本發(fā)明屬于材料制備領(lǐng)域，具體涉及具有表面納米層和內(nèi)置骨架的雙金屬復(fù)合棒材及制備方法。

背景技術(shù)：

1、鋁及其合金是日常生產(chǎn)活動中，結(jié)構(gòu)輕量化使用量最大的金屬材料，其化學(xué)穩(wěn)定性較高，塑性好，有著無可替代的優(yōu)點(diǎn)。6系鋁合金主要以si、mg作為合金元素，是依靠si、mg在固溶處理時(shí)效析出作為強(qiáng)化手段的熱處理強(qiáng)化鋁合金，作為中強(qiáng)度鋁合金應(yīng)用具有成型性好、耐高溫、強(qiáng)度較高、耐腐蝕等優(yōu)良性能，廣泛用于建筑型材，需要良好耐蝕性能的大型結(jié)構(gòu)件，卡車、船舶、鐵道車輛結(jié)構(gòu)件，導(dǎo)管，家居等。針對輕質(zhì)高塑性鋁合金，如何提升其強(qiáng)度成為廣大學(xué)者關(guān)注的問題。利用高壓扭轉(zhuǎn)(hpt)、等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ecap)、累積疊軋(arb)等劇烈塑性變形(spd)方法可以制備出晶粒尺寸在100nm以下的塊狀材料，其中大量納米晶晶界、纏結(jié)位錯和合金元素對塊狀金屬起到強(qiáng)化作用，進(jìn)而提升其強(qiáng)度。maowen?liu等人通過hpt制備超高強(qiáng)度的納米結(jié)構(gòu)2024鋁合金，其屈服強(qiáng)度由288mpa提升至824mpa，硬度由123hv提升至234hv，變形后屈服強(qiáng)度約是變形前屈服強(qiáng)度的3倍，硬度較變形前提升111hv；然而斷裂延伸率由17％降低至不到2％?？梢钥闯觯瑂pd雖然導(dǎo)致強(qiáng)度顯著提高，但隨之延伸率也急速下降。因此需要探索一種犧牲少量延伸率的同時(shí)能夠提升材料強(qiáng)度的材料加工方法。

2、奧氏體不銹鋼韌性高、塑性好、焊接性能好，同時(shí)兼具良好的冷熱加工性能和耐腐蝕性能，且無磁性，成為應(yīng)用最廣泛的不銹鋼。奧氏體不銹鋼中，304l不銹鋼因良好的力學(xué)性能、抗氧化性和易成型性而廣泛應(yīng)用于石油化工、機(jī)械制造等領(lǐng)域中。

3、大量研究表明，對材料表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，改變表層晶粒組織結(jié)構(gòu)大小，使表面晶粒發(fā)生塑性變形從而形成納米層，可以有效提升材料綜合性能。研究人員現(xiàn)今已經(jīng)探索出多種表面處理方法，表面機(jī)械碾壓(smgt)可以在大塊金屬的表面層合成梯度納米微組織。該技術(shù)的工作原理與機(jī)床切削加工類似，將硬質(zhì)金屬球壓入材料表面后，再推動金屬球，使之和材料發(fā)生相對移動，球丸和表面晶粒之間的摩擦力促使材料表面發(fā)生塑性變形。隨著碾磨次數(shù)的增加，應(yīng)變量也隨之增加。本發(fā)明通過表面機(jī)械碾磨(smgt)細(xì)化復(fù)合棒表面晶粒尺寸，使晶粒細(xì)化到納米級別，提升其強(qiáng)度硬度，同時(shí)保留芯部粗晶結(jié)構(gòu)，保持較高塑性。材料的結(jié)構(gòu)單元在空間上呈梯度變化，由芯部的粗晶連續(xù)減小到表層的納米晶，使得材料兼具高強(qiáng)度與高韌性，同時(shí)還具有良好的抗疲勞性能和耐磨性。最終探索出一種犧牲少量延伸率的同時(shí)能夠提升材料強(qiáng)度的材料加工方法，得到高塑性高強(qiáng)度的不銹鋼-鋁復(fù)合棒材。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種具有表面納米層和內(nèi)置骨架的雙金屬復(fù)合棒材及制備方法，本發(fā)明將3d打印技術(shù)、鑄造技術(shù)和旋轉(zhuǎn)鍛造技術(shù)相結(jié)合，先使用3d打印技術(shù)形成304l內(nèi)置不規(guī)則多孔骨架結(jié)構(gòu)的不銹鋼管道，再將6061鋁合金澆鑄到不銹鋼管道中，得到不銹鋼-鋁合金復(fù)合棒，利用旋轉(zhuǎn)鍛造技術(shù)使不銹鋼與鋁合金緊固結(jié)合，再利用表面機(jī)械碾磨技術(shù)使復(fù)合棒表面形成納米層，最終獲得具有高強(qiáng)度、高塑性特點(diǎn)的金屬復(fù)合材料棒材。

