一种金属板材的制备方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种金属板材的制备方法及装置，所述方法首先以金属材料为基材，以合金粉末为强化材料，通过冷喷涂将合金粉末沉积到基材表面以形成沉积层，然后对沉积层进行快速冷却搅拌摩擦加工得到金属板材；所述快速冷却搅拌摩擦加工通过喷射冷却剂对基材进行冷却，所述冷却剂包括液态CO

【技术实现步骤摘要】
一种金属板材的制备方法及装置
本专利技术属于金属表面改性
，具体涉及一种金属板材的制备方法及装置。
技术介绍
金属构件在使用过程中由于金属材料失稳而出现疲劳、磨损和腐蚀等情况，从而严重影响了金属构件的使用寿命。由于材料失稳多始于表面，因此需要对金属材料的表面进行合金强化处理，合金强化是指在金属中加入合金元素，使得合金元素在金属基体中形成对位错运动有阻碍作用的弥散质点，从而提高合金强度。同时，合金元素通过改变基体的点阵类型，使得基体的晶粒细化，增大基体的淬透性，间接提高合金的强度。在金属材料的应用中，材料的失效往往在于局部位置受到特殊外部环境的影响首先失效，从而导致整个材料失去应用价值，因此材料的局部改性问题至关重要。现有技术中使用冶金熔融合金化，此方法耗费资源较大，对环境污染大。对于一些特殊环境服役金属，其使用材料局部性能要求高，基体性能要求低，这时使用冶金熔融制合金显得有所不足。
技术实现思路
针对现有技术中金属材料合金强化方法存在的不足，本专利技术提出一种金属板材的制备方法及装置。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：一种金属板材的制备方法，所述方法首先以金属材料为基材，以合金粉末为强化材料，通过冷喷涂将合金粉末沉积到基材表面以形成沉积层，然后对沉积层进行快速冷却搅拌摩擦加工得到金属板材；所述快速冷却搅拌摩擦加工通过喷射冷却剂对基材进行冷却，所述冷却剂包括液态CO2或液态C5H12。具体的，所述冷喷涂的参数为：冷喷涂送粉气体为氮气，送粉速率为25～35g/min，喷涂距离为20～30mm，冷却降温速率为40～50K/s；所述沉积层的厚度为1～4mm。具体的，所述搅拌摩擦加工的参数为：冷却剂喷射距离为2～4mm，搅拌头转速为300～1500r/min，搅拌头前进速度为20～200mm/min。具体的，所述基材为纯度为不小于99％的镁板或铝板；所述合金粉末包括Al粉、Mg粉、Zn粉、Mn粉、Si粉中的任意两种或多种。具体的，所述合金粉末的粒径为10～100微米。优选的，所述方法具体包括以下步骤：步骤1、根据合金化设计确定合金粉末配比，然后选取粒径为10～100微米的金属粉末，充分混合得到合金粉末；步骤2、将合金粉末冷喷涂至基材表面形成沉积层；其中，所述冷喷涂的参数为：冷喷涂送粉气体为氮气，送粉气体预热温度为600℃，送粉速率为25g/min，喷涂距离为25mm，冷却降温速率为40K/s，所述沉积层的厚度为4mm；步骤3、在喷射液态CO2对基材进行冷却的条件下，对沉积层进行快速冷却搅拌摩擦加工得到金属板材；所述液态CO2的喷射距离为2mm，搅拌头转速为1200r/min，搅拌头前进速度为25mm/min。本专利技术还公开了一种金属板材，采用本专利技术所述任意一种金属板材的制备方法制得，所述金属板材在快速冷却搅拌摩擦加工过程中采用冷却剂对基材进行冷却，所述冷却剂包括液态CO2或液态C5H12。本专利技术提供的金属板材的制备方法用于金属材料制备的应用。一种金属板材的制备装置，该装置用于实现本专利技术所述金属板材的制备，所述装置包括搅拌摩擦机床，其特征在于，还包括：测温装置，设置在搅拌摩擦机床上、用于对金属板材进行温度检测，所述测温装置包括连接设置的K型热电偶和温度记录仪，所述K型热电偶穿设在基材边缘处开设的安装孔内，温度采集的时间间隔设置为1～3s；冷却剂存储罐，所述冷却剂存储罐上设置有多个连通的冷却剂喷射管；搅拌头，用于实现搅拌摩擦加工。与现有技术相比，本专利技术具有以下技术效果：(1)本专利技术采用冷喷涂结合快速冷却搅拌摩擦加工技术制备局部高强、高塑性合金化的金属材料，本专利技术工艺简单、环保，制备的金属板材表面组织细化、均匀。金属材料的表面性能得到了明显提升，因此，本专利技术适用于金属材料的局部改性。(2)本专利技术由于使用了液态冷却剂，具有更优异的控温效果。使得合金粉末与金属基板的合金化反应时间减少，由于合金化产物类型少，所以对板材性能无不良影响。附图说明图1为本专利技术的金属板材制备方法的工艺流程图；图2为本专利技术的装置的结构示意图图3为对比例1中金相组织图图4为实施例1中金相组织图图5为实施例1与对比例2的工程应力-工程应变曲线图；图6为实施例2与对比例2的工程应力-工程应变曲线图；图7为对比例1中工程应力-工程应变曲线图。附图中各个标号含义：1-测温装置，2-安装孔，3-冷却剂喷射管，4-搅拌头，11-K型热电偶，12-温度记录仪。以下结合说明书附图和具体实施方式对本专利技术做具体说明。具体实施方式快速冷却搅拌摩擦加工：是指在焊接过程中有快速冷却行为的一种固相连接加工技术，该加工通常以液态二氧化碳、戊烷等作为冷却气体，在搅拌摩擦加工的过程中，通过喷射冷却气体达到快速冷却效果；该技术在被加工材料变形的过程中，通过控制温降速度来改善焊接或加工区的性能。合金强化：是指根据实际工况的需要，增加基体表面合金元素的含量，以达到金属表面强化效果。合金化设计：根据性能要求和生产工艺特点，确定合金中各组成元素的配比，以达到金属表面强化效果。本申请提出的一种金属板材的制备方法，是将冷喷涂技术和快速冷却辅助搅拌摩擦加工相结合，对金属基材上需要强化的区域进行冷喷搅拌摩擦强化处理以到达局部强化效果。本方法可制备微观组织细化、均匀的合金强化微区，经过强化的金属材料的局部拉伸性能明显高于冶金法制备的同系列合金，为金属材料的局部改性提供了新的方法。本专利技术的制备方法中，位错在滑移面运动过程中，机械能转化为原子动能，增加原子的活性；固态金属剧烈变形，导致化学键的扭曲拉长，使得化学键易断裂，导致原子易于反应；本专利技术中液态冷却剂使得搅拌摩擦加工中，晶粒细化效果更加显著，从而降低合金化反应所需的激活能，降低反应开始温度并加快反应速率。本方法首先以金属材料为基材，以合金粉末为强化材料，通过冷喷涂将合金粉末沉积到基材表面以形成沉积层，然后对沉积层进行快速冷却搅拌摩擦加工得到金属板材，所述快速冷却搅拌摩擦加工通过喷射冷却剂对基材进行冷却，所述冷却剂包括液态CO2或液态C5H12。(1)基材的选择，选择纯度大于99％的镁、铝基材。合金粉末的选择和配比：合金粉末包括Al粉、Mg粉、Zn粉、Zr粉和Si粉中的任意两种或多种，根据合金化设计确定合金粉末配比，并按照下式计算所需合金粉末的质量：M粉末＝DabLρC1C2/C其中，D为冷喷宽度与微区宽度的比值，1≤D≤4，a为微区宽度(mm)，b为基材厚度(mm)；L为微区长度(mm)，ρ为基材密度(g/cm3)，C1为合金粉末中第一种金属粉末的质量百分比；C2为合金粉末中第二中金属粉末的质量百分比；C为金属粉末的纯度。(2)混料：选取粒径为10～100微米的金属粉末，充分混合1～2h得到合金粉末。(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属板材的制备方法，其特征在于，所述方法首先以金属材料为基材，以合金粉末为强化材料，通过冷喷涂将合金粉末沉积到基材表面以形成沉积层，然后对沉积层进行快速冷却搅拌摩擦加工得到金属板材；/n所述快速冷却搅拌摩擦加工通过喷射冷却剂对基材进行冷却，所述冷却剂包括液态CO

