一種金屬預(yù)制材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料領(lǐng)域，具體設(shè)及一種金屬預(yù)制材料及其制備方法，該材料既具有 高強(qiáng)初性又具有重量輕的特點(diǎn)，特別適合用作飯金成形的構(gòu)件材料。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代制造業(yè)中，如何提高材料的強(qiáng)初性是企業(yè)和工程技術(shù)人員不斷追求的目標(biāo)。 下面W汽車制造業(yè)為例予W具體說明。
[0003] 汽車輕量化有利于環(huán)保節(jié)能，而材料的選擇與應(yīng)用是其關(guān)鍵所在，主要表現(xiàn)在Ξ 個方面：（1)使用更高強(qiáng)度鋼板代替普通鋼板，在滿足同等強(qiáng)度要求的前提下減少零件厚 度和重量；（2)開發(fā)新的材料加工技術(shù)，優(yōu)化板材結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)車身零部件輕量化，如連續(xù)擠 壓變截面型材、金屬基復(fù)合材料板、激光焊接板、社制差厚板等；（3)開發(fā)新型高強(qiáng)度、低密 度的輕質(zhì)材料，用其取代傳統(tǒng)鋼鐵零件W減輕汽車自重，如儀、侶合金等金屬材料，W及塑 料聚合物、陶瓷、復(fù)合材料等非金屬材料。顯然，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化、高強(qiáng)度材料、輕質(zhì)材料的應(yīng) 用和材料加工工藝創(chuàng)新等措施，在保持整車強(qiáng)度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)車身的輕量化是目前汽車制 造的重要發(fā)展方向之一。
[0004] 另外，在汽車特別是轎車制造時(shí)，為了減輕汽車的自重，并使車身有良好的流線外 觀，常常采用各種高強(qiáng)度鋼或者型材。特別是近年來，基于激光焊接技術(shù)的不等厚板（又稱 差厚板）被廣泛應(yīng)用于車身、車口的結(jié)構(gòu)材料。其中，主承力部分一般采用厚度較大的鋼 板，而次承力或者不承力的部分一般采用較薄的鋼板，兩者通過激光焊接連接起來，確保結(jié) 構(gòu)件的強(qiáng)度，最后通過沖壓成型。
[0005] 除了不等厚板外，汽車的覆蓋面板、頂板，汽車車身的框架結(jié)構(gòu)等也是由板材加 工成型的。事實(shí)上，不僅僅在汽車制造中，在航空航天飛行器、船舶、高速列車等制造中，都 存在如何降低運(yùn)載工具自重、提高運(yùn)輸效能的問題。減輕上述構(gòu)件自重的最佳技術(shù)路線是 采用高強(qiáng)度鋼甚至超高強(qiáng)度鋼。然而，運(yùn)一技術(shù)路線存在的主要問題是，高強(qiáng)鋼或者超高強(qiáng) 度鋼的焊接特性與沖壓特性不足，因此難W兼顧高強(qiáng)度和良好的加工特性。
[0006] 因此，在保證安全性的前提下，如何進(jìn)一步降低板材的厚度，提高板材的性能，成 為運(yùn)載工具如飛機(jī)、航天飛行器、汽車制造工業(yè)努力追求的目標(biāo)。為此，需要發(fā)展兼有高強(qiáng) 度、高剛性同時(shí)兼有良好的焊接性、沖壓特性的材料。顯然，傳統(tǒng)的金屬材料無法滿足上述 要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種金屬預(yù)制材料及其制備方法，該預(yù)制材料既具有金屬 平衡態(tài)組織高延性、可焊性特點(diǎn)，又兼具金屬強(qiáng)化組織的高強(qiáng)度、高耐磨性能，具有高的強(qiáng) 初性，并且還具有重量輕的特點(diǎn)。
[0008] 本發(fā)明提供的一種金屬預(yù)制材料，其特征在于，該材料的基體為金屬或合金，在基 體上分布有由選區(qū)強(qiáng)初化處理所獲得的同素異構(gòu)型增強(qiáng)相，該材料在保持基體重量基本不 變的情況下，既有金屬平衡態(tài)組織高延展性和可焊性，又兼具金屬亞穩(wěn)態(tài)組織的高強(qiáng)度和 高耐磨性能。
