一种金属材料的制备方法

摘要

本发明公开了一种金属材料的制备方法，包括：将待制备金属材料水平放置在凹模和凸模的波浪面之间，压力机与所述凸模相连接，通过所述凸模对所述金属材料压制使得所述金属材料与所述凸模和所述凹模完全接触，将经过所述压制的金属材料顶出并水平翻转后再置于所述凹模和所述凸模的波浪面之间，重复所述压制和所述翻转过程直至所述金属材料的应变量积累符合要求为止，通过平面模具将经过形变的所述金属材料压平后取出。本发明能够制备大尺寸的纳米材料；组织细化能力更强，变形更加均匀，加工过程更加简单；不会出现宏观织构缺陷，可得到晶粒尺寸分布均匀且各向同性的纳米材料。

权利要求

1.一种金属材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将待制备金属材料水平放置在凹模和凸模的波浪面之间，波浪面模具的波浪特征沿着各个方向均匀变化；

启动压力机，所述压力机与所述凸模相连接，通过所述凸模对所述金属材料压制使得所述金属材料与所述凸模和所述凹模完全接触；

将经过所述压制的金属材料顶出，并将所述金属材料水平翻转后再置于所述凹模和所述凸模的波浪面之间，形变的所述金属材料形成有若干山峰状凸起；

重复所述压制过程，将再次压制的金属材料顶出后再次水平翻转后再置于所述凹模和所述凸模的波浪面之间，重复所述压制和所述翻转过程直至所述金属材料的应变量积累符合要求为止；

通过平面模具将经过形变的所述金属材料压平后取出。

2.如权利要求1所述的一种金属材料的制备方法，其特征在于，所述凸模和所述凹模的材质为模具钢，所述金属材料可以为纯金属或合金。

3.如权利要求1所述的一种金属材料的制备方法，其特征在于，所述凸模和所述凹模的波浪面特征相互错开，所述凸模和所述凹模可以完全贴合。

4.如权利要求3所述的一种金属材料的制备方法，其特征在于，所述波浪面特征包括：波形高度h，波形宽度w及特征弧度。

5.如权利要求4所述的一种金属材料的制备方法，其特征在于，进行单次所述压制产生的应变量与所述特征弧度正相关。

6.如权利要求5所述的一种金属材料的制备方法，其特征在于，所述待制备金属材料的厚度上限与所述波形高度h和所述波形宽度w正相关。

7.如权利要求1至6任一项所述的一种金属材料的制备方法，其特征在于，所述凸模和所述凹模可以交换使用；当进行重复所述压制时所述金属材料的凸起部分与所述凸模和凹模的凸起部分相接触。

说明书

一种金属材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及金属纳米材料制备领域，具体涉及一种大尺寸均匀变形金属纳米材料的制备方法。

背景技术

[0002] 晶粒细化作为金属材料最主要的强化方式，一直是金属领域研究的热点。但传统的铸造、挤压及轧制等制备工艺，难以实现金属材料的超细晶或纳米化。现阶段实现金属材
料大幅细化的方式主要分为至上而下及至下而上两种。至下而上的方法是指通过调控金属
凝固过程等，实现组织的细化，如电沉积及气体冷凝等。至上而下的方法主要是指大塑性变
形，主要包括高压扭转，模压，等径角挤压，往复挤压，累积轧制及多向模锻等。采用气体冷
凝等方法虽然可以制备超细晶材料，但试样的体积较小且存在孔洞等缺陷。另一方面，通过
大塑性变形也很难制备大尺寸的超细晶材料。比如高压扭转等大塑性变形工艺虽然有很强
的晶粒细化能力，但同样只适用于小尺寸样品的制备，且中心区域变形量较小。另一方面，
多向模锻及模压工艺单道次的应变量较小且应变分布不均匀，实现工业应用的难度较大。

[0003] 目前，对6系铝合金进行高压扭转实验，发现高压扭转能显著细化合金组织，并提高其强度，与初始材料相比，室温高压扭转后合金的强度提高至3倍。TWIP(Twinning 
Induced Plasticity，孪生诱发塑性)钢在等径角压制后晶粒显著细化，孪晶及位错密度显
著提升，但在宏观尺度上并不均匀。同时随着压制道次的增加，材料的织构也逐渐增强。在
室温条件下对纯铝进行了4道次(16次变形)模压，晶粒由初始的100微米降低至500纳米左
右，但四道次模压后纯铝材料的硬度分布仍然不均匀；对纯铜进行了48次多向锻造，最终使
晶粒尺寸降低至1微米左右，但晶粒细化不均匀。因此，如何制备满足工业应用要求的大尺
寸均匀变形金属纳米材料并简化加工工艺是目前有待解决的问题。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是如何制备满足工业应用要求的大尺寸均匀变形金属纳米材料并简化加工工艺，提供一种金属材料的制备方法。

