一種高強(qiáng)韌性金屬預(yù)制材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，具體涉及一種高強(qiáng)韌性金屬預(yù)制材料及其制備方法， 尤其適用于制造運(yùn)載工具。
【背景技術(shù)】
[0002] 提高材料的強(qiáng)韌性，減輕運(yùn)載工具的重量，是現(xiàn)代制造業(yè)中不斷追求的目標(biāo)，其核 心是圍繞新型材料和新的材料加工工藝開展研究工作。
[0003] 以汽車為例，隨著環(huán)保要求和輕量化、電動化的轉(zhuǎn)型，有關(guān)汽車輕量化技術(shù)的研究 得到世界各國的重視，采取的相關(guān)措施包括選用高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金及塑料復(fù)合材料等 來實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，國際鋼鐵協(xié)會開展ULSAB超輕鋼車身研究項(xiàng)目，力爭實(shí)現(xiàn)轎車自車身 減輕質(zhì)量20% ;輕量化目標(biāo)包括超輕鋼懸架系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)支架以及其他結(jié)構(gòu)件，使所制得的 白車身燃油效率明顯改善，并可大批量生產(chǎn)。
[0004] 在汽車特別是轎車制造時，為了減輕汽車的自重，并使車身有良好的流線外觀，常 常采用各種高強(qiáng)度鋼或者型材。特別是近年來，基于激光焊接技術(shù)的不等厚板（又稱差厚 板）被廣泛應(yīng)用于車身、車門的結(jié)構(gòu)材料。其中，主承力部分一般采用厚度較大的鋼板，而 次承力或者不承力的部分一般采用較薄的鋼板，兩者通過激光焊接連接起來，確保結(jié)構(gòu)件 的強(qiáng)度，最后通過沖壓成型。除了不等厚板外，汽車的覆蓋面板、頂板，汽車車身的框架結(jié)構(gòu) 等也是由板材加工成型的。
[0005] 事實(shí)上，不僅僅在汽車制造中，在航空航天飛行器、船舶、高速列車等制造中，都存 在如何降低運(yùn)載工具自重、提高運(yùn)輸效能的問題。減輕上述構(gòu)件自重的最佳技術(shù)路線是采 用高強(qiáng)度鋼甚至超高強(qiáng)度鋼。然而，這一技術(shù)路線存在的主要問題是，高強(qiáng)鋼或者超高強(qiáng)度 鋼的焊接特性與沖壓特性不足，因此難以兼顧高強(qiáng)度和良好的加工特性。
[0006] 因此，在保證安全性的前提下，如何進(jìn)一步降低板材的厚度，提高板材的性能，成 為運(yùn)載工具如飛機(jī)、航天飛行器、汽車制造工業(yè)努力追求的目標(biāo)。為此，需要發(fā)展兼有高強(qiáng) 度、高剛性同時兼有良好的焊接性、沖壓特性的材料。顯然，傳統(tǒng)的金屬材料無法滿足上述 要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提出了一種高強(qiáng)韌性金屬預(yù)制材料及其制備方法，該預(yù)制材料既具有金屬 平衡態(tài)組織高延性、可焊性特點(diǎn)，又兼具金屬強(qiáng)化組織的高強(qiáng)度、高耐磨性能，具有高的強(qiáng) 韌性，并且還具有重量輕的特點(diǎn)。
[0008] 本發(fā)明提供的一種高強(qiáng)韌性金屬預(yù)制材料，其特征在于，該材料的基體為金屬或 合金，在基體上分布有由選區(qū)強(qiáng)韌化處理所獲得的異質(zhì)異構(gòu)型增強(qiáng)相，該材料在保持基體 重量基本不變的情況下，既有金屬平衡態(tài)組織延展性和可焊性，又兼具金屬亞穩(wěn)態(tài)組織的 強(qiáng)度耐磨性能。本發(fā)明提供的一種高強(qiáng)韌性金屬預(yù)制材料的制備方法，其特征在于，該方法 采用包括高功率激光束或電子束、離子束以及感應(yīng)熱源在內(nèi)的能量束/場，利用所述能量 束/場對金屬或合金材料進(jìn)行選區(qū)強(qiáng)韌化處理，在基體獲得異質(zhì)異構(gòu)型增強(qiáng)相，能夠在保 持基體重量基本不變的情況下，既有金屬平衡態(tài)組織高延性、可焊性特點(diǎn)，又兼具金屬亞穩(wěn) 態(tài)組織的高強(qiáng)度、高耐磨性能。
[0009] 所述基體可以為等厚或不等厚板材；基體可以是鋼鐵材料，也可以包括鋁合金、鈦 合金等有色金屬材料。
