一种含超高密度孪晶的密排六方金属材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种含超高密度孪晶的密排六方金属材料的制备方法，包括以下步骤：1)选取具有密排六方结构的金属块体，对所述金属块体进行热处理，以获得具有粗大晶粒结构的金属块体；2)将具有粗大晶粒结构的金属块体进行液氮温度双向轧制变形；3)将液氮温度双向轧制变形后的金属块体进行去应力退火处理，得到含超高密度孪晶的密排六方金属材料，该方法制备得到的金属材料具有超密度孪晶，强韧化效果较为明显。明显。明显。

【技术实现步骤摘要】
一种含超高密度孪晶的密排六方金属材料的制备方法


[0001]本专利技术属于材料制备领域，涉及一种含超高密度孪晶的密排六方金属材料的制备方法。

技术介绍

[0002]金属材料具有独特的力学性能、物理性能、化学性能和不同的工艺性能，被广泛应用于多种工业领域，与人们的生活息息相关。随着社会发展，传统金属材料的性能已不能满足社会发展的要求，迫切需要提高金属材料的各方面性能，尤其是材料的强度，包括在多个领域有广泛应用的具有密排六方结构的金属材料。常见的密排六方金属包括钛，锆与镁。金属钛由于质轻、比强度高、优异的耐低温性能及耐腐蚀性能被大规模应用在航空航天、军事工业、石油化工及生物医学等领域，但纯钛相较于一般的结构工程材料如不锈钢，其强度较低，严重制约了其在工业领域的进一步应用。金属锆具有热中子吸收截面低、良好的耐蚀性、优异的生物兼容性、耐磨损、无毒等特点，在核领域、人体骨骼、医疗器械和耐蚀材料方面具有广泛应用。虽然在锆中加入合金元素能很大程度上提高其强度，但会降低其耐腐蚀性能，因此制备出具有高强塑性且高纯度的金属锆，对其在核工业、化工业及医疗等多个领域的应用具有重要意义。镁由于具有高比强度、比刚度和良好的减震能力、优良导电导热性能等，在航空航天、交通运输和电子电器等领域具有重要应用价值，但镁较差的室温加工性能严重制约了其大规模应用。
[0003]传统的金属材料强化方法如固溶强化、形变强化、细晶强化和第二相强化等都是通过阻碍位错的运动从而达到强化金属的目的，但同时会使材料塑性变差，即存在强度
‑
塑性3韧性倒置关系，使其难以满足实际应用的要求。虽然电沉积、物理气相沉积等方法能制备得到接近于理想金属的再结晶态纳米晶或超细晶结构，但此类方法存在难以制备块体材料、成本高、效率低等缺点；严重塑性变形技术虽然是材料学界公认的制备超高强度纳米晶材料的方法，但也存在模具成本高、工艺连续性差、样品尺寸小等缺点。寻找具有普适性的强韧化结构设计方法并开发适用于工程实际应用的制备工艺仍是科研以及技术工程界的难题，也是本专利技术旨在解决的问题。
[0004]孪晶强化是密排六方金属材料强化的有效方法，如何制备高密度孪晶结构以提供足够的强化和韧化能力成为密排六方金属材料研究的热点。 S.Zhao等人在《Sc3e3ce》科学，2021，373：1313
‑
1318上发表的“Cryoforged 3a3otw333ed t3ta33um w3th ultrah3gh stre3gth a3d duct3l3ty”(具有超高强度和韧性的低温锻压纯钛)一文中，通过液氮温度三向压缩变形向具有极低氧含量的纯钛中引入了多尺度的分级孪晶结构，使其强度和拉伸塑性在环境温度和液氮温度下都显著提高。多尺度孪晶结构的引入有效细分了原始晶粒并显著减小位错的平均自由程，在塑性变形过程中，拉伸和压缩孪晶可以继续孪生、退孪生和再孪生，从而提高加工硬化能力。但是通过低温三向锻造制得的多尺度孪晶钛材料的尺寸受到限制，难以制备块体材料。
[0005]J.H.Chu3g在《Scr3pta Mater3al3a》材料快报，2009，11：111
‑
114 上发表的
“
Developme3t of thermomecha33cal process33g method toe3ha3ce tw33333g 33commerc3ally pure Zr”(通过热机械加工的方法增强商业纯锆中的孪生)一文中通过20％室温轧制配合去应力退火的工艺向纯锆中引入了变形孪晶，此外还通过多次重复该轧制+退火步骤来进一步增加组织中的孪晶密度。含有拉伸孪晶、拉伸孪晶、压缩孪晶的纯锆硬度显著提升，归因于高密度的共格孪晶界成功阻碍了位错的运动。但是仅通过小应变量的室温轧制难以获得具有极限密度、且在整个晶粒内部均匀分布的高密度孪晶，并且该方法制得的少量孪晶也未显示出明显的强韧化效果。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种含超高密度孪晶的密排六方金属材料的制备方法，该方法制备得到的金属材料具有超锆密度孪晶，强韧化效果较为明显。
