[发明专利]一种粗细晶复合多层结构材料的制备装置及制备方法

说明书

本发明公开了一种粗细晶复合多层结构材料的制备装置及制备方法，步骤如下：1)空心圆柱作为制备工具，下端与制备基面保持一定间距；2)将原材料从制备工具上端孔内挤入；3)设置能场加热区加热温度；4)制备工具旋转并向下施加压力载荷，高温原材料金属粉末从制备工具下端挤出并在压力和扭矩作用下形成致密实体，制备工具平移，完成一层粗晶或细晶层的制备；5)调整参数，重复2)～4)。本发明制备方法，金属粉末材料在制备工具压力及扭矩载荷条件下能够发生剧烈塑性变形并形成致密实体，同时温度升高时能够发生动态再结晶，可实现单层晶粒尺寸的定量调控以及材料层状微观构型的定向设计与制备，从而提升粗细晶复合多层结构材料性能。

技术领域

本发明涉及金属材料制备技术领域，具体而言，涉及一种粗细晶复合多层结构材料的制备装置及制备方法。

背景技术

为提高材料强韧性、满足特殊性能使用要求，金属结构材料的设计与制备正由传统单一的材料微观结构调整以及组织均匀性调控向多尺度构型设计方向发展，形成了网状、双连通、层状、以及梯度等多种跨尺度结构构型设计体系，其中层状构型是最典型的能综合材料强韧性的方法之一。

有研究表明，某些具有粗细晶层交替复合的双峰组织金属材料，由于层间的界面约束以及粗细晶粒的塑性变形协同作用，可在提高材料强度的同时提高材料韧性，实现材料的强韧双增。挤压、轧制、退火等传统热变形、热处理手段，由于调控方式均为整体路线，仅可实现金属材料粗晶和细晶体积分数、晶粒尺寸的半定量调控，难以按照最优的粗细晶尺寸、体积分数进行定向设计，更无法实现粗细晶分布状态的定量调控，金属材料粗细晶多层结构的制备成为传统工艺的瓶颈。从层状复合金属材料的制备工艺来看，理论上可在预先制备粗晶和细晶板材或箔材的基础上，通过爆炸复合法、轧制复合法、扩散复合法、热压烧结法等工艺实现粗细晶多层结构的制备。但面临着爆炸和轧制工艺的层间开裂、扩散与热压烧结工艺的界面产物及温度难以控制等问题。近年来，增材制造工艺以其可设计性强的优点，在多层结构的制备中得到了应用，但基于激光、电弧等高能束增材工艺由于制备过程中存在液体到固态的转变，制备的材料存在残余应力过大、组织不致密、晶粒粗大、偏析等缺点，无法实现粗细晶多层结构的高质量制备。综上，现有工艺难以实现具有粗细晶层交替复合的双峰组织多层结构的高质量制备。

有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有工艺难以实现具有粗细晶层交替复合的双峰组织多层结构的高质量制备，目的在于提供一种粗细晶复合多层结构材料的制备装置及制备方法，金属粉末材料在制备工具压力及扭矩载荷条件下能够发生剧烈塑性变形并形成致密实体，同时温度升高时能够发生动态再结晶，可实现单层晶粒尺寸的定量调控以及材料层状微观构型的定向设计与制备，从而提升粗细晶复合多层结构材料性能。

本发明通过下述技术方案实现：

一种粗细晶复合多层结构材料的制备装置，包括制备工具、制备基面和驱动结构；所述制备工具呈竖直设置的空心圆柱结构，所述制备工具的下端内部嵌设有能场加热区；粗细晶复合多层结构原材料从制备工具上端孔挤入，经过能场加热区加热并从下端孔挤出；所述制备基面水平设置在制备工具底端的下方；所述驱动结构能够驱动制备工具沿着制备基面水平旋转、平移并施加向下载荷，以使挤出的原材料在制备基面上形成致密结晶层。

本发明采用的制备装置，将金属粉末挤入到空心圆柱中，经过能场加热区高温加热后从底端挤出，然后利用制备工具旋转产生的扭转载荷结合向下载荷，能够使金属粉末发生剧烈塑性变形，从而在制备基面上形成致密实体，同时高温的金属粉末伴随动态再结晶，得到晶粒尺寸可控、晶粒尺寸分布均匀的粗晶或细晶层。

进一步的，所述制备工具采用钨基合金或高韧陶瓷材料制得，所述制备基面采用钢质平面，具有良好的耐高温耐磨性能。

进一步的，所述能场加热区采用激光、电或磁加热形式。

本发明还提供一种粗细晶复合多层结构材料的制备方法，包括如下步骤：