采用电磁冲击制备纳米块体金属材料的方法及其专用装备

1.本发明涉及纳米块体金属材料领域，具体为一种采用电磁冲击制备纳米块体金属材料的方法及其专用装备。


背景技术：

2.纳米块体材料是以纳米结构单元为基础形成的三维大尺寸纳米固体材料，也有人称其为纳米结构材料。块体纳米晶金属材料是指晶粒的特征尺寸在1～100nm的金属单相或多相块体材料，具有晶粒细小、界面密度高、晶界所占的体积分数大等特点，以及由此产生的小尺寸量子效应和晶界效应，纳米晶体材料表现出一系列不同于常规多晶体的物理、化学和电磁学性能，如：高强度、低密度和良好的塑性变形能力，高比热和高热膨胀系数以及高电阻率等。正因为这些独特的结构和性能特征，在最近几十年里，纳米晶体材料迅速地成为世界各国科技界和产生界关注的热点，其制备方法也因此而成为了材料界的研究热点。
3.在现有技术中，制备块体纳米晶金属材料的方法有：高温高压法、非晶晶化法、大塑性变形法等，具体如下：
4.高温高压法是将材料放置到高压腔内，然后加压升温，在高压环境下，原子的扩散和晶粒的长大受到了很好抑制，从而使晶粒尺寸得到细化至纳米级，再在高温下固相淬火以保持高温、高压组织。其优点是制备工艺简便，制得的材料界面清洁无污染，致密度较高，但由于需要对材料施加很高的压力，所以对设备要求较严格。
5.非晶晶化法制备块体纳米晶金属材料可分为两个步骤，即非晶合金的制备和晶化这两个过程。该方法的优点是生产效率高、制作成本低、表面洁净，内部没有孔隙、晶料度变化容易控制。但由于此方法首先要得到非晶态合金，所以只适用于有较强非晶形成能力的金属材料，并且晶粒大小对非晶晶化得到的材料的塑性有很大影响。
6.大塑性变形法(spd)，是指不改变金属材料成分，对样品进行一定的塑性变形，使其内部产生大量位错，再经过位错的增殖、运动、重排和湮灭等过程，使晶粒尺寸细化到1微米以下，获得超继晶金属材料的一种工艺方法。常用的spd工艺有等径角挤压(ecap)、高压扭转(hpt)、累积轧制(arb)、多向锻造(mf)、反复弯曲平直法(rcs)等。其优点是适用范围广、致密度高、晶界清洁；缺点是成型效率低、制备过程中出现疲劳裂纹、工件尺寸小、组织不均匀、材料纳米化不彻底等问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供了一种采用电磁冲击制备纳米块体金属材料的方法及其专用装备，使用高能、高速制备纳米块体金属材料，大幅度提高了块体金属材料的强度及力学性能。
8.本发明的技术方案是：
9.一种采用电磁冲击制备纳米块体金属材料的方法，通过电磁冲击设备的磁场力推动冲击锤头打击块体金属材料，从而得到纳米块体金属材料，其工艺流程为：
10.在电磁冲击设备中放入冲击块体金属材料
→
输入加工能量w，w＝c
×v2
/2，式中：w代表加工能量，单位j；c代表储能电容器组的容量，单位μf；v代表储能电容器组的电压，单位kv；储能电容器组的额定电压3～10kv
→
给储能电容器组充电
→
打击加工块体金属材料
→
给储能电容器组放电，使储能电容器组的电压为50伏
→
关闭储能电容器组的充电开关
→
电磁冲击设备对地放电
→
取出纳米块体金属材料。
11.所述的采用电磁冲击制备纳米块体金属材料的方法，块体金属材料为铜、铜合金、镍、不锈钢、钛或钛合金。
12.所述的采用电磁冲击制备纳米块体金属材料的方法，块体金属材料为圆柱体、长方体、正方体或薄片。
13.所述的采用电磁冲击制备纳米块体金属材料的方法，块体金属材料温度为室温、高温或液氮温度。
14.所述的采用电磁冲击制备纳米块体金属材料的方法的专用装备，电磁冲击设备包括：支柱、底板、垫块、弹簧支撑板、黄铜套、冲击锤头、弹簧、驱动片、冲击锤头垫块、线圈固定板、电感线圈、线圈包套、绝缘树脂板、上盖板，具体结构如下：
15.竖向设置的四个支柱沿圆周均匀分布，每个支柱为第一段圆柱、第二段圆柱、第三段圆柱组合的一体结构，第一段圆柱、第二段圆柱、第三段圆柱自下而上设置且直径变小；四个支柱的下端安装于底板上，底板的顶部中心设置垫块，块体金属材料放置于垫块上；垫块的上方水平设置弹簧支撑板于支柱的第一段圆柱顶部，并且第二段圆柱穿设于弹簧支撑板，弹簧支撑板的中心孔处安装黄铜套；四个支柱的第二段圆柱顶部自下而上依次水平设置线圈固定板、绝缘树脂板、上盖板，并且第三段圆柱穿设于线圈固定板、绝缘树脂板、上盖板，四个支柱的上端安装螺母，线圈固定板、绝缘树脂板、上盖板通过螺母固定于支柱上部；线圈固定板中心孔处安装线圈包套，线圈包套内侧固定安装电感线圈，电感线圈的底部依次设置冲击锤头垫块、驱动片、冲击锤头，冲击锤头为水平法兰和竖向圆柱杆上下连接的一体结构，冲击锤头的上端水平法兰依次与驱动片、冲击锤头垫块、电感线圈通过螺栓连接，冲击锤头的竖向圆柱杆下端穿过黄铜套与垫块上的块体金属材料相对应，冲击锤头的水平法兰下端面与黄铜套外侧的弹簧支撑板上端面之间设置弹簧。