[0010] 所述增強(qiáng)相是與基材金屬具有不同化學(xué)成分的異質(zhì)異構(gòu)型增強(qiáng)相，該增強(qiáng)相可以 成線條狀，球形顆?；蛘甙肭驙罨蛘咂渌螤?，其形態(tài)和分布區(qū)域根據(jù)性能要求和加工要 求預(yù)先規(guī)劃得到。分布在基體上不同區(qū)域的增強(qiáng)相可以根據(jù)對材料的要求進(jìn)行選擇，當(dāng)材 料對不同區(qū)域的性能要求不一致時，增強(qiáng)相的強(qiáng)度、硬度以及數(shù)量、大小、分布密度也根據(jù) 要求做相應(yīng)的變化。
[0011] 所述材料厚度可以與基體材料厚度一致，用于替代不等厚板。也可以是不等厚板 材，但是構(gòu)件整體厚度因此可以較原要求大幅度降低。該類材料可以是板材或型材。
[0012] 所述選區(qū)強(qiáng)韌化處理是指選區(qū)改變材料的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變其性 能，具體為采用高功率能量束/場在金屬基體上進(jìn)行選區(qū)合金化或選區(qū)表面熔覆處理。本 發(fā)明方法還可以通過調(diào)整增強(qiáng)相的成分、尺寸大小、數(shù)量或分布方式，使得所形成的材料結(jié) 構(gòu)與性能上滿足零件的服役需求。
[0013] 由于本發(fā)明提供的高強(qiáng)韌性金屬預(yù)制材料強(qiáng)度大幅度提高，而塑性指標(biāo)又變化較 小，因此可以在確保構(gòu)件整體力學(xué)性能不降低的前提下，減少結(jié)構(gòu)件的厚度。對于在轎車制 造中廣泛使用的不等厚板，甚至只需要對厚度均勻的金屬薄板零件中承力部分進(jìn)行選區(qū)處 理，形成金屬基復(fù)合材料，而對次承力或者不承力部分不進(jìn)行或者少處理，使其保持原板的 強(qiáng)韌性，就可以在保證汽車車身強(qiáng)度與性能的同時，大幅度減輕車身的重量。當(dāng)然，如果對 原來的差厚板厚、薄部分都分別進(jìn)行處理，則可以更大幅度地提高材料的性能，降低板材的 厚度。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下技術(shù)特點(diǎn)：
[0015] (1)在原有金屬基體內(nèi)，原位形成增強(qiáng)相：通過選區(qū)強(qiáng)韌化的工藝方法使得基體 中局部區(qū)域發(fā)生成分、組織結(jié)構(gòu)及性能的變化，原位轉(zhuǎn)變成為金屬基復(fù)合材料中的增強(qiáng)相。 由于這種增強(qiáng)相本身也是金屬材料，因此所形成的金屬基復(fù)合材料與此前為大家熟知的金 屬基復(fù)合材料的種類存在很大差別，屬于新型金屬基復(fù)合材料；相應(yīng)的工藝也是全新的金 屬基復(fù)合材料制備工藝。
[0016] (2)制造工藝多樣化：選區(qū)強(qiáng)韌化處理工藝可以采用激光束、電子束、離子束、等 離子弧或者感應(yīng)熱源等方式進(jìn)行，這些能量源的共同特點(diǎn)是可以方便地調(diào)控能量輸入量、 輸入方式及軌跡（圖形），選區(qū)地實(shí)現(xiàn)基材金屬的組織結(jié)構(gòu)與性能變化。換句話說，可以根 據(jù)零件性能的需要對金屬基復(fù)合材料設(shè)計(jì)進(jìn)行個性化設(shè)計(jì)和加工，使其滿足工況需求，這 是其它金屬基復(fù)合材料制造過程所無法做到的。
[0017] (3)增強(qiáng)相的組織形態(tài)、力學(xué)性能和制造方式多樣化：根據(jù)金屬基體的成分與組 織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，可以采用基于合金化或熔覆的工藝（激光或者其它能量束為熱源），同時 伴隨有熔化-凝固相變的強(qiáng)化工藝，形成異質(zhì)異構(gòu)金屬基復(fù)合材料。
[0018] (4)本發(fā)明方法可以對成型后的金屬零部件再次進(jìn)行異質(zhì)異構(gòu)復(fù)合強(qiáng)化處理：對 于一些后續(xù)加工（如銑削、切割、焊接、沖壓）要求復(fù)雜的金屬零部件而言，還可以根據(jù)待加 工零件的要求，先只對不需要后續(xù)加工的材料預(yù)制成金屬基復(fù)合材料，待加工完成后，再對 加工區(qū)域進(jìn)行復(fù)合強(qiáng)化處理，形成異質(zhì)異構(gòu)金屬基復(fù)合材料，從而確保構(gòu)件的整體性能不 降低。