[0009] 本發(fā)明提供的一種金屬預(yù)制材料的制備方法，其特征在于，該方法采用包括高功 率激光束或電子束、離子束W及感應(yīng)熱源在內(nèi)的能量束/場，利用所述能量束/場對金屬或 合金材料進(jìn)行選區(qū)強(qiáng)初化處理，在其基體上獲得同素異構(gòu)型增強(qiáng)相，能夠在保持基體重量 基本不變的情況下，既有金屬平衡態(tài)組織延展性和可焊性，又兼具金屬亞穩(wěn)態(tài)組織的高強(qiáng) 度和高耐磨性能。
[0010] 所述基體可W為等厚或不等厚板材；基體可W是鋼鐵材料，也可W包括侶合金、鐵 合金等有色金屬材料。
[0011] 所述增強(qiáng)相是與基材金屬相同的同素異構(gòu)型，前提條件是采用具有相變硬化特 性或者固溶+時(shí)效強(qiáng)化特性的金屬或合金材料作為基體。增強(qiáng)相在基體上可W成線條狀， 球形顆?；蛘甙肭驙罨蛘咂渌螤?，其形態(tài)和分布區(qū)域根據(jù)性能要求和加工要求預(yù)先規(guī)劃 得到。分布在基體上不同區(qū)域的增強(qiáng)相可W根據(jù)對材料的要求進(jìn)行選擇，當(dāng)材料對不同區(qū) 域的性能要求不一致時(shí)，增強(qiáng)相的強(qiáng)度、硬度W及數(shù)量、大小、分布密度也根據(jù)要求做相應(yīng) 的變化。
[0012] 所述材料厚度可W與基體材料厚度一致，用于替代不等厚板。也可W是不等厚板 材，但是構(gòu)件整體的強(qiáng)度顯著提高或者其厚度因此可W較原要求大幅度降低。該類材料可 W是板材或型材。
[0013] 所述選區(qū)強(qiáng)初化處理是指選區(qū)改變材料的組織結(jié)構(gòu)或者性能，具體為基于固態(tài)相 變或快速烙凝澤火為主的選區(qū)強(qiáng)初化處理，也可W是先激光固溶然（也可稱作激光固溶澤 火）后再時(shí)效處理。本發(fā)明方法還可W通過調(diào)整增強(qiáng)相的成分、尺寸大小、數(shù)量或分布方 式，使得所形成的材料結(jié)構(gòu)與性能上滿足零件的服役需求。
[0014] 由于本發(fā)明所形成的金屬預(yù)制材料強(qiáng)度大幅度提高，而塑性指標(biāo)又變化較小，因 此可W在確保構(gòu)件整體力學(xué)性能不降低的前提下，減少結(jié)構(gòu)件的厚度。對于在轎車制造中 廣泛使用的不等厚板，甚至只需要對厚度均勻的金屬薄板零件中承力部分進(jìn)行選區(qū)處理， 形成金屬基復(fù)合材料，而對次承力或者不承力部分不進(jìn)行或者少處理，使其保持原板的強(qiáng) 初性，就可W在保證汽車車身強(qiáng)度與性能的同時(shí)，大幅度減輕車身的重量。當(dāng)然，如果對原 來的差厚板厚、薄部分都分別進(jìn)行處理，則可W更大幅度地提高材料的性能，降低板材的厚 度。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下技術(shù)特點(diǎn)：
[0016] (1)金屬基體成分與組織基本不變，增強(qiáng)相原位形成：金屬預(yù)制材料制備過程中， 金屬基體主體部分的原始成分與組織結(jié)構(gòu)狀態(tài)不變，只是通過選區(qū)強(qiáng)初化的工藝方法使 得基體中局部區(qū)域發(fā)生成分、組織結(jié)構(gòu)及性能的變化，原位轉(zhuǎn)變成為金屬基復(fù)合材料中的 增強(qiáng)相。由于運(yùn)種增強(qiáng)相本身也是金屬材料，因此所形成的金屬基復(fù)合材料與此前為大家 熟知的金屬基復(fù)合材料的種類存在很大差別，屬于新型金屬基復(fù)合材料；相應(yīng)的工藝也是 全新的金屬基復(fù)合材料制備工藝。
[0017] (2)制造工藝多樣化：選區(qū)強(qiáng)初化處理工藝可W采用激光束、電子束、離子束、等 離子弧或者感應(yīng)熱源等方式進(jìn)行，運(yùn)些能量源的共同特點(diǎn)是可W方便地調(diào)控能量輸入量、 輸入方式及軌跡（圖形），選擇性實(shí)現(xiàn)基材金屬的組織結(jié)構(gòu)與性能變化。換句話說，可W 根據(jù)零件性能的需要對金屬基復(fù)合材料設(shè)計(jì)進(jìn)行個性化設(shè)計(jì)和加工，使其性能滿足工況需 求，運(yùn)是其它金屬基復(fù)合材料制造過程所無法做到的。
