一种轻质、高强、高吸能多孔TWIP钢及其制备方法

本发明涉及先进金属材料的制备领域，具体是一种轻质、高强、高吸能多孔twip钢及其制备方法。

背景技术：

1、多孔金属是一种兼具结构和功能双重属性的工程材料，由金属基体和孔隙共同组成，具有轻质、比表面积大、比强度高、能量吸收性好及绝热等优点，作为功能结构材料在工业上有着广泛的应用。尤其是车辆机械及航空航天等领域，多孔金属材料的应用可以有效减轻车辆、飞机及航天器等机械装置的重量，实现轻量化，促进节能减排。同时，利用材料优异的吸能性，可提高机械装置的抗冲击、缓冲吸能能力，降低其受冲击变形损坏程度，有效提升驾乘人员的安全性。可见，多孔金属作为轻质结构材料，其优异的吸能性，与车辆机械及航空航天工业的发展需求非常契合。因此，有必要对其开展持续的研究，尤其是研发新型的先进多孔金属材料，进一步提升其综合性能，尤其是吸能性。目的是提升机械装置轻量化水平同时，显著提高装置的抗冲击变形能力，最终有效增加装置本身及驾乘人员的安全性，同时也与国家节能减排的绿色发展要求相契合。

2、然而目前多孔金属的研制主要集中在铁、镍、铜、铝、钴、铬、金、银及其合金，钛合金及不锈钢等。孪生诱发塑性(twining induced plasticity,twip)钢作为一种新型高锰合金钢，凭借其较高的强度和超高吸能性及吸能效率，以及良好的成形性和耐候性，在汽车、轨道交通，航天及国防等现代工程领域表现出极大的应用潜力。当前，针对该合金的研究及应用主要基于传统感应熔炼铸锭结合各种变形热处理成型的块体材料。考虑到机械装置轻量化的需求，再结合该合金的优异吸能特性，拟设计制备一种高比强度、高吸能轻质多孔twip钢。目前，几乎没有利用成型粉末冶金法直接制备多孔twip钢的相关报道。粉末冶金作为集材料制备与零件成型于一体，节能、节材、高效、最终成形、少污染的先进制造技术，具有成本低、效率高，孔径及分布等微观特征易控、操作简单等特点。

3、因此，本发明拟利用成型粉末烧结法，采用ma结合造孔及高温烧结工艺来制备一种孔径、孔隙率可控的多孔twip钢，从而获得较高的比强度及高吸能性，并希望藉此为多孔twip钢的研究提供一定参考的同时，增加材料的工程应用途径，扩大其应用范围。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种轻质、高强、高吸能多孔twip钢及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种轻质、高强、高吸能多孔twip钢，所述合金钢的化学成分质量百分比为：mn：18-23；c：0.2-0.6；p≤0.008；s≤0.005；其余为fe；其组织为单一奥氏体，由基体与孔隙共同组成，孔隙率10％-80％、孔径0.1-0.6mm可控。

4、一种轻质、高强、高吸能多孔twip钢的制备方法，包括以下步骤：

5、(1)机械合金化：按设计组分比例，将原料粉末放入行星球磨罐，球料比10：1，球磨速度200r/min，在氩气保护下球磨40-80h，获得完全合金化的fe-mn-c合金粉末，合金粉末的平均粒径范围10-60μm；

6、(2)混料压制：将合金粉末与碳酸氢铵颗粒，粒径0.1-0.6mm，按一定比例称重，放入v型混料机，均匀混合1-2h，放入φ12mm圆柱形模具，普通冷压200mpa；

7、(3)预烧结造孔：将压制完成的合金块体放入管式炉，在流动高纯氩气保护下200℃预烧3h、炉冷，去除碳酸氢铵颗粒，完成造孔；

8、(4)高温烧结：将多孔块体，放入高温烧结炉，在氩气保护下，1050-1250℃烧结2-3h后，炉冷，获得直径12mm、高度12mm的多孔圆柱块体。

9、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

10、本发明提供的一种轻质、高强、高吸能多孔twip钢及其制备，首次利用机械合金化结合粉末成型烧结工艺，实现孔径、孔隙率可控的轻质多孔twip钢的直接制备。鉴于该材料特有的塑性变形机制及高加工硬化能力，再结合多孔结构，使其在获得较高比强度的同时兼具优异的吸能性，可作为理想的功能结构材料，应用于某些对轻量化及抗撞击缓冲防护等需求较高的工程领域。此外，该制备方法高效便捷，同时能根据实际工程需求或者元件结构，调整烧结模具，实现特定产品的直接成型，符合高效节能、绿色环保的先进制造要求。本发明的制备的fe-mn-c预合金粉末及获得的多孔twip钢组织及主要力学性能如图1、2所示。由图1可以看出，本发明制备的多孔twip钢具有细小孔隙结构，孔隙分布均匀，粉末颗粒烧结程度好，呈现出较高的金属光泽。

技术特征：

1.一种轻质、高强、高吸能多孔twip钢，其特征在于，所述合金钢的化学成分质量百分比为：mn：18-23；c：0.2-0.6；p≤0.008；s≤0.005；其余为fe；其组织为单一奥氏体，由基体与孔隙共同组成，孔隙率10％-80％、孔径0.1-0.6mm可控。

2.根据权利要求1所述的一种轻质、高强、高吸能多孔twip钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种轻质、高强、高吸能多孔TWIP钢及其制备方法。将高纯金属Fe、Mn粉末及高纯石墨按一定比例称重并混合，然后依次通过机械合金化(MA)、造孔及高温烧结获得不同孔径、孔隙率的多孔结构TWIP钢。该合金具有轻质、高比强及高吸能性等特点，可作为新一代抗冲击、缓冲吸能材料用于多领域。目前，多孔金属的研制主要集中中铝、铜、钛、镁、镍合金、不锈钢等，而针对TWIP钢的多孔制备几乎没有任何报道。本发明采用成型粉末烧结法，利用MA结合造孔及高温烧结可实现孔径、孔隙率可控的轻质多孔TWIP钢直接制备，利用TWIP钢独特的TWIP效应及高加工硬化能力，获得较高比强度兼具极高的缓冲吸能本领。

技术研发人员：汪聃,黄亮亮,王新福,郝刚领,王伟国,李先雨
受保护的技术使用者：延安大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16