一种轻量化金属材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及金属材料，尤其涉及一种轻量化金属材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、康复器械主要就是帮助患者开展被动运动和日常活动，促进康复的设备。康复器械多数由不锈钢、铁、塑料、木材为材料，通过机加、焊接、注塑等生产工艺做成需要的零件，最后由几个或上百个零件拼装成康复器械。但是，康复器械用的金属材料存在重量过大、不方便携带的问题，特别是在一些需要移动的康复训练中，重量过大会增加训练的难度，并且康复器械用材料制造和加工成本高，从而间接提高康复器械的加工成本。因此，研究人员逐渐使用塑料、橡胶和木材等材料代替铁和不锈钢，但是，在使用过程也会存在各种各样的问题，其中，康复器械用塑料长时间使用会出现磨损、开裂且强度低的问题，康复器械用橡胶材料随着时间的推移会失去原有的弹性，从而降低康复器械的综合性能，而当木材作为康复器械的材料时，还会出现受潮、变形和开裂等问题，严重影响康复器械的使用寿命。因此，提供一种高强度的康复器械用轻量化金属材料以提高康复器械的综合性能和使用寿命具有重要意义。

技术实现思路

1、针对现有康复器械用金属材料密度大、强度低、耐磨性差且耐腐蚀性差等问题，本发明提供一种轻量化金属材料及其制备方法和应用。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

3、本发明第一个方面提供一种轻量化金属材料，以质量百分含量计，由以下化学成分组成：c 0.05％～0.15％，mn 8％～12％，al 12％～15％，mo0.05％～0.12％，ti 0.05％～0.15％，ni 2％～6.5％，nb 0.02％～0.08％，cu0.3％～5％，v 0.05％～0.1％，cr0.08％-0.28％，余量为fe和不可避免的杂质。

4、相对于现有技术，本发明提供的轻量化金属材料，首先以碳、锰和铝作为主要成分，通过选择低量碳、中量锰和高量铝的配比，其中低量碳能降低金属材料的脆性，适当的锰含量有利于提高材料的强度和耐磨性，改善金属材料的机械性能，而高量铝在提高合金能进一步降低金属材料的密度，还能提高金属材料的耐腐蚀性能；本发明基于低量碳、中量锰和高量铝的设计思路，在降低轻量化金属材料密度的同时，还能保证其具有优异的强度和耐磨性；本发明还进一步添加了钼、钛、镍、铌、铜和钒合金元素，其中，钼、铌、铬和钒有利于进一步提高金属材料的强度和耐磨性；而钛、镍和铜的适量添加，可显著提高金属材料的耐腐蚀性能；本发明通过特定的元素组合，使制备的金属材料具有低密度的前提下，还具有优异的强度、耐磨性和耐腐蚀性，将其应用于3d打印康复器械中，解决了现有康复器械重量过大、强度低、耐腐蚀性差和耐磨性差的问题，从而使康复器械同时兼具轻量化、高强度、优异耐磨性和耐腐蚀性的优点，极大地提高了康复器械的使用寿命。

5、本发明第二个方面提供上述轻量化金属材料的制备方法，包括如下步骤：

6、步骤1、按设计配比称取各组分，在惰性氛围下，将称取的fe、mn、mo、ti和ni于1500℃～1700℃下进行第一次熔炼，得第一钢液；在所述第一钢液中加入cu、v、nb和c，然后于1550℃～1600℃下进行第二次熔炼，得第二钢液；向所述第二钢液中同时喷吹alcrn纳米颗粒，于1480℃～1520℃下进行第三次熔炼，冷却，得金属材料板坯；

7、步骤2、在惰性气氛下，将所述金属材料板坯于800℃～1200℃下进行固溶处理，然后于850℃～1150℃下进行两道次粗轧，得初级热轧板，然后将所述初级热轧板于1100℃～1150℃下进行两道次精轧，得热轧板；

8、步骤3、将所述热轧板降温至290℃～310℃，然后在惰性气氛下于650℃～680℃下进行固溶处理，得处理热轧板，将所述处理热轧板于600℃～630℃下进行第一次温轧，得第一阶段温轧板，将所述第一阶段温轧板于650℃～680℃下进行退火，得中间退火板，将所述中间退火板于600℃～630℃下进行第二次温轧，得温轧板；

