一种用于热机械加工层状合金材料的包套装置及制备方法

技术领域

本发明涉及粉末冶金技术领域，更具体的说是涉及一种用于热机械加工层状合金材料的包套装置及制备方法。

背景技术

制备具有优良力学性能的金属结构材料一直是材料科学中被广泛研究的课题之一。为了提升结构材料的工程应用，应对金属材料在加工过程中往往出现强度提升伴随着塑性下降的问题，对金属材料的微观结构进行设计是目前较为广泛应用的研究思路。其中，制备层状合金材料是一种能够有效设计材料内部界面以实现结构强韧化的策略。

目前常用来制备层状结构材料主要包括累积叠轧、磁控溅射沉积、扩散焊接和粉末冶金等方法。其中累积叠轧工艺在制备层状材料要求对材料的表面进行预处理，流程较为复杂且成本较高；磁控溅射沉积法制备层状材料时难以实现大块材料的制备且生产成本较高；扩散焊接是一种应用相对较少的方法，对于材料的限制较多，难以实现普遍化的应用；粉末冶金工艺在制备层状材料能够比较有效的设计界面区域的大小，但是通过粉末冶金工艺得到的层状合金材料的缺陷难以避免。

针对粉末冶金工艺制备得到的金属结构部件往往需要进行热处理加工消除缺陷，但是由该工艺得到的层状材料的界面在热机械加工过程中难以协调变形，致使层与层出现开裂的问题，难以制备出缺陷少性能好的层状合金材料。

因此，针对性的设计了一种包套装置以能够保证粉末冶金工艺制备的层状合金材料在进行机械加工过程中能够保证层与层之间的协调变形。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于热机械加工层状合金材料的包套装置及制备方法，通过巧妙的设计一种金属外壳包套使得层状材料能够在限域空间内进行协调变形加工，从而合金的微观组织进行有效的调控，得到具有优异性能的层状合金材料。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于热机械加工层状合金材料的包套装置，所述的包套装置是由一个金属外壳和金属顶盖组成具有空腔的装置，通过焊接工艺将样品包裹在所述空腔内。

在一些实施例中，所述的机械加工是合金材料在-25℃或在200℃-1000℃处理的样品进行轧制变形加工。

在一些实施例中，所述的层状合金材料的厚度方向为n层，任意相邻两层的成分不同，任意一层的成分选自Cu-Al合金、CoCrNi、NiCoV中的一种。

在一些实施例中，所述的金属外壳和顶盖所用的材质相同，均为纯铁或国标45号钢，且外壳的壁厚和顶盖的厚度相同。

本申请的实施例还提供了一种用于热机械加工层状合金材料的包套装置的制备方法，用于制备权所述的包套装置，包括以下步骤：

根据所需要加工样品的尺寸，选择所使用的包套材质；

确定金属外壳的壁厚、顶盖厚度和金属外壳的腔体空间大小；

对金属外壳顶端和顶盖边沿进行倒角处理；

将样品放入腔体后使用焊接工艺将外壳、顶盖和样品三者固定。

在一些实施例中，所述的尺寸是圆柱形样品，且直径为10-40mm，高度为5-15mm。

在一些实施例中，所述的包套材质为纯铁或者国标45钢。

优选的方案，所述的45号钢是指主要成分为铁Fe，且含量以下少量的成分：碳C:0.42～0.50％；铬Cr：≤0.25％；锰Mn：0.50～0.80％；镍Ni：≤0.25％；磷P：≤0.035％；硫S：≤0.035％；硅Si：0.17～0.37％。

在一些实施例中，所述的金属外壳的壁厚和顶盖厚度相同，均为5-10mm。

在一些实施例中，所述的金属外壳的腔体空间的内径与样品直径相同。

在一些实施例中，所述的倒角处理为外壳外侧壁顶端沿周向与水平面的夹角为45°；顶盖上表面顶端沿周向与水平面的夹角为45°。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

本申请通过改变包套装置的厚度和材料类型可以应用于不同层状合金材料的热机械加工过程，通过增加包套装置可以更大程度上对层状合金材料进行变形处理和结构设计。本发明公开的用于热机械加工层状合金材料的包套装置制备流程简单，适用范围广，应用前景广泛。本发明首创的提供包套装置能够限制粉末冶金制备得到的层状合金在一个相对封闭的空间内实现变形加工而实现层与层结合更加紧密的效果，且合金材料内部缺陷得到了极大的消除。

附图说明

图1实施例1中的包套装置的示意图。

图2实施例1中的包套装置的俯视图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请的优选实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以使固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或显示不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或显示固有的其它步骤或单元。

以下将结合图1，对本申请实施例所涉及的一种用于热机械加工层状合金材料的包套装置及制备方法进行详细说明。值得注意的是，以下实施例，仅仅用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

实施例1:

本实施例针对的层状合金材料的尺寸为直径30.0mm，高度10.0mm的圆柱样，样品是按照等质量的Cu-6wt.％Al、Cu-4wt.％Al、Cu、Cu-4wt.％Al、Cu-6wt.％Al依次排列组成。

1.针对所需要样品，选择包套材质为国标45号钢。

2.根据所需进行的机械加工变形程度，确定金属外壳的壁厚为5.0mm、顶盖厚度5.0mm和金属外壳的腔体空间大小为直径30.0mm，高度为20.0mm.

