結(jié)合磁場(chǎng)熱處理制備納米級(jí)多層金屬基復(fù)合材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬材料制備領(lǐng)域，特別涉及一種結(jié)合磁場(chǎng)熱處理制備納米級(jí)多層金屬基復(fù)合材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代工業(yè)和科技的發(fā)展，高新裝備對(duì)于各種金屬基復(fù)合材料的性能不斷提出更高的要求。這就意味必須開發(fā)新的制備方法，獲得新的材料結(jié)構(gòu)來滿足這種高性能要求。晶粒減小到納米級(jí)的金屬材料性能發(fā)生了巨大的變化，納米金屬材料的綜合性能有顯著的提高。設(shè)計(jì)納米級(jí)多層金屬?gòu)?fù)合材料的新的制備方法，已成為納米材料工程的一個(gè)研究熱點(diǎn)。同時(shí)，納米金屬材料的應(yīng)用也成為納米材料工程的重要部分。
[0003]制備納米級(jí)層厚的多層金屬基復(fù)合材料，目前人們主要采用磁控濺射法進(jìn)行制備，只能制備成薄膜材料，并且附著在其他的基體材料上。但是由于磁控濺射的設(shè)備投資高，后期還需要很高的維護(hù)成本，并且磁控濺射限制了待鍍工件的幾何尺寸，不適于較大的工件或裝爐量，制約了磁控濺射技術(shù)的應(yīng)用。
[0004]申請(qǐng)?zhí)枮?01510037197.0的專利文件中公開的“一種任意組合多層金屬?gòu)?fù)合板的制造方法”，將按順序疊放預(yù)處理的坯板連接有鋼管的金屬套進(jìn)行抽真空，焊接成真空管后進(jìn)行熱乳復(fù)合，直到乳至所需厚度，即可獲得任意組合多層金屬?gòu)?fù)合板。申請(qǐng)?zhí)枮镃N201310201733的專利文件中公開的“超細(xì)晶稀土鎂合金的制備方法”，首先通過固溶處理、熱變形得到稀土鎂合金板材，將稀土鎂合金板材進(jìn)行單道次乳下量為50%的累積疊乳，經(jīng)退火得到超細(xì)晶稀土鎂合金。申請(qǐng)?zhí)枮?01510381954.6的專利文件中公開的“納米片層相TiNi基合金復(fù)合板材的累積疊乳制備方法”，將經(jīng)預(yù)處理的TiNi合金箔材和增強(qiáng)純金屬箔材交替放入不銹鋼或純鈦包套中并抽真空，進(jìn)行η道次累積疊乳，經(jīng)真空退火得到納米片層相增強(qiáng)TiNi基復(fù)合材料板材。
[0005]采用現(xiàn)有金屬多層材料的疊乳技術(shù)，雖然某些關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)成熟，但無法制備層厚在50nm以下的多層納米級(jí)金屬材料，而多種納米級(jí)多層功能材料更是要求層厚在10?20nm范圍，仍是一個(gè)難以解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種結(jié)合磁場(chǎng)熱處理制備納米級(jí)多層金屬基復(fù)合材料的方法。該方法是在多層金屬基復(fù)合材料的累積疊乳的過程中，結(jié)合磁場(chǎng)熱處理，利用強(qiáng)磁場(chǎng)抑制組織的粗化，增強(qiáng)納米相的織構(gòu)取向，以獲得精細(xì)均勻納米層的方法。
[0007]本發(fā)明的結(jié)合磁場(chǎng)熱處理制備納米級(jí)多層金屬基復(fù)合材料的方法，包括如下步驟:
[0008]步驟I，基片的預(yù)處理:
[0009](I)選取基片的方式為(a)或(b):
[0010](a)選取I種合金基片，其中，基片厚度均為0.02?0.5mm，基片數(shù)目為2?50片；
[0011](b)選取2種或2種以上的基片，其中，基片為合金和/或金屬，基片厚度均為0.02?