9、步骤4、将所述温轧板于550℃～650℃下循环退火2～5次，然后于-170℃～-150℃进行冷冻，得所述轻量化金属材料。

10、本发明提供的轻量化金属材料的制备方法，步骤1中在第二次熔炼过程中引入cu、v、nb和c后，其中c的引入可以形成ti(c,n)沉淀相，从而提高金属材料的抗拉强度，然后在第三次熔炼过程中引入alcrn纳米颗粒，其中alcrn纳米颗粒作为发泡剂，在特定的熔炼温度下低熔点的crn相发生分解，析出cr和n2，从而使金属材料板坯呈疏松多孔的结构，降低了金属材料的密度，通过三阶段的熔炼，在降低金属材料板坯密度的同时，还能保证金属材料板坯的强度，进而使金属材料兼具轻质、高强度和高耐磨性的特点，本发明在通过三次熔炼后还进行了冷却处理，有利于金属材料获得精细化的组织，还有利于控制气泡的尺寸和数量，从而使金属材料兼具低密度和高强度；步骤2中先对金属材料板坯于特定温度下进行固溶处理，从而改善金属材料的耐腐蚀性能和强度，还有利于提高金属材料板坯的加工性能，然后分别于特定的温度下进行两道次粗轧和两道次精轧工艺，能改善组织的结构，在一定程度上达到细化组织的作用，从而有利于进一步提高金属材料的耐磨性能；步骤3中在对热轧板固溶处理结合两阶段温轧工艺，能进一步细化晶粒，还能实现所需的组织和晶粒生长，得到理想的金相组织，极大地提高金属材料的强度和耐磨性；步骤4中，冷冻处理能通过改善金属材料的晶体结构，去除金属材料内部的应力和残留变形，提高金属材料的综合性能，尤其是金属材料的强度、耐磨性和耐腐蚀性能；通过在特定的温度下进行先进行热处理然后快速冷却，一方面能抑制晶粒的长大，有利于获得细小均匀的组织，另一方面还有利于获得理想的铁素体+奥氏体组织，改善金属材料的强度和耐腐蚀性；通过本发明特定的制备方法制备得到的金属材料，通过采用熔炼-凝固阶段引入泡沫化处理-大塑性热轧和温轧-超快速冷却工艺系统，使制备的金属材料在具有低密度的前提下，还兼具高强度、优异耐磨性和耐腐蚀性的优点，将其应用于3d打印康复器械中，极大地提高了康复器械的使用寿命。

11、优选的，步骤1中，所述fe、mn、mo、ti和ni是以单质的形式加入。

12、优选的，cu以单质形式加入，v、nb和c以v-6fe-3nb-zrc合金形式加入。

13、优选的，步骤1中，所述第一次熔炼的时间为2h～6h。

14、优选的，步骤1中，第一次熔炼、第二次熔炼和第三次熔炼时均需要进行吹氩搅拌。

15、优选的，步骤1中，所述第一次熔炼过程中吹氩搅拌的氩气流量为10l/h～12l/h。

16、优选的，步骤1中，所述第一次熔炼过程中吹氩搅拌的速率为60rpm～80rpm。

17、优选的，步骤1中，所述第二次熔炼过程中吹氩搅拌的氩气流量为14l/h～16l/h。

18、优选的，步骤1中，所述第二次熔炼过程中吹氩搅拌的速率为80rpm～100rpm。

19、优选的，步骤1中，所述第三次熔炼过程中吹氩搅拌的氩气流量为26l/h～30l/h。

20、优选的，步骤1中，所述第三次熔炼过程中吹氩搅拌的速率为120rpm～150rpm。

21、优选的，步骤1中，所述第二次熔炼的时间为15min～30min。

22、优选的，步骤1中，喷吹alcrn纳米颗粒具体为以氩气为介质带入alcrn纳米颗粒，采用现有技术常规操作即可。

23、优选的，步骤1中，所述第三次熔炼的时间为5min～10min。

24、优选的，步骤1中，所述冷却还需要控制降温速率，当温度在1000℃～1500℃之间时，降温速率为25℃/min～30℃/min，当温度在650℃～1000℃之间时，降温速率为15℃/min～20℃/min，当温度在200℃～650℃之间时，降温速率为10℃/min～15℃/min。