3.并且对金属外壳顶端和顶盖边沿进行倒角处理，倒角α＝45°，将样品放入腔体后，在焊接缝中填入45号钢焊料，使用焊接工艺将外壳、顶盖固定住。

4.对该包套装置和样品进行热轧制加工，在整个包套装置的轧制变形量为50％(20.0mm→10mm)，所需加工的层状合金的轧制变形量为60％(10.0mm→4.0mm)。

5.加工得到的Cu/Cu-4Al/Cu-6Al-1层状结构合金的极限抗拉强度为220MPa，延伸率为15％。

实施例2:

本实施例针对的层状合金材料的尺寸为直径30.0mm，高度10.0mm的圆柱样，样品是由Cu和Cu-6wt.％Al交替排列构成。

1.针对所需要样品，选择包套材质为国标45号钢。

2.根据所需进行的机械加工变形程度，确定金属外壳的壁厚为5.0mm、顶盖厚度5.0mm和金属外壳的腔体空间大小为直径30.0mm，高度为20.0mm.

3.并且对金属外壳顶端和顶盖边沿进行倒角处理，倒角α＝45°，将样品放入腔体后，在焊接缝中填入45号钢焊料，使用焊接工艺将外壳、顶盖和样品三者固定住。

4.对该包套装置和样品进行热轧制加工，在整个包套装置的轧制变形量为80％(20.0mm→5.0mm)，所需加工的层状合金的轧制变形量为90％(6.0mm→1.0mm)。

5.加工得到的Cu/Cu-6Al层状结构合金的极限抗拉强度为380MPa，延伸率为44％。

实施例3：

本实施例针对的层状合金材料的尺寸为直径30.0mm，高度10.0mm的圆柱样，样品是按照等质量的Cu-6wt.％Al、Cu-4wt.％Al、Cu、Cu-4wt.％Al、Cu-6wt.％Al依次排列组成。

1.针对所需要样品，选择包套材质为纯铁。

2.根据所需进行的机械加工变形程度，确定金属外壳的壁厚为7.0mm、顶盖厚度7.0mm和金属外壳的腔体空间大小为直径30.0mm，高度为17.0mm.

3.并且对金属外壳顶端和顶盖边沿进行倒角处理，倒角α＝45°，将样品放入腔体后，在焊接缝中填入纯铁焊料，使用焊接工艺将外壳、顶盖和样品三者固定住。

4.对该包套装置和样品进行热轧制加工，在整个包套装置的轧制变形量为80％(24.0mm→4.8mm)，所需加工的层状合金的轧制变形量为80％(10.0mm→2.0mm)。

5.加工得到的Cu/Cu-6Al层状结构合金的极限抗拉强度为320MPa，延伸率为43％。

实施例4：

本实施例针对的层状合金材料的尺寸为直径30.0mm，高度10.0mm的圆柱样，样品是由NiCoCr和NiCoV交替排列构成。

1.针对所需要样品，选择包套材质为国标45号钢。

2.根据所需进行的机械加工变形程度，确定金属外壳的壁厚为7.0mm、顶盖厚度7.0mm和金属外壳的腔体空间大小为直径30.0mm，高度为20.0mm.

3.并且对金属外壳顶端和顶盖边沿进行倒角处理，倒角α＝45°，将样品放入腔体后，在焊接缝中填入45号钢焊料，使用焊接工艺将外壳、顶盖和样品三者固定住。

4.对该包套装置和样品进行热轧制加工，在整个包套装置的轧制变形量为80％(20.0mm→5.0mm)，所需加工的层状合金的轧制变形量为60％(6.0mm→2.4mm)。

5.加工得到的NiCoCr/NiCoV层状结构合金的极限抗拉强度为1100MPa，延伸率为35％。

对比例

本对比例是针对的层状合金材料的尺寸为直径30.0mm，高度10.0mm的圆饼型试样，试样是按照等质量的Cu-6wt.％Al、Cu-4wt.％Al、Cu、Cu-4wt.％Al、Cu-6wt.％Al依次排列组成。对样品进行热轧制变形加工，在进行少量变形加工后，样品最外层Cu-6wt.％Al与较外层Cu-4wt.％Al发生开裂，无法完成加工。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。