一种异种金属层状连续复合材料及其制备方法

本发明属于材料加工领域，具体涉及一种异种金属层状连续复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、复合材料是由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等两种或两种以上的材料经过复合工艺而制备的多相材料，构成复合材料的几种材料之间的界面依然能够分辨，多种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，从而使复合材料的综合性能往往优于原组成材料而满足各种不同的要求。而且复合材料是否能获得的优异综合性能，除了与构成复合材料的各个组元自身性能有关外，在很大程度上还取决于复合材料界面(相界)的结构形态、数量、性质等。层状金属复合材料内部的界面会显著影响其的物理和力学性质，从而很大程度决定了这类材料的使用性能和服役表现。然而制备具有良好界面结合的层状金属复合材料往往较为困难。

2、制备层状复合材料的方法有塑性变形、粉末冶金、冷冻铸造、爆炸成型、反应烧结以及气相沉积等加工方法，其中塑性变形方法加工方法是利用金属材料优异的塑性变形能力，将不同成分的金属/合金板材累叠，然后采用冷/热加工的方法将金属板材加工成型为层状复合材料的一种常见方法。加工方法多选用轧制工艺，轧制后板材可根据情况进行热处理。此类工艺以累积叠轧技术和多层板轧制技术为主[mashhadi a,atrian a,ghalandril.mechanical and microstructural investigation of zn/sn multilayeredcomposites fabricated by accumulative roll bonding(arb)process[j].journal ofalloys and compounds,2017,727:1314-1323.]。公告日为2015年4月22日、公告号为cn102529217b的中国专利文件公开了一种累积叠轧制备钼纤维铜/钼复合板的方法，该方法对铜和钼薄板进行预处理、轧制、等分为两块及再次重复上述过程等典型累积叠轧工艺，使叠轧过程中钼层发生断裂而形成纤维状，钉扎在铜板中，形成钼纤维铜/钼复合板。实际上，上述方法从侧面反映出典型累积叠轧技术在制备层状金属复合材料过程中常见的层片组织发生失稳断裂的现象。由于剧烈塑性变形会使复合材料中较硬的材料发生局部变形，形成颈缩甚至断裂分离的现象[mozaffari a,manesh h d,janghorban k.evaluation ofmechanical properties and structure of multilayered al/ni composites producedby accumulative roll bonding(arb)process[j].journal of alloys and compounds,2010,489(1):103-109.]，并容易在断裂分离处形成应力集中，导致材料的提前失效[wangy,yang m,ma x,wang m,yin k,huang a,huang c.improved back stress andsynergetic strain hardening in coarse-grain/nanostructure laminates[j].materials science and engineering a,2018,727:113-118.]。当道次增加时，渐渐被强化的软相金属基体的力学性能会与原有硬相金属的力学性能想接近，最终两相金属共同均匀地发生变形。最后会形成以软相金属为基体，硬相金属均匀弥散分布的复合材料。由于硬相金属均匀弥散地分布在软相基体中，形成第二相粒子的弥散强化。使得经过累积轧制的复合材料的强度有着明显的提升，但延伸率急剧下降。

3、异种金属材料在累积叠轧后试样强度虽有大幅度的提高，但塑性都比较差，不利于材料后续的深加工与使用，极大地限制了累积叠轧技术的发展。因此，如何有效抑制复合材料制备过程中层片组织失稳，是获得性能优异金属复合材料的关键。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种异种金属层状连续复合材料的制备方法，该合成方法可应用于两种及两种以上金属(含合金)之间的复合，加工材料使用金属极薄带，将两条或两条以上的金属极薄带围绕共同轴心叠绕成管状样品，形成具有以起点、终点在管内外壁缠绕数圈的螺旋形界面。在加工过程种会保持各带的连续性，不会因材料失稳，而形成第二相为弥散分布的复合材料，材料加工成品为具有多层结构的金属复合材料。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种异种金属层状连续复合材料的制备方法，包括如下步骤：

3、步骤(1)：制备两种及两种以上金属薄带，表面预处理；

4、步骤(2)：将两条或两条以上的异种金属薄带围绕芯轴叠绕形成环套环复合层的管状样品坯料，管状样品具有以起点、终点在管内外壁缠绕数圈的螺旋形界面；

5、步骤(3)：采用芯轴和环套分别对管状样品坯料的内壁和外壁柱面进行约束，并用压力环对坯料的两个环形端面施加轴向载荷，使得圆管状组合坯料内部产生1gpa～30gpa静水压力，同时给芯轴和套环中的至少一个施加驱动扭矩，发生相对转动，直至变形量达到30-50％，使管状样品产生周向剪切变形，使样品中不同金属之间的界面发生冶金结合；形成的多层金属复合管材的界面最终依旧为起、终点分别在管内、外壁并在管壁内缠绕数圈的螺旋形界面。

6、进一步的，步骤(1)中制备的金属薄待的厚度为1mm以下。

7、进一步的，两种及两种以上金属薄带为强度和塑性不同的合金或者金属。

8、进一步的，步骤(1)中制备的金属薄带为镁合金或者铝合金时，表面预处理之前进行退火，退火温度为金属薄带的合金的再结晶温度以上30-100℃。

9、进一步的，步骤(1)中的表面预处理为：对每个表面砂纸打磨和酒精清洗，再电解抛光，去除表面的污染物以及氧化物。

10、进一步的，步骤(2)中的管状样品坯料的内半径为20±2mm，管状样品坯料的厚度为2-6mm，管状样品坯料的高度为20-40mm。

11、进一步的，步骤(3)中相对转动的转速为0.1r/min～0.3r/min。

12、一种异种金属层状连续复合材料，采用上述的方法制备。

13、本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

14、(1)加工工序简单，生产效率高。本发明制备多层结构的过程中并不是根据需要的层数逐层叠加复合，而是对样品加轴向压力的同时，给芯轴和套环中的至少一个施加驱动扭矩，使其产生周向剪切变形，金属极薄带沿着周向伸长，就会不断发生界面增殖，不同金属之间在更多的位置产生冶金结合形成更多界面；除加工前对试样进行一定的表面处理后，无需在加工过程中对试样表面进行处理，这一连续过程中，并且完全避免了与外界环境的接触，减小了界面被污染的概率，在高压和剧烈塑性变形的共同作用下，可以获得完全冶金结合的多层结构；而累积叠轧等加工方法，每一循环道次开始前，都会有界面暴漏在空气或环境中，增加氧化以及污染的概率。

15、(2)加工对象为两条异种金属薄带，将两条或两条以上的金属薄带围绕芯轴叠绕形成环套环复合层的管状样品，形成具有以起点、终点在管内外壁缠绕数圈的螺旋形界面；加工时，通过周向高压剪切变形，使其焊合成一体，并保持各带的连续性，不会像累积叠轧过程中由于组织变形不均匀而导致硬相金属层发生颈缩、断裂，因失稳导致硬相金属层断裂，而形成第二相为弥散分布的复合材料，导致塑性降低；通过此方法，可制备多层复合材料高强韧复合材料。