水下冲击波制备具有周期性双峰分布结构金属材料的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种通过爆炸产生水下冲击波，来制备具有周期性双峰结构金属材料 的方法。具体为在水下，通过炸药爆炸时产生的瞬时高压、高应变率的冲击波效应，使多块 平行累叠的金属基板一次性复合在一起，并在周围水的淬火作用下，得到周期性双峰分布 结构产品的方法。
【背景技术】
[0002] 材料的高强度一直是材料研究中追求的一个重要指标。经典的Hall-petch效应指 出，材料的屈服强度会随着晶粒尺寸的减小而逐渐增高。所以，晶粒细化能强化材料。比如， 纳米晶金属的强度能比粗晶材料的强度要高很多倍。但纳米晶粒由于其尺寸原因，不可能 发生位错塞积，因此纳米晶材料的塑性和韧性本征上很低。而材料的高韧性也在材料研究 中非常重要，它能帮助我们阻止器件在服役期间发生的断裂等灾难事故。因此，同时具备高 强度、高硬度，又具有高塑性、高韧性是很多科学家在研究材料时追求的指标，同时也很难 获得。
[0003] 双峰，如图1，是近年来提出的一种在材料中同时引入粗晶和细晶，使材料具备强 度和韧性的强韧化概念。
[0004] 目前，通过高压扭转/退火、硬板乳制、不对称乳制、叠乳等工艺方法，制备出了各 类大小晶粒分布的双峰材料。该类材料在代表强化性能的拉伸强度测试、代表塑性/韧性的 延伸率测试中，均具有较高数值水平，综合性能优秀。[Y. Wang，M. Chen，F. Zhou and E.Ma， High tensile ductility in a nanostructured metal，Nature，2002,419,912_ 915.G.D.Hibbard?J.L.McCrea ?G.Palumbo?K.T.Aust and U.Erb，An initial analysis of mechanisms leading to late stage abnormal grain growth in nanocrystalline Ni，Scripta Mater·，2002，47，83_87.K.Edalati，S.Toh，H.Iwaoka，M.Watanabe，Z.Horita， D.Kashioka?K.Kishida and H.Inui，Ultrahigh strength and high plasticity in TiAl intermetal1ics with bimodal grain structure and nanotwins ? Scripta Mater.，2012,67,814-817.M.Zha，Y.Li，R.H.Mathiesen，R. Bj0rge and H.J.Roven， Microstructure evolution and mechanical behavior of an Al~7Mg alloy processed by equal channel angular pressing，Acta Mater·，2015，84，42-54·X.Wu，M.Yang， F.Yuan?G.ffu?Y.Wei?X.Huang and Y.Zhu?Heterogeneous lamella structure unites ultrafine-grain strength with coarse-grain ductility?PNAS?2015?112?14501-14505.H.Wang ? Z. Yu ?L. Zhang ?C. Liu ?M.Zha ? C. Wang and Q. Jiang ?Achieving high strength and high ductility in magnesium alloy using hard-plate rolling(HPR) process，Sci .Reports，2015,5,17100.]然而，上述这些技术所获得的金属材料中，粗晶和 细晶一般来说排列不规则;并且有些方法，比如叠乳，金属材料中粗细晶界面处结合力比较 差，直接影响了材料的宏观性能。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是利用水下冲击波技术，将多层超薄金属基板复合在一起，制得具 有强韧化效应的周期性双峰分布结构的金属材料。
[0006] 本发明是这样实现的：一种水下冲击波制备具有周期性双峰分布结构金属材料的 方法，其特征在于该方法的步骤依次是：
[0007] A)预备多张表面经过预清理、厚度为0.5mm以下的金属基板;金属基板过厚可能导 致所得制品的纳米晶粒界面层比例降低，使得双峰分布结构中细晶过少，无法达到影响材 料宏观性质的效果。
[0008] 预备水池，水池底部设有平台；
[0009] 预备支架，防水炸药包，起爆器，厚度0.3mm以下、宽度l-2mm的垫层，防水胶布;垫 层过厚可能导致基板结合时沉积能量过大，引起材料变形开裂;垫层过宽会减小基板结合 面积，降低之间的复合率。
[0010] B)将金属基板从下到上进行皇叠，并将每层金属基板的四边用垫
[0011] 层支撑，使上下两层金属基板间形成中空层，得到皇叠件；
[0012] 将皇叠件侧面用防水胶布缠绕密封得到初坯；
[0013] 将初坯固定于平台上，并在初坯上面安放支架，支架上面放置带起爆器的防水炸 药包，且防水炸药包底面与初坯顶面之间留有10_30mm空隙；空隙过大，焊合所需能量太大， 导致材料变形开裂;空隙过小，焊合所需能量不够，可能导致金属基板无法结合。
[0014] 将水池灌水至完全淹没防水炸药包；
[0015] C)引爆防水炸药包，爆炸产生的冲击波实现对水下初坯的爆炸焊接复合，得到具 有周期性双峰分布结构的金属材料。
[0016] 进一步的方案是:防水炸药包的爆速为2800-3200m/s。爆速过大或过小，都会导致 爆炸时金属基板间无法形成射流，无法结合。
[0017] 所用加工板材料可以是Mg合金、A1合金、Cu合金、Ti合金、钢、Mo合金、Ta合金等多 种。皇叠件的层数主要由防水炸药包的炸药量、防水炸药包底面与初坯顶面之间空隙高度 等因素决定。
[0018] 本发明的优点和效果是:本发明方法制得的金属材料具有周期性双峰分布结构， 即具有两种晶粒尺寸的纳米晶粒界面层和微米晶粒基体层规则复合的层状结构。通过该方 法制得的强韧化金属材料能促进产品的轻量化，可以广泛应用于各型飞机、导弹、高速铁 路、装甲、单兵武器系统等，在军事领域里有着非常良好的应用前景;在民用中，对汽车轻量 化，节能减耗，尾气排放，防雾霾，抵抗温室效应等都具有重要意义。
[0019] 冲击波产生的材料大变形和水的淬火作用细化了晶粒，能制备一般方法(如冷乳、 ECAP)等无法细化到的晶粒度，如镁能细化到百纳米量级；水的缓冲和对波的均匀化作用， 非常适用于镁合金等难加工、易开裂、需加温加工的材料;且该方法还能够制备宏观尺寸的 板材，非常适合工业中的实际应用。
[0020] 爆炸过程中产生的大变形和水的淬火效果，会使得金属基板复合界面处晶粒细化 并不会明显长大，使之与金属基板的基体之间形成纳米晶/微米晶的双