0.5mm，基片數(shù)目為2?50片；
[0012](2)在真空或保護(hù)氣氛下對(duì)基片進(jìn)行退火處理:退火溫度為400?700°C，退火時(shí)間為30?90min;
[0013](3)將基片清洗，打磨、去氧化皮，表面除油后，切割成長(zhǎng)方體，其中，切割后各基片的長(zhǎng)和寬分別相等，各基片的厚度要求為:相同材質(zhì)的基片厚度相等，不同材質(zhì)的基片厚度相等或不相等；
[0014](4)將各基片按順序置放在一起，置放順序?yàn)?當(dāng)基片為I種材質(zhì)時(shí)，累加置放；當(dāng)基片材質(zhì)大于等于2種時(shí)，每相鄰的兩片基片的材質(zhì)不同；
[0015]步驟2，壓制成板:
[0016](I)選取壁厚為0.4?Imm的不銹鋼制成套筒，將不銹鋼套筒退火處理:在900?1000°C 保溫 30 ?60min;
[0017](2)把疊放好的基片放入退火后的不銹鋼套筒中，采用壓力機(jī)將不銹鋼套筒和疊放好的基片壓制成厚度< 5mm的長(zhǎng)條復(fù)合板，并使長(zhǎng)條復(fù)合板表面的壓強(qiáng)保持為2?20t/cm2，保壓5?20min，；
[0018](3)將長(zhǎng)條復(fù)合板一端打磨，以便乳機(jī)咬入；
[0019]步驟3，乳制:
[0020]將長(zhǎng)條復(fù)合板進(jìn)行多道次乳制，乳制道次為I?100次，乳制變形率為40?90%，長(zhǎng)條復(fù)合板內(nèi)部的基片轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬咏饘倩鶑?fù)合材料；
[0021]步驟4，熱處理:
[0022](I)將乳制后的長(zhǎng)條復(fù)合板邊緣切開，取出內(nèi)部的多層金屬基復(fù)合材料，去除邊裂部分；
[0023](2)測(cè)取多層金屬基復(fù)合材料的鐵磁性元素層的厚度，進(jìn)行如下操作:
[0024]當(dāng)多層金屬基復(fù)合材料的鐵磁性元素層的平均厚度>200nm時(shí):
[0025]多層金屬基復(fù)合材料在真空或保護(hù)氣氛下，進(jìn)行退火處理，其中，退火溫度為400?700°C，退火時(shí)間為12?60min;
[0026]當(dāng)多層金屬基復(fù)合材料的鐵磁性元素層的平均厚度<200nm時(shí):
[0027]多層金屬基復(fù)合材料在真空或保護(hù)氣氛下，進(jìn)行退火處理，其中，退火溫度為400?700°C，退火時(shí)間為12?60min ；退火的同時(shí)對(duì)多層金屬基復(fù)合材料施加穩(wěn)恒磁場(chǎng)，其中，磁場(chǎng)強(qiáng)度為I?31T，磁場(chǎng)方向與多層金屬基復(fù)合材料的鐵磁性元素層平行；
[0028]步驟5，實(shí)現(xiàn)成品厚度:
[0029]測(cè)取多層金屬基復(fù)合材料的鐵磁性元素層的厚度，進(jìn)行如下操作:
[0030]當(dāng)多層金屬基復(fù)合材料的鐵磁性元素層的平均厚度<20nm時(shí)，停止操作；
[0031]當(dāng)多層金屬基復(fù)合材料的鐵磁性元素層的平均厚度>20nm時(shí)，進(jìn)行(a)和(b):
[0032](a)將多層金屬基復(fù)合材料沿垂直鐵磁性元素層的方向平均切割，得到2?20塊多層金屬基復(fù)合材料，并疊放在一起，其中，每塊多層金屬基復(fù)合材料形狀大小相同；
[0033](b)用疊放好的多層金屬基復(fù)合材料替換疊放好的基片，重復(fù)步驟2、步驟3和步驟4，直至多層金屬基復(fù)合材料的鐵磁性元素層的平均厚度< 20nm，停止操作。