[0019] (5)本發(fā)明的高強(qiáng)韌性金屬預(yù)制材料，可以是金屬板材，也可以是金屬型材或者其 它任意形狀。特別重要的是，形成增強(qiáng)相的區(qū)域可以進(jìn)行預(yù)先規(guī)劃，例如，對于需要變形的 區(qū)域，或者是需要焊接的區(qū)域可以先不形成增強(qiáng)相，而在變形或焊接后完成后再根據(jù)需要 在該處補(bǔ)充增強(qiáng)相，從而規(guī)避現(xiàn)有金屬基復(fù)合材料不易進(jìn)行后續(xù)成形加工的難題。
[0020] (6)適合的材料范圍寬：本發(fā)明不僅適合鋼鐵材料，而且適合有色金屬材料；不僅 適合能夠產(chǎn)生馬氏體相變的鐵基合金，也能夠適合非馬氏體相變的其它強(qiáng)化方式的鐵基、 鈷基、鎳基、銅基、鋁基、鈦基等有色金屬材料體系，形成相應(yīng)的金屬基復(fù)合材料，如鋁基、鎂 基、鈦基、鎳基、鐵基和銅基的異質(zhì)異構(gòu)復(fù)合材料。
[0021] 總之，本發(fā)明提供的金屬預(yù)制材料可以在保證構(gòu)件性能不降低的前提下，大幅度 減少構(gòu)件的厚度或者自重，因此可望在汽車、飛機(jī)、船舶、列車等工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。
【附圖說明】
[0022] 圖1本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的點(diǎn)陣狀高強(qiáng)韌性金屬預(yù)制材料示意圖。
[0023] 圖2本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的貫穿線條狀高強(qiáng)韌性金屬預(yù)制材料示意圖。
[0024] 圖3本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的短桿狀線條狀高強(qiáng)韌性金屬預(yù)制材料圖。
[0025] 圖4是本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的垂直交錯短桿陣列高強(qiáng)韌性金屬預(yù)制材料示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 本發(fā)明首次提出了一種通過選區(qū)改變金屬材料的合金成分、組織結(jié)構(gòu)、性能，形成 增強(qiáng)相并獲得新型金屬基復(fù)合材料的方法。制備所采用的工具可以是激光束、電子束、離子 束或者感應(yīng)熱源等。
[0027] 與現(xiàn)有的金屬材料體系相比，本發(fā)明提出高強(qiáng)韌性金屬預(yù)制材料為異質(zhì)異構(gòu)型金 屬基復(fù)合材料?！揪唧w實(shí)施方式】有兩種，即：選區(qū)合金化和選區(qū)熔覆工藝。通過選區(qū)合金化和 選區(qū)熔覆方法在金屬基體上制備增強(qiáng)相，所述增強(qiáng)相的化學(xué)成分、顯微組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性 能與基體存在明顯差別，但是與基體的結(jié)合形式為冶金結(jié)合，因此所形成的是異質(zhì)異構(gòu)金 屬基復(fù)合材料。在這種新型高強(qiáng)韌性金屬預(yù)制材料中，金屬基體為原始基本結(jié)構(gòu)體，增強(qiáng)相 則可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成線（條）狀、球形、半球形顆粒狀或者其它任意狀態(tài)。增強(qiáng)相與金屬 基體之間的異質(zhì)異構(gòu)屬性表明，在增強(qiáng)相與金屬基體之間不僅存在明顯的成分梯度，而且 顯微組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能具有明顯差別。但是，這種新型的金屬基復(fù)合材料仍然為全金屬 結(jié)構(gòu)，只是增強(qiáng)相的化學(xué)成分及顯微組織結(jié)構(gòu)與基體金屬不同，并因此導(dǎo)致性能的顯著差 異。
[0028] 選區(qū)合金化或者選區(qū)熔覆可以使金屬基體發(fā)生局部快速熔化-冷凝，形成的異質(zhì) 異構(gòu)金屬基復(fù)合材料有時候也具有相變淬火或熔凝淬火的效果，因此增強(qiáng)相的組織結(jié)構(gòu)與 性能匹配比單純固態(tài)相變形成的金屬基復(fù)合材料的部分性