[发明专利]三峰晶粒结构金属基复合材料的元素合金化制备方法

说明书

本发明公开了一种三峰晶粒结构金属基复合材料的元素合金化制备方法：将纳米增强相分为三部分，其中两部分与已分为两部分的单质元素粉末分别混合均匀，通过球磨，得到超细晶复合粉末与细晶复合粉末；剩余纳米增强相与金属粉末混合后与两种复合粉末按比例混合，再进行致密化和烧结处理，得到复合锭坯；对复合锭坯进行热变形加工和热处理，得到基体组织晶粒结构为三峰尺寸分布的纳米增强金属基复合材料。该复合材料与晶粒结构是单峰分布或双峰尺寸分布的材料相比，能够更有效的缓解应力‑应变集中，同步提升材料的强塑性；同时，该方法无需使用合金粉末，采用金属元素粉末通过烧结致密化过程实现合金化，可任意设计调控基体的合金成分。

技术领域

本发明涉及一种三峰晶粒结构金属基复合材料的制备方法，属于金属基复合材料技术领域。

背景技术

纳米增强金属基复合材料兼具金属基体和增强体优异的力学、热学及其他功能特性，具有高强度、高模量、工作温度高、耐磨损、导电导热好，尺寸稳定等优点，可广泛应用于基础设施、自动化、汽车工业、航空航天等众多领域。但是纳米增强体的引入随之带来了塑韧性明显降低的问题，如何改善纳米增强金属基复合材料中强-塑性倒置关系成为了制约其实际工程应用的关键问题。

针对这一问题，研究者们已进行了大量构型化设计研究。最初构型化设计研究主要集中在调控增强体分布，如层状构型、网状构型、微纳叠层构型等，通过裂纹偏转、钝化、桥接等外在韧化机制的方式来提升塑韧性，并不能有效的解决基体本征塑性差的问题。近年来，金属基体构型化研究越来越炙热，其原理是通过调控位错行为来提升基体加工硬化能力的内在韧化机制。异构材料如梯度晶粒、长条晶粒、双峰晶粒、三峰晶粒凭借其良好的强塑性匹配、广阔的设计空间、制备方法多样等特性受到了广泛的关注。

异构材料的强塑性调控机制的关键是产生高密度的几何必须位错GNDs(Geometrically necessary dislocations)，这就要求：1)足够多的软区/硬区异质界面，为产生与容纳GNDs提供位置和空间；2)软区/硬区异质界面结合足够好为前提，软/硬区之间性能差异越大，产生的应变梯度越大，GNDs密度越高；3)硬区应该从几何上完全约束软区，促使软区产生高应变梯度，而避免软区之间互相连通导致变形只集中在软区中。异构金属中的三峰晶粒结构则很好的满足了上述的条件，因此三峰晶粒结构合金复合材料提供了良好的研究方向。例如专利《一种具有三峰特征的纳米增强金属基复合材料》(CN111519073A)公开了一种具有三峰特征的纳米增强金属基复合材料，其特征在于，由纳米碳增强体和金属基体构成，金属基体的晶粒尺寸分布具有明显的三峰分布特征。然而，其所述的金属基体源于金属粉末和预合金粉末，一方面预合金粉末成分和来源严重受限，给具有三峰特征的纳米增强金属基复合材料制备带来不便；另一方面，预合金粉末强度与硬度比纯铝粉高，通过球磨细化晶粒效率低、晶粒细化程度(晶粒尺寸变化)受限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有三峰晶粒结构的纳米增强金属基复合材料高效、可控的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种三峰晶粒结构金属基复合材料的元素合金化制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：按照材料组分设计要求，称取纳米增强相及所需的单质元素粉末，将纳米增强相分为三个部分分别添加，所有单质元素粉末分为A、B两个部分，先将A部分、B部分分别与纳米增强相混合均匀，相应地得到混合粉末Ⅰ、混合粉末Ⅱ，将纳米增强相与金属粉末混合均匀，得到混合粉末Ⅲ；

步骤2)：将步骤1)得到的A部分、B部分的混合粉末I、混合粉末Ⅱ，分别通过不同球磨工艺，得到超细晶复合粉末即复合粉末Ⅰ与细晶复合粉末即复合粉末Ⅱ；

步骤3)：将复合粉末Ⅰ与复合粉末Ⅱ按比例与未球磨的混合粉末Ⅲ即微米粗晶金属粉末混合，得到的复合粉末Ⅲ；

步骤4)：对复合粉末Ⅲ进行致密化和烧结处理，得到复合锭坯；