[0007]为达到上述目的，本专利技术所述的含超高密度孪晶的密排六方金属材料的制备方法包括以下步骤：
[0008]1)选取具有密排六方结构的金属块体，对所述金属块体进行热处理，以获得具有粗大晶粒结构的金属块体；
[0009]2)将具有粗大晶粒结构的金属块体进行液氮温度双向轧制变形；
[0010]3)将液氮温度双向轧制变形后的金属块体进行去应力退火处理，得到含超高密度孪晶的密排六方金属材料。
[0011]粗大晶粒结构的晶粒尺寸为0.2～5mm。
[0012]步骤2)的具体操作为：
[0013]将具有粗大晶粒结构的金属块体在液氮温度下进行双向轧制处理，其中，液氮变形温度为
‑
190～
‑
110℃，单向轧制道次应变量为0.5～3％，经4～8道次轧制至压下量为8～15％，将单向轧制后的金属块体沿着轧制方向逆或顺时针旋转90
°
后再重复上述单向轧制过程，待轧制完成后，置于空气中逐渐升温至室温。
[0014]步骤2)的具体操作为：
[0015]将具有粗大晶粒结构的金属块体在液氮温度下进行双向轧制处理，其中，液氮变形温度为
‑
190～
‑
110℃，单向轧制道次应变量为0.5～3％，在每一道次轧制结束后沿着轧制方向逆时针旋转90
°
或顺时针旋转90
°
，每轧一个面记作一道次，变形总道次为8～20道次，待轧制完成后，置于空气中逐渐升温至室温。
[0016]步骤3)的具体操作为：
[0017]将液氮温度双向轧制后的金属块体逐渐加热，其中，加热温度小于所述金属块体的再结晶温度，保温0.5～3h，然后以3～10℃3m33的降温速率冷却至室温。
[0018]步骤2)中，每道次轧制之前，采用无水乙醇对金属块体的轧制表面进行清洁，待无水乙醇完全挥发后，将金属块体置于充满液氮的容器中进行深冷处理。
[0019]深冷处理的时间为5～30m33。
[0020]步骤2)中，金属块体单道次轧制持续时间为0.3～0.8s。
[0021]超高密度孪晶密排六方金属材料具有多级结构，晶粒尺寸为0.2～5 mm，孪晶片层宽度为纳米至微米级别。
[0022]本专利技术具有以下有益效果：
[0023]本专利技术所述的含超高密度孪晶的密排六方金属材料的制备方法在具体操作时，通过变形前热处理获得粗大晶粒初始组织，再通过液氮温度双向轧制变形向金属块体内引入超高密度的多级孪晶结构，结合去应力退火消除残余应力及位错，得到的金属材料具有超密度孪晶，获得力学性能显著提升的高强韧金属。
附图说明
[0024]图1为实施例工艺流程示意图；
[0025]图2a为实施例1中纯锆(Zr)样品变形前热处理后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含超高密度孪晶的密排六方金属材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)选取具有密排六方结构的金属块体，对所述金属块体进行热处理，以获得具有粗大晶粒结构的金属块体；2)将具有粗大晶粒结构的金属块体进行液氮温度双向轧制变形；3)将液氮温度双向轧制变形后的金属块体进行去应力退火处理，得到含超高密度孪晶的密排六方金属材料。2.根据权利要求1所述的含超高密度孪晶的密排六方金属材料的制备方法，其特征在于，粗大晶粒结构的晶粒尺寸为0.2～5mm。3.根据权利要求1所述的含超高密度孪晶的密排六方金属材料的制备方法，其特征在于，步骤2)的具体操作为：将具有粗大晶粒结构的金属块体在液氮温度下进行双向轧制处理，其中，液氮变形温度为
‑
190～
‑
110℃，单向轧制道次应变量为0.5～3％，经4～8道次轧制至压下量为8～15％，将单向轧制后的金属块体沿着轧制方向逆或顺时针旋转90
°
后再重复上述单向轧制过程，待轧制完成后，置于空气中逐渐升温至室温。4.根据权利要求1所述的含超高密度孪晶的密排六方金属材料的制备方法，其特征在于，步骤2)的具体操作为：将具有粗大晶粒结构的金属块体在液氮温度下进行双向轧制处理，其中，液氮变形温度为
‑
190～
‑
110℃，单向轧制道次应变量为0.5～3％，在每一道次轧制结束后沿着轧制方向逆时针旋转90
°<...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩卫忠，林希衡，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：