一种高强韧性金属预制材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属材料领域，具体涉及一种高强韧性金属预制材料及其制备方法， 尤其适用于制造运载工具。
【背景技术】
[0002] 提高材料的强韧性，减轻运载工具的重量，是现代制造业中不断追求的目标，其核 心是围绕新型材料和新的材料加工工艺开展研究工作。
[0003] 以汽车为例，随着环保要求和轻量化、电动化的转型，有关汽车轻量化技术的研究 得到世界各国的重视，采取的相关措施包括选用高强钢、铝合金、镁合金及塑料复合材料等 来实现汽车轻量化，国际钢铁协会开展ULSAB超轻钢车身研究项目，力争实现轿车自车身 减轻质量20% ;轻量化目标包括超轻钢悬架系统、发动机支架以及其他结构件，使所制得的 白车身燃油效率明显改善，并可大批量生产。
[0004] 在汽车特别是轿车制造时，为了减轻汽车的自重，并使车身有良好的流线外观，常 常采用各种高强度钢或者型材。特别是近年来，基于激光焊接技术的不等厚板（又称差厚 板）被广泛应用于车身、车门的结构材料。其中，主承力部分一般采用厚度较大的钢板，而 次承力或者不承力的部分一般采用较薄的钢板，两者通过激光焊接连接起来，确保结构件 的强度，最后通过冲压成型。除了不等厚板外，汽车的覆盖面板、顶板，汽车车身的框架结构 等也是由板材加工成型的。
[0005] 事实上，不仅仅在汽车制造中，在航空航天飞行器、船舶、高速列车等制造中，都存 在如何降低运载工具自重、提高运输效能的问题。减轻上述构件自重的最佳技术路线是采 用高强度钢甚至超高强度钢。然而，这一技术路线存在的主要问题是，高强钢或者超高强度 钢的焊接特性与冲压特性不足，因此难以兼顾高强度和良好的加工特性。
[0006] 因此，在保证安全性的前提下，如何进一步降低板材的厚度，提高板材的性能，成 为运载工具如飞机、航天飞行器、汽车制造工业努力追求的目标。为此，需要发展兼有高强 度、高刚性同时兼有良好的焊接性、冲压特性的材料。显然，传统的金属材料无法满足上述 要求。
【发明内容】
[0007] 本发明提出了一种高强韧性金属预制材料及其制备方法，该预制材料既具有金属 平衡态组织高延性、可焊性特点，又兼具金属强化组织的高强度、高耐磨性能，具有高的强 韧性，并且还具有重量轻的特点。
[0008] 本发明提供的一种高强韧性金属预制材料，其特征在于，该材料的基体为金属或 合金，在基体上分布有由选区强韧化处理所获得的异质异构型增强相，该材料在保持基体 重量基本不变的情况下，既有金属平衡态组织延展性和可焊性，又兼具金属亚稳态组织的 强度耐磨性能。本发明提供的一种高强韧性金属预制材料的制备方法，其特征在于，该方法 采用包括高功率激光束或电子束、离子束以及感应热源在内的能量束/场，利用所述能量 束/场对金属或合金材料进行选区强韧化处理，在基体获得异质异构型增强相，能够在保 持基体重量基本不变的情况下，既有金属平衡态组织高延性、可焊性特点，又兼具金属亚稳 态组织的高强度、高耐磨性能。
[0009] 所述基体可以为等厚或不等厚板材；基体可以是钢铁材料，也可以包括铝合金、钛 合金等有色金属材料。
[0010] 所述增强相是与基材金属具有不同化学成分的异质异构型增强相，该增强相可以 成线条状，球形颗粒或者半球状或者其它形状，其形态和分布区域根据性能要求和加工要 求预先规划得到。分布在基体上不同区域的增强相可以根据对材料的要求进行选择，当材 料对不同区域的性能要求不一致时，增强相的强度、硬度以及数量、大小、分布密度也根据 要求做相应的变化。
[0011] 所述材料厚度可以与基体材料厚度一致，用于替代不等厚板。也可以是不等厚板 材，但是构件整体厚度因此可以较原要求大幅度降低。该类材料可以是板材或型材。
[0012] 所述选区强韧化处理是指选区改变材料的化学成分和组织结构，进而改变其性 能，具体为采用高功率能量束/场在金属基体上进行选区合金化或选区表面熔覆处理。本 发明方法还可以通过调整增强相的成分、尺寸大小、数量或分布方式，使得所形成的材料结 构与性能上满足零件的服役需求。
[0013] 由于本发明提供的高强韧性金属预制材料强度大幅度提高，而塑性指标又变化较 小，因此可以在确保构件整体力学性能不降低的前提下，减少结构件的厚度。对于在轿车制 造中广泛使用的不等厚板，甚至只需要对厚度均匀的金属薄板零件中承力部分进行选区处 理，形成金属基复合材料，而对次承力或者不承力部分不进行或者少处理，使其保持原板的 强韧性，就可以在保证汽车车身强度与性能的同时，大幅度减轻车身的重量。当然，如果对 原来的差厚板厚、薄部分都分别进行处理，则可以更大幅度地提高材料的性能，降低板材的 厚度。