【技术特征摘要】
1.一种金属板材的制备方法，其特征在于，所述方法首先以金属材料为基材，以合金粉末为强化材料，通过冷喷涂将合金粉末沉积到基材表面以形成沉积层，然后对沉积层进行快速冷却搅拌摩擦加工得到金属板材；
所述快速冷却搅拌摩擦加工通过喷射冷却剂对基材进行冷却，所述冷却剂包括液态CO2或液态C5H12。


2.根据权利要求1所述的金属板材的制备方法，其特征在于，所述冷喷涂的参数为：冷喷涂送粉气体为氮气，送粉气体预热温度为500℃～700℃，送粉速率为25～35g/min，喷涂距离为20～30mm，冷却降温速率为40～50K/s；所述沉积层的厚度为1～4mm。


3.根据权利要求1所述的金属板材的制备方法，其特征在于，所述搅拌摩擦加工的参数为：冷却剂喷射距离为2～4mm，搅拌头转速为300～1500r/min，搅拌头前进速度为20～200mm/min。


4.根据权利要求1所述的金属板材的制备方法，其特征在于，所述基材为纯度为不小于99％的镁板或铝板；所述合金粉末包括Al粉、Mg粉、Zn粉、Zr粉和Si粉中的任意两种或多种。


5.根据权利要求1所述的金属板材的制备方法，其特征在于，所述合金粉末的粒径为10～100微米。


6.根据权利要求1所述的金属板材的制备方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
步骤1、根据合金化设计确定合金粉末配比，然后选取...

【专利技术属性】
技术研发人员：王快社，王佳，乔柯，王文，张升懿，谢海瑞，张宇烨，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61