25、优选的冷却工艺有利于形成精细化的组织，还能控制气泡的尺寸和数量，从而在减低密度的同时提高强度。

26、优选的，步骤2中，所述固溶处理的时间为12h～24h。

27、优选的，步骤2中，所述热轧时使用的是φ350mm热轧机组。

28、优选的，步骤2中，所述两道粗轧中第一道次粗轧的相对压下率为60％～65％，第二道次粗轧的相对压下率为50％～55％。

29、优选的，步骤2中，所述初级热轧板的厚度为9mm～12mm。

30、优选的，步骤2中，所述初级热轧板在进行两道次精轧前还需要于1100℃～1150℃下均匀化5min～10min。

31、优选的，步骤2中，所述两道次精轧中第一道次精轧和第二道次精轧的相对压下率均为50％～55％。

32、优选的，步骤2中，所述热轧板的厚度为3mm～3.5mm。

33、优选的，步骤3中，当热轧板的温度降温至850℃～900℃时，控制降温速率为180℃/s～200℃/s，直至降至290℃～310℃。

34、优选的，步骤3中，所述固溶处理的时间为1h～2h。

35、优选的，步骤3中，所述第一次温轧包括两道次温轧，所述两道次温轧的相对压下率均为15％～20％。

36、优选的，步骤3中，所述第一阶段温轧板的厚度为2mm～2.3mm。

37、优选的，步骤3中，所述退火的时间为3min～5min。

38、优选的，步骤3中，所述第二次温轧包括两道次温轧，所述两道次温轧的相对压下率均为20％～35％。

39、优选的，步骤3中，所述温轧板的厚度为1mm～1.25mm。

40、优选的，步骤4中，所述循环退火时，每次退火的时间为3min～5min。

41、进一步优选的，步骤4中，所述冷冻的时间为30s～120s。

42、本发明第三个方面提供上述轻量化金属材料在3d打印康复器械中的应用。

43、进一步优选的，所述康复器械在3d打印时至少包括一个第一打印枪、一个第二打印枪和一个第三打印枪。

44、进一步优选的，所述第一打印枪用于构建中空的金属基管状材料框架。

45、进一步优选的，所述第二打印枪用于吹出聚四氟乙烯树脂材料填充物。

46、进一步优选的，所述第三打印枪用于吹出轻量化金属材料和树脂交联物。

47、优选的，所述树脂交联物可以是甲基丙烯酸酯结构粘合剂或甲基丙烯酸甲酯粘合剂。

48、需要注意的是，轻量化金属材料在使用时还需要球磨至粒径为25μm～30μm，球磨前用激光剪切至冷冻后的温轧板的长、宽和高均为50μm～70μm。

49、进一步优选的，所述球磨的转速为3000rpm～8000rpm，所述球磨的时间为30h～80h。

50、进一步优选的，所述第一打印枪在3d打印中的参数为：温度1300℃～1700℃，打印速度为1.1cm/s-1.4cm/s。

51、进一步优选的，所述第二打印枪在3d打印中的参数为：温度200℃～300℃，打印速度为1.3cm/s-1.5cm/s。

52、进一步优选的，所述第三打印枪在3d打印中的参数为：温度180℃～210℃，打印速度为1.0cm/s-1.2cm/s。

53、进一步优选的，所述康复器械在3d打印完成后还需要在惰性氛围下于300℃-650℃处理8h-12h。

54、本发明通过特定的元素组合结合特定的制备方法制备的金属材料，内部疏松多孔，在具有低密度的前提下，还具有优异的强度、耐磨性和耐腐蚀性，解决了现有康复器械重量过大、强度低、耐腐蚀性差和耐磨性差的问题，从而实现康复器械同时兼具轻量化、高强度、优异耐磨性和耐腐蚀性的优点，极大地提高了康复器械的使用寿命。