[0014] 与现有技术相比，本发明具有如下技术特点：
[0015] (1)在原有金属基体内，原位形成增强相：通过选区强韧化的工艺方法使得基体 中局部区域发生成分、组织结构及性能的变化，原位转变成为金属基复合材料中的增强相。 由于这种增强相本身也是金属材料，因此所形成的金属基复合材料与此前为大家熟知的金 属基复合材料的种类存在很大差别，属于新型金属基复合材料；相应的工艺也是全新的金 属基复合材料制备工艺。
[0016] (2)制造工艺多样化：选区强韧化处理工艺可以采用激光束、电子束、离子束、等 离子弧或者感应热源等方式进行，这些能量源的共同特点是可以方便地调控能量输入量、 输入方式及轨迹（图形），选区地实现基材金属的组织结构与性能变化。换句话说，可以根 据零件性能的需要对金属基复合材料设计进行个性化设计和加工，使其满足工况需求，这 是其它金属基复合材料制造过程所无法做到的。
[0017] (3)增强相的组织形态、力学性能和制造方式多样化：根据金属基体的成分与组 织结构特点不同，可以采用基于合金化或熔覆的工艺（激光或者其它能量束为热源），同时 伴随有熔化-凝固相变的强化工艺，形成异质异构金属基复合材料。
[0018] (4)本发明方法可以对成型后的金属零部件再次进行异质异构复合强化处理：对 于一些后续加工（如铣削、切割、焊接、冲压）要求复杂的金属零部件而言，还可以根据待加 工零件的要求，先只对不需要后续加工的材料预制成金属基复合材料，待加工完成后，再对 加工区域进行复合强化处理，形成异质异构金属基复合材料，从而确保构件的整体性能不 降低。
[0019] (5)本发明的高强韧性金属预制材料，可以是金属板材，也可以是金属型材或者其 它任意形状。特别重要的是，形成增强相的区域可以进行预先规划，例如，对于需要变形的 区域，或者是需要焊接的区域可以先不形成增强相，而在变形或焊接后完成后再根据需要 在该处补充增强相，从而规避现有金属基复合材料不易进行后续成形加工的难题。
[0020] (6)适合的材料范围宽：本发明不仅适合钢铁材料，而且适合有色金属材料；不仅 适合能够产生马氏体相变的铁基合金，也能够适合非马氏体相变的其它强化方式的铁基、 钴基、镍基、铜基、铝基、钛基等有色金属材料体系，形成相应的金属基复合材料，如铝基、镁 基、钛基、镍基、铁基和铜基的异质异构复合材料。
[0021] 总之，本发明提供的金属预制材料可以在保证构件性能不降低的前提下，大幅度 减少构件的厚度或者自重，因此可望在汽车、飞机、船舶、列车等工业领域中得到广泛应用。
【附图说明】
[0022] 图1本发明所实现的点阵状高强韧性金属预制材料示意图。
[0023] 图2本发明所实现的贯穿线条状高强韧性金属预制材料示意图。
[0024] 图3本发明所实现的短杆状线条状高强韧性金属预制材料图。
[0025] 图4是本发明所实现的垂直交错短杆阵列高强韧性金属预制材料示意图。
【具体实施方式】
[0026] 本发明首次提出了一种通过选区改变金属材料的合金成分、组织结构、性能，形成 增强相并获得新型金属基复合材料的方法。制备所采用的工具可以是激光束、电子束、离子 束或者感应热源等。
[0027] 与现有的金属材料体系相比，本发明提出高强韧性金属预制材料为异质异构型金 属基复合材料。【具体实施方式】有两种，即：选区合金化和选区熔覆工艺。通过选区合金化和 选区熔覆方法在金属基体上制备增强相，所述增强相的化学成分、显微组织结构和力学性 能与基体存在明显差别，但是与基体的结合形式为冶金结合，因此所形成的是异质异构金 属基复合材料。在这种新型高强韧性金属预制材料中，金属基体为原始基本结构体，增强相 则可以根据需要设计成线（条）状、球形、半球形颗粒状或者其它任意状态。增强相与金属 基体之间的异质异构属性表明，在增强相与金属基体之间不仅存在明显的成分梯度，而且 显微组织结构与力学性能具有明显差别。但是，这种新型的金属基复合材料仍然为全金属 结构，只是增强相的化学成分及显微组织结构与基体金属不同，并因此导致性能的显著差 异。
[0028] 选区合金化或者选区熔覆可以使金属基体发生局部快速熔化-冷凝，形成的异质 异构金属基复合材料有时候也具有相变淬火或熔凝淬火的效果，因此增强相的组织结构与 性能匹配比单纯固态相变形成的金属基复合材料的部分性