[0018] (3)增強(qiáng)相的組織形態(tài)、力學(xué)性能和制造方式多樣化：根據(jù)金屬基體的成分與組 織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，可W采用基于固態(tài)相變的激光（或者其它熱源）選區(qū)澤火工藝，也可W采 用基于快速烙化-凝固相變的選區(qū)烙化工藝，形成同素異構(gòu)金屬基復(fù)合材料。根據(jù)一些材 料的特性，還可W采用激光固溶加熱-時(shí)效處理的方式形成同素異構(gòu)金屬基復(fù)合材料。
[0019] (4)本發(fā)明方法可W對已經(jīng)成型的金屬零部件再次進(jìn)行金屬基復(fù)合化處理：對于 一些后續(xù)加工（如銳削、切割、焊接、沖壓）要求復(fù)雜的金屬零部件而言，還可W根據(jù)待加工 零件的要求，先只對不需要后續(xù)加工的材料預(yù)制成金屬基復(fù)合材料，待加工完成后，再對加 工區(qū)域進(jìn)行復(fù)合化處理，形成金屬基復(fù)合材料，從而確保構(gòu)件的整體性能不降低。
[0020] 妨本發(fā)明的金屬預(yù)制材料，可W是金屬板材，也可W是金屬型材或者其它任意形 狀。特別重要的是，形成增強(qiáng)相的區(qū)域可W進(jìn)行預(yù)先規(guī)劃，例如，對于需要變形的區(qū)域，或者 是需要焊接的區(qū)域可W先不形成增強(qiáng)相，而在變形或焊接后完成后再根據(jù)需要在該處補(bǔ)充 增強(qiáng)相，從而規(guī)避現(xiàn)有金屬基復(fù)合材料不易進(jìn)行后續(xù)成形加工的難題。
[0021] (6)適合的材料范圍寬：本發(fā)明不僅適合鋼鐵材料，而且適合有色金屬材料；不僅 適合能夠產(chǎn)生馬氏體相變的鐵基合金，也能夠適合固溶強(qiáng)化等其它方式硬化的鐵基、鉆基、 儀基、銅基、侶基、鐵基等有色金屬材料體系，形成相應(yīng)的金屬基復(fù)合材料，如侶基、儀基、鐵 基、儀基、鐵基和銅基復(fù)合材料。
[0022] 本發(fā)明提供的預(yù)制材料尤其適用于制造飛機(jī)、航天飛行器、汽車等運(yùn)載工具。
【附圖說明】
[0023] 圖1本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的點(diǎn)陣狀金屬預(yù)制材料示意圖。
[0024] 圖2本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的貫穿線條狀金屬預(yù)制材料示意圖。
[0025] 圖3本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的短桿狀線條狀金屬預(yù)制材料圖。
[0026] 圖4是本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的垂直交錯短桿陣列金屬預(yù)制材料示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 本發(fā)明首次提出了一種通過選區(qū)改變金屬材料的組織結(jié)構(gòu)、性能，形成增強(qiáng)相并 獲得金屬預(yù)制材料的新工藝、新方法。制備所采用的工具可W是激光束、電子束、離子束或 者感應(yīng)熱源等。
[0028] 本發(fā)明提供的預(yù)制材料的基體為金屬或合金，在基體上分布有由選區(qū)強(qiáng)初化處理 所獲得的增強(qiáng)相，增強(qiáng)相的成分與金屬基體基本相同，但是顯微組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能存在 顯著差距。運(yùn)種復(fù)合材料可W在保持基體重量基本不變的情況下，既具有金屬平衡態(tài)組織 高延性、可焊性特點(diǎn)，又兼具金屬強(qiáng)化組織的高強(qiáng)度、高耐磨性能，使得其強(qiáng)初性較原來基 材大幅度提高。因此，它可W在保證構(gòu)件性能不降低的前提下，大幅度減少構(gòu)件的厚度或者 自重，因此可望在汽車、飛機(jī)、船舶、列車等工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。需要特別說明的是， 本發(fā)明的預(yù)制材料特別適用于飯金成形的構(gòu)件材料。
[0029] 與現(xiàn)有的金屬材料體系相比，本發(fā)明提出金屬預(yù)制材料為同素異構(gòu)金屬基復(fù)合材 料?！揪唧w實(shí)施方式】是：采用選區(qū)固態(tài)相變的工藝，在金屬基體上制備增強(qiáng)相，則金屬基體與 增強(qiáng)體之間的成分沒有