[0005] 本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

[0006] 一种金属材料的制备方法，所述制备方法包括：

[0007] 将待制备金属材料水平放置在凹模和凸模的波浪面之间；

[0008] 启动压力机，所述压力机与所述凸模相连接，通过所述凸模对所述金属材料压制使得所述金属材料与所述凸模和所述凹模完全接触；

[0009] 将经过所述压制的金属材料顶出，并将所述金属材料水平翻转后再置于所述凹模和所述凸模的波浪面之间；

[0010] 重复所述压制过程，将再次压制的金属材料顶出后再次水平翻转后再置于所述凹模和所述凸模的波浪面之间；

[0011] 重复所述压制和所述翻转过程直至所述金属材料的应变量积累符合要求为止；

[0012] 通过平面模具将经过形变的所述金属材料压平后取出。

[0013] 较佳地，所述凸模和所述凹模的材质为模具钢，所述金属材料可以为纯金属或合金。

[0014] 较佳地，所述凸模和所述凹模的波浪面特征相互错开，所述凸模和所述凹模可以完全贴合。

[0015] 进一步地，所述波浪面特征包括：波形高度h，波形宽度w及特征弧度。

[0016] 较佳地，进行单次所述压制产生的应变量与所述特征弧度正相关。

[0017] 较佳地，所述待制备金属材料的厚度上限与所述波形高度h和所述波形宽度w正相关。

[0018] 进一步地，所述凸模和所述凹模可以交换使用；当进行重复所述压制时所述金属材料的凸起部分与所述凸模和凹模的凸起部分相接触。

[0019] 在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

[0020] 本发明的积极进步效果在于：能够制备大尺寸的纳米材料；组织细化能力更强，变形更加均匀，加工过程更加简单；不会出现宏观织构缺陷，可得到晶粒尺寸分布均匀且各向
同性的纳米材料。

附图说明

[0021] 图1为本发明一种金属材料的制备方法一实施例中的方法流程图；

[0022] 图2为本发明一种金属材料的制备方法一实施例中的模具的波浪面特征图；

[0023] 图3为本发明一种金属材料的制备方法一实施例中的金属材料放置于模具中的示意图；

[0024] 图4为本发明一种金属材料的制备方法一实施例中的对金属材料进行压制形变示意图；

[0025] 图5为本发明一种金属材料的制备方法一实施例中的金属材料一次变形后的胚料示意图；

[0026] 图6为本发明一种金属材料的制备方法一实施例中的金属材料翻转后再次形变示意图；

[0027] 图7为本发明一种金属材料的制备方法一实施例中的最终金属材料展平示意图。

具体实施方式

[0028] 为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所
描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。

[0029] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具
体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相
关的所列项目的任意的和所有的组合。

[0030] 如图1所示为本发明金属材料制备方法流程图：

[0031] S01：将待制备金属材料水平放置在凹模和凸模的波浪面之间；

[0032] 在一个示例中，如图1和图3所示，将金属材料400水平的放置于所述的凹模200和凸模300的波浪面之间，其中模具外圈100用于限制所述凹模200和凸模300及金属材料的周
向运动，并对所述凹模200和所述凸模300的运动起到导向作用，所述金属材料400可以为纯
金属或合金，如铝合金，镁合金，所述凸模300和凹模200的材质通常为模具钢，较佳的可以
为H15模具钢。

[0033] S02：启动压力机，所述压力机与所述凸模相连接，通过所述凸模对所述金属材料压制使得所述金属材料与所述凸模和所述凹模完全接触；

[0034] 在一个示例中，如图1，图2和图4所示，与所述凸模300相连接的压力机通过所述凸模300对放置于波浪面之间的金属材料401进行压制，所述凸模300和所述凹模200的波浪面
相互错开，当进行压制操作时所述凸模300，凹模200及所述金属材料401可以完全贴合。如
图2所示，所述凸模和所述凹模的波浪面特征包括波形高度h，波形宽度w及特征弧度，其中
波形高度h及波形宽度w等比例扩大时，待加工金属材料的成形厚度上限可随之增加，特征
弧度变大后，单道次累积的变形量增加。通过前期的模拟研究，综合考虑应变均匀性、应变
累积能力及模具寿命，推荐的特征尺寸：待制备金属材料厚度＝(1/2)h＝(1/4)w。现有研究
表明模压、轧制、挤压等变形工艺，金属的流动具有明显的方向性，会带来各向异性(即织
构)的缺陷，并且模压等工艺成形的板料组织分布不均匀，力学性能也不均匀，增加变形道
次也很难消除。如图5所示，当采用波浪面模具时，波浪面模具的波浪特征沿着各个方向均
匀变化，保证待加工金属材料在变形过程中的变形均匀性，最终得到组织分布均匀的各向
同性金属板料。此外，模具中的凸模300和凹模200的位置可以互换使用。

[0035] S03：将经过所述压制的金属材料顶出，并将所述金属材料水平翻转后再置于所述凹模和所述凸模的波浪面之间；

[0036] 在一个示例中，如图1和图6所示，压力机的顶出装置将经过压制的金属材料顶出后，水平翻转后放置于所述凹模200和凸模300的波浪面之间，金属材料402的凸起部分与凹
模200和凸模300的凸起部分相互接触以增加压制形变过程中的应变效果。

[0037] S04:重复所述压制过程，将再次压制的金属材料顶出后再次水平翻转后再置于所述凹模和所述凸模的波浪面之间，重复所述压制和所述翻转过程直至所述金属材料的应变
量积累符合要求为止；

[0038] 在一个示例中，如图1所示，对进行水平翻转后的所述金属材料再次压制，并重复上述水平翻转‑压制‑水平翻转‑压制的过程直至金属材料的应变量积累符合要求为止。通
常情况下，上述循环次数越多，金属材料所累积的应变量越大，通常情况下应变量积累达到
4左右可将金属材料细化至纳米尺度。在现有技术中要实现该应变量，传统模压需要16道变
形工序，而本发明只需要5道变形工序，大大简化了大尺寸金属纳米材料的加工工序。

[0039] S05：通过平面模具将经过形变的所述金属材料压平后取出。

[0040] 在一个示例中，如图1和图7所示，金属材料在经过多次压制应变量达到要求后，压力机的顶出装置将压制后的金属材料从模具中顶出并用平面模具将压制后的金属材料403
压平，所述平面模具包括下平面模具500a和上平面模具500b。本发明的变形能力明显强于
模压，5个工步变形后累计的应变高于模压16个工步变形，且应变均匀性明显增强。

[0041] 虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离
本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和
修改均落入本发明的保护范围。