[0034]上述的步驟I(I)中，合金基片為銅鐵合金或銅鈷合金，金屬基片為:銅、銀、鎳或鐵;步驟1(2)的退火處理去除了基片的內(nèi)應(yīng)力；步驟4，當(dāng)多層金屬基復(fù)合材料的鐵磁性元素層的平均厚度< 200nm時(shí)，退火的同時(shí)施加磁場(chǎng)，抑制多層納米結(jié)構(gòu)在熱處理下的粗化；步驟5中，經(jīng)循環(huán)共乳制3次后，多層金屬基復(fù)合材料沿垂直鐵磁性元素層的平均厚度降至50?10nm，經(jīng)循環(huán)共乳制4?10次后，多層金屬基復(fù)合材料沿垂直鐵磁性元素層的平均厚度降至5?20nm;所述步驟中的保護(hù)氣氛為惰性氣體或氮?dú)獗Ｗo(hù)，抽真空時(shí)真空度2 9*10—2Pa;本發(fā)明制備的多層金屬基復(fù)合材料的鐵磁性元素層的平均厚度< 20nm。
[0035]本發(fā)明所涉及納米多層金屬基復(fù)合材料主要指一種多層結(jié)構(gòu)的金屬納米材料，其中的第二相為納米相，即Fe、Ni鐵磁性金屬，基體相為Cu、Ag延展性良好的金屬。
[0036]本發(fā)明的結(jié)合磁場(chǎng)熱處理制備納米級(jí)多層金屬基復(fù)合材料的方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果為:
[0037](I)本發(fā)明利用新的強(qiáng)磁場(chǎng)熱處理技術(shù)與乳制復(fù)合方法結(jié)合，獲得了平均納米層厚小于20nm的多層金屬基的復(fù)合材料。
[0038](2)本發(fā)明的制備方法，采用了金屬多層疊乳技術(shù)，并在熱處理過程中結(jié)合了強(qiáng)磁場(chǎng)，利用強(qiáng)磁場(chǎng)抑制了納米相的粗化，增強(qiáng)納米相的織構(gòu)取向；
[0039](3)采用該方法的獲得的納米級(jí)多層金屬基的復(fù)合材料在硬度和電阻都有了相應(yīng)的提高，與相同條件下不加磁場(chǎng)獲得的多層金屬基復(fù)合材料相比，硬度提高了 10?35%左右，電阻也提高了 10?35%左右。
【附圖說明】
[0040]圖1本發(fā)明實(shí)施例1中的納米級(jí)銀鎳多層金屬基復(fù)合材料的掃描電鏡圖；
[0041]圖2本發(fā)明實(shí)施例2中的納米級(jí)銀鎳多層金屬基復(fù)合材料的掃描電鏡圖；
[0042]圖3本發(fā)明實(shí)施例3中的納米級(jí)銅鐵多層金屬基復(fù)合材料的掃描電鏡圖。
【具體實(shí)施方式】
[0043]以下實(shí)施例的測(cè)試方法為:采用掃描電鏡觀察試樣的微觀組織形貌，并獲得多層金屬基復(fù)合材料的鐵磁性元素層的厚度。
[0044]采用維氏硬度計(jì)測(cè)試合金的硬度，設(shè)定的加載載荷為lkg，加載時(shí)間為10s，每個(gè)試樣測(cè)量1次。采用四探針法測(cè)得復(fù)合材料的電阻。
[0045]實(shí)施例1
[0046]結(jié)合磁場(chǎng)熱處理制備納米級(jí)銀鎳多層金屬基復(fù)合材料的方法，包括如下步驟:
[0047]步驟I，基片的預(yù)處理:
[0048](I)基片為銀和鎳；
[0049]其中，基片厚度均為0.05mm，基片數(shù)目為銀基片20片，鎳基片20片；
[0050](2)在真空下對(duì)基片進(jìn)行退火處理:真空度為10*10—2Pa,銀基片的退火溫度為400°C，退火時(shí)間為30min;鎳基片的退火溫度為700°C，退火時(shí)間為60min;經(jīng)過退火處理去除了各基片的內(nèi)應(yīng)力；
[0051](3)將基片兩面清洗，打磨、去氧化皮，用丙酮清洗表面去除油污雜質(zhì)后，切割成長(zhǎng)方體，其中，切割后各基片的長(zhǎng)和寬分別相等，各基片的厚度要求為:相同材質(zhì)的基片厚度相等，不同材質(zhì)的基片厚度相等或不相等；
[0052](4)將各基片按順序置放在一起，置放順序?yàn)?Ag/Ni/Ag/Ni的順序循環(huán)；
[0053]步驟2，壓制成板:
[0054](I)選取壁厚為0.8mm的不銹鋼制成套筒，將不銹鋼套筒退火處理:在900°C保溫30min；
[0055](2)把疊放好的基片放入退火后的不銹鋼套筒中，采用壓力機(jī)將不銹鋼套筒和疊