水下沖擊波制備具有周期性雙峰分布結構金屬材料的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種通過爆炸產生水下沖擊波，來制備具有周期性雙峰結構金屬材料 的方法。具體為在水下，通過炸藥爆炸時產生的瞬時高壓、高應變率的沖擊波效應，使多塊 平行累疊的金屬基板一次性復合在一起，并在周圍水的淬火作用下，得到周期性雙峰分布 結構產品的方法。
【背景技術】
[0002] 材料的高強度一直是材料研究中追求的一個重要指標。經典的Hall-petch效應指 出，材料的屈服強度會隨著晶粒尺寸的減小而逐漸增高。所以，晶粒細化能強化材料。比如， 納米晶金屬的強度能比粗晶材料的強度要高很多倍。但納米晶粒由于其尺寸原因，不可能 發生位錯塞積，因此納米晶材料的塑性和韌性本征上很低。而材料的高韌性也在材料研究 中非常重要，它能幫助我們阻止器件在服役期間發生的斷裂等災難事故。因此，同時具備高 強度、高硬度，又具有高塑性、高韌性是很多科學家在研究材料時追求的指標，同時也很難 獲得。
[0003] 雙峰，如圖1，是近年來提出的一種在材料中同時引入粗晶和細晶，使材料具備強 度和韌性的強韌化概念。
[0004] 目前，通過高壓扭轉/退火、硬板乳制、不對稱乳制、疊乳等工藝方法，制備出了各 類大小晶粒分布的雙峰材料。該類材料在代表強化性能的拉伸強度測試、代表塑性/韌性的 延伸率測試中，均具有較高數值水平，綜合性能優秀。[Y. Wang，M. Chen，F. Zhou and E.Ma， High tensile ductility in a nanostructured metal，Nature，2002,419,912_ 915.G.D.Hibbard?J.L.McCrea ?G.Palumbo?K.T.Aust and U.Erb，An initial analysis of mechanisms leading to late stage abnormal grain growth in nanocrystalline Ni，Scripta Mater·，2002，47，83_87.K.Edalati，S.Toh，H.Iwaoka，M.Watanabe，Z.Horita， D.Kashioka?K.Kishida and H.Inui，Ultrahigh strength and high plasticity in TiAl intermetal1ics with bimodal grain structure and nanotwins ? Scripta Mater.，2012,67,814-817.M.Zha，Y.Li，R.H.Mathiesen，R. Bj0rge and H.J.Roven， Microstructure evolution and mechanical behavior of an Al~7Mg alloy processed by equal channel angular pressing，Acta Mater·，2015，84，42-54·X.Wu，M.Yang， F.Yuan?G.ffu?Y.Wei?X.Huang and Y.Zhu?Heterogeneous lamella structure unites ultrafine-grain strength with coarse-grain ductility?PNAS?2015?112?14501-14505.H.Wang ? Z. Yu ?L. Zhang ?C. Liu ?M.Zha ? C. Wang and Q. Jiang ?Achieving high strength and high ductility in magnesium alloy using hard-plate rolling(HPR) process，Sci .Reports，2015,5,17100.]然而，上述這些技術所獲得的金屬材料中，粗晶和 細晶一般來說排列不規則;并且有些方法，比如疊乳，金屬材料中粗細晶界面處結合力比較 差，直接影響了材料的宏觀性能。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是利用水下沖擊波技術，將多層超薄金屬基板復合在一起，制得具 有強韌化效應的周期性雙峰分布結構的金屬材料。
[0006] 本發明是這樣實現的：一種水下沖擊波制備具有周期性雙峰分布結構金屬材料的 方法，其特征在于該方法的步驟依次是：
[0007] A)預備多張表面經過預清理、厚度為0.5mm以下的金屬基板;金屬基板過厚可能導 致所得制品的納米晶粒界面層比例降低，使得雙峰分布結構中細晶過少，無法達到影響材 料宏觀性質的效果。
[0008] 預備水池，水池底部設有平臺；
[0009] 預備支架，防水炸藥包，起爆器，厚度0.3mm以下、寬度l-2mm的墊層，防水膠布;墊 層過厚可能導致基板結合時沉積能量過大，引起材料變形開裂;墊層過寬會減小基板結合 面積，降低之間的復合率。
[0010] B)將金屬基板從下到上進行皇疊，并將每層金屬基板的四邊用墊
[0011] 層支撐，使上下兩層金屬基板間形成中空層，得到皇疊件；
[0012] 將皇疊件側面用防水膠布纏繞密封得到初坯；
[0013] 將初坯固定于平臺上，并在初坯上面安放支架，支架上面放置帶起爆器的防水炸 藥包，且防水炸藥包底面與初坯頂面之間留有10_30mm空隙；空隙過大，焊合所需能量太大， 導致材料變形開裂;空隙過小，焊合所需能量不夠，可能導致金屬基板無法結合。
[0014] 將水池灌水至完全淹沒防水炸藥包；
[0015] C)引爆防水炸藥包，爆炸產生的沖擊波實現對水下初坯的爆炸焊接復合，得到具 有周期性雙峰分布結構的金屬材料。
[0016] 進一步的方案是:防水炸藥包的爆速為2800-3200m/s。爆速過大或過小，都會導致 爆炸時金屬基板間無法形成射流，無法結合。
[0017] 所用加工板材料可以是Mg合金、A1合金、Cu合金、Ti合金、鋼、Mo合金、Ta合金等多 種。皇疊件的層數主要由防水炸藥包的炸藥量、防水炸藥包底面與初坯頂面之間空隙高度 等因素決定。
[0018] 本發明的優點和效果是:本發明方法制得的金屬材料具有周期性雙峰分布結構， 即具有兩種晶粒尺寸的納米晶粒界面層和微米晶粒基體層規則復合的層狀結構。通過該方 法制得的強韌化金屬材料能促進產品的輕量化，可以廣泛應用于各型飛機、導彈、高速鐵 路、裝甲、單兵武器系統等，在軍事領域里有著非常良好的應用前景;在民用中，對汽車輕量 化，節能減耗，尾氣排放，防霧霾，抵抗溫室效應等都具有重要意義。
[0019] 沖擊波產生的材料大變形和水的淬火作用細化了晶粒，能制備一般方法(如冷乳、 ECAP)等無法細化到的晶粒度，如鎂能細化到百納米量級；水的緩沖和對波的均勻化作用， 非常適用于鎂合金等難加工、易開裂、需加溫加工的材料;且該方法還能夠制備宏觀尺寸的 板材，非常適合工業中的實際應用。
[0020] 爆炸過程中產生的大變形和水的淬火效果，會使得金屬基板復合界面處晶粒細化 并不會明顯長大，使之與金屬基板的基體之間形成納米晶/微米晶的雙