2、實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種具有表面納米層和內(nèi)置骨架的雙金屬復(fù)合棒材的制備方法，包括如下步驟：

3、步驟(1)：準(zhǔn)備不銹鋼粉末和鋁合金；

4、步驟(2)：構(gòu)建內(nèi)置多孔骨架的不銹鋼棒狀模型；

5、步驟(3)：采用選區(qū)激光熔化slm打印成型步驟(2)的模型，得到內(nèi)置多孔骨架的不銹鋼棒材；

6、步驟(4)：熔化6061鋁合金；

7、步驟(5)：將不銹鋼棒材加熱到超過鋁合金熔點(diǎn)20-40℃，再將鋁合金溶液澆鑄到骨架孔隙中，得到初始復(fù)合棒材；

8、步驟(6)：使用線切割切去復(fù)合棒材頂端帶有澆口杯部分；

9、步驟(7)：對步驟(6)中得到的復(fù)合棒材加熱保溫后進(jìn)行旋鍛，得到拉長復(fù)合棒材；

10、步驟(8)：對拉長復(fù)合棒材進(jìn)行表面機(jī)械碾磨，最終得到擁有表面納米層和內(nèi)置不銹鋼骨架的金屬復(fù)合棒材。

11、進(jìn)一步的，步驟(1)中的不銹鋼粉末為304l不銹鋼粉末，粉末的顆粒尺寸范圍為16-52μm；鋁合金為6061鋁合金。

12、進(jìn)一步的，步驟(2)構(gòu)建的內(nèi)置多孔骨架的不銹鋼棒狀模型的結(jié)構(gòu)為：頂部帶有澆口杯，外殼呈管道形狀，內(nèi)部支撐為基于泰森多邊形voronoi結(jié)構(gòu)的隨機(jī)多孔骨架結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)平均孔徑d和孔隙率p兩個參數(shù)來控制模型整體結(jié)構(gòu)，其中d參數(shù)范圍為1-3mm，p參數(shù)范圍為60-80％，整體呈圓棒形。

13、進(jìn)一步的，步驟(3)中選區(qū)激光熔化采用的工藝參數(shù)為：激光功率為170-260w，掃描速度為750-850mm/s，掃描間距為100μm，采用交叉疊加方式進(jìn)行激光掃描，層與層之間夾角為67°。

14、進(jìn)一步的，步驟(3)在選區(qū)激光熔化slm的成型過程中工作艙內(nèi)充滿氮?dú)狻?/p>

15、進(jìn)一步的，步驟(4)具體為：使用電磁感應(yīng)加熱爐對6061鋁合金熔煉，熔煉溫度570-680℃，加熱過程中向合金添加精煉劑除渣，完成后令合金保溫在熔煉溫度，準(zhǔn)備澆鑄。

