合质量高。本专利技术作为一种固-固相复合方法，具有更好的界面质量。多层结构的制备是加工过程中连续不断地发生界面增殖的结果，这一连续过程中，产生的大量新鲜界面，并且完全避免了与外界环境的接触，减小了界面被污染的概率，在高压和剧烈塑性变形的共同作用下，可以获得完全冶金结合的多层结构。而ARB等加工方法，每一循环道次开始前，都会有界面暴漏在空气或环境中，氧化或其他可能的污染风险大大增加。因此，ARB加工的多层结构，最后一道轧制工序所产生的复合界面结合质量会低于其他界面，而该界面正好位于样品正中央，这将影响其使用性能。(3)多层结构层数、平均层间距可控。多层结构“界面增殖”行为可类比于单质管材高压剪切变形时的“迹线增长”切变特征，基于迹线特征方程，可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多层金属复合材料的单工序加工方法，其特征在于步骤如下：（a）确定加工对象：加工对象为若干种金属或合金的圆弧工件，各个圆弧工件具有相同的内外半径和高度，紧密放置或拼接圆弧工件，使其构成一个待加工的完整管状样品，该管状样品的高度为H，壁厚为T，内半径为R

【技术特征摘要】
1.一种多层金属复合材料的单工序加工方法，其特征在于步骤如下：（a）确定加工对象：加工对象为若干种金属或合金的圆弧工件，各个圆弧工件具有相同的内外半径和高度，紧密放置或拼接圆弧工件，使其构成一个待加工的完整管状样品，该管状样品的高度为H，壁厚为T，内半径为Ri，外半径Re=Ri+T；在紧密放置或拼接圆弧工件时，它们之间的接触面贯穿管状样品的内外壁，构成初始界面；（b）确定加工目标：包括成分需求，即哪两种或多种金属或合金、每种成分所占比例；结构需求，即多层结构的总层数Nt或平均层间距h=T/Nt；（c）采用管状材料高压剪切变形方法对管状样品进行加工：以刚性约束体分别对管状样品的内壁和外壁进行全约束，并对样品两个环形端面或柱面施加载荷并一直保持，在样品内部产生1GPa~30GPa静水压力；对于初始界面数为Ni的多金属拼接管状样品，根据样品壁厚T、最终所需获得的多层结构的结构需求，即总层数Nt或平均层间距h=T/Nt，确定转动圈数q=(Nt-1)/Ni或者q=[(T/h)-1]/Ni；对一个约束体提供扭矩，固定另外一个约束体，或者同时对...

【专利技术属性】
技术研发人员：王经涛，李政，张品芳，林逵，袁昊，刘瑛，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32