16、進(jìn)一步的，步驟(5)鋁合金溶液通過錐形澆口杯流入骨架孔隙中，鋁合金和不銹鋼骨架穩(wěn)固結(jié)合，至此，形成初始不銹鋼-鋁合金復(fù)合棒材。

17、進(jìn)一步的，步驟(7)對初始不銹鋼-鋁合金復(fù)合棒材加熱保溫，溫度為鋁合金熔點(diǎn)的80％，保溫時(shí)間8-10min，保溫后進(jìn)行單次壓下量為5％，總變形量為20-50％的旋鍛，形成長成復(fù)合棒材。

18、進(jìn)一步的，步驟(8)中碾磨壓頭為直徑14mm的wc/co球體，復(fù)合棒旋轉(zhuǎn)速度v1為140-160r/min，壓頭運(yùn)動速度v2為4-6mm/min，單次壓入深度為20-50μm，加工5道次，總壓入量100-250μm；最終得到內(nèi)置骨架且具有均勻的表面納米晶層和芯部粗晶的不銹鋼-鋁合金復(fù)合棒。

19、一種具有表面納米層和內(nèi)置骨架的雙金屬復(fù)合棒材，采用上述的方法制備。

20、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于：

21、(1)本發(fā)明中的內(nèi)置骨架是基于泰森多邊形(voronoi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的隨機(jī)多孔骨架結(jié)構(gòu)，多孔金屬結(jié)構(gòu)是兼顧結(jié)構(gòu)和功能的一體化材料，有著優(yōu)異的比強(qiáng)度和比剛度，具有吸能減震、多功能承載、隔音隔熱等功能；可以通過調(diào)節(jié)平均孔徑d和孔隙率p兩個參數(shù)來控制模型整體結(jié)構(gòu)，不僅設(shè)計(jì)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)可控，在受到外力沖擊時(shí)也能保持更好的穩(wěn)固性。

22、(2)本發(fā)明將鋁合金溶液澆鑄到固相不銹鋼多孔骨架中，上下互通的孔隙提高了鋁合金溶液流通性，兩種金屬之間通過熔合、擴(kuò)散等作用復(fù)合在一起，形成冶金結(jié)合；這種固-液復(fù)合技術(shù)工序簡單、受外形條件約束小、工藝設(shè)備要求簡單、生產(chǎn)效率較高，具有良好的發(fā)展前景。

23、(3)與實(shí)體金屬相比，打印多孔不銹鋼結(jié)構(gòu)和向其澆鑄低密度鋁合金都使復(fù)合棒材進(jìn)一步輕量化，實(shí)現(xiàn)減重和環(huán)境效益之間的平衡。

24、(4)對初始復(fù)合棒材進(jìn)一步旋鍛處理，使內(nèi)部凝固的鋁合金與不銹鋼骨架結(jié)合更牢固，內(nèi)部組織更加致密，進(jìn)一步消除少量由3d打印和澆鑄引起的缺陷；同時(shí)可以利用旋鍛技術(shù)調(diào)控復(fù)合棒長度，使其生產(chǎn)應(yīng)用范圍更加廣泛。

25、(5)本發(fā)明中旋鍛技術(shù)主要作用為使復(fù)合棒材內(nèi)部骨架和澆鑄溶液緊固結(jié)合，控制復(fù)合棒長度，表面納米層還需要利用表面機(jī)械碾磨完成；在表面機(jī)械碾磨過程中，可以通過調(diào)控壓入量和壓入道次調(diào)節(jié)粗晶和納米晶內(nèi)外層比例，從而實(shí)現(xiàn)塑性和強(qiáng)度匹配調(diào)整。

26、(6)本發(fā)明使用的激光選區(qū)熔化技術(shù)、鑄造、旋轉(zhuǎn)鍛造技術(shù)、表面機(jī)械碾磨等技術(shù)成熟，材料成本低，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益高，推動棒材結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)智能化和綠色化。