16.所述的采用电磁冲击制备纳米块体金属材料的方法的专用装备，电感线圈两端与储能电容器组连接，市电电源依次与升压变压器、整流器、限流电路、储能电容器组连接。
17.所述的采用电磁冲击制备纳米块体金属材料的方法的专用装备，使用时，将块体金属材料放在冲击锤头的下面，通过给计算机输入要冲击块体金属材料的能量，通过市电电压由升压变压器升压，并通过整流器的整流滤波变成直流电压，再经过限流电路向储能电容器组充电，达到要求的电压值后，储能电容器组对冲击锤头上端的电感线圈放电产生高强度脉充电流，形成脉冲磁场；冲击锤头产生感应电流，感应电流产生的磁场方向与电感线圈电流产生的磁场方向一致，它们磁场进行叠加，在冲击锤头上产生脉冲磁场力，由电感线圈产生的磁场力推动冲击锤头，通过冲击锤头打击块体金属材料，通过一次或两次以上的打击，得到块体纳米金属材料块体。
18.本发明的设计思想是：
19.①
电磁成形技术。下面描述一下电磁成形技术。电磁成形是一种非接触加工金属材料的方法，在加工过程中具有很高的能量和速率，可以在几毫米的距离，以200米/秒的速
率成形，成形时间10-4
～10-5
s，成形压力300～500mpa。电磁成形技术有别于其他大部分金属的成形方式，是常规变形速率的100到1000倍。电磁成形产生很大的压缩应力，可以减少金属板材回弹，改善表面光洁度。电磁成形技术是通过冲击金属薄板，使得薄板按照磨具的形状成形。它的优点是：能量高，冲击速度快(200米/秒)。缺点是：不能冲击块体金属材料。
20.②
落锤dpd(动态塑性变形)。下面描述一下(dpd)加工方法，冲击锤头可以在竖直的轨道上滑行，样品放在冲击锤头下方，冲击锤头的重量定好后，将冲击锤头提升到一定的高度，冲击锤头通过自由落体运动打击下面的样品，我们知道了冲击锤头的重量，又知道冲击锤头提升的高度，就可算出打击样品的能量。落锤dpd(动态塑性变形)是通过落锤打击块体金属材料。它的优点是：可以冲击块体金属材料，能量也可以做的比较高。缺点是：能量做的不会太高，冲击速度低(目前的设备只有10米/秒)。
21.考虑到纳米材料优异的性能，本发明通过研制了一台电磁冲击设备(见图1)，其方法是(见图4)通过市电电压由升压变压器升压，通过整流器变成直流电压，再经过限流电路向储能电容器组c充电，达到要求的电压值后，储能电容器组c对电感线圈l放电产生高强度脉充电流，形成脉冲磁场，冲击锤头产生感应电流(涡流)，涡流产生的磁场方向与电感线圈l电流产生的磁场方向一致，它们磁场进行叠加，在冲击锤头上产生脉冲磁场力，通过冲击锤头(图3)打击块体金属材料，使得我们得到块体纳米金属材料成为可能。本发明具有“电磁成形”和“落锤dpd(动态塑性变形)”共同的优点，又克服了二种方法共同的缺点。
22.本发明具有如下优点及有益效果：
23.1.加工方法简单。块体纳米金属材料很难获得，本发明可以得到块体纳米金属材料，只要将金属块体材料放在冲击锤头的下面，选择适宜能量由冲击锤头打击金属块体材料，通过一次或多次打击就可得到纳米金属块体样品。
24.2.本发明可以得到高强度，均匀性好的块体纳米金属材料。由于块体金属材料的晶粒尺寸为纳米量级，使得它的强度会有成倍的提高。
附图说明
25.图1为本发明电磁冲击设备照片。
26.图2为本发明电磁冲击设备的结构示意图。图中，1支柱，2底板，3垫块，4弹簧支撑板，5黄铜套，6冲击锤头，7弹簧，8驱动片，9冲击锤头垫块，10线圈固定板，11电感线圈，12线圈包套，13绝缘树脂板，14上盖板。
27.图3(a)-(b)为本发明冲击锤头的零件图(单位：mm)。其中，图3(a)为主视图，图3(b)为俯视图。图中，6冲击锤头，61法兰，62圆柱杆。
28.图4为本发明电磁冲击原理图。
29.图5为本发明电磁dpd铜样品透射电镜照片。
30.图6为本发明电磁dpd镍样品透射电镜照片。
具体实施方式
31.如图1-图4所示，本发明研制了一台电磁冲击设备，主要包括：支柱1、底板2、垫块3、弹簧支撑板4、黄铜套5、冲击锤头6、弹簧7、驱动片8、冲击锤头垫块9、线圈固定板10、电感线圈11、线圈包套12、绝缘树脂板13、上盖板14、升压变压器、整流器、限流电路、储能电容器
组c等，具体结构如下：
32.竖向设置的四个支柱1沿圆周均匀分布，每个支柱1为第一段圆柱、第二段圆柱、第三段圆柱组合的一体结构，第一段圆柱、第二段圆柱、第三段圆柱自下而上设置且直径变小；四个支柱1的下端安装于底板2上，底板2的顶部中心设置垫块3，样品放置于垫块3上；垫块3的上方水平设置弹簧支撑板4于支柱1的第一段圆柱顶部，并且第二段圆柱穿设于弹簧支撑板4，弹簧支撑板4的中心孔处安装黄铜套5；四个支柱1的第二段圆柱顶部自下而上依次水平设置线圈固定板10、绝缘树脂板13、上盖板14，并且第三段圆柱穿设于线圈固定板10、绝缘树脂板13、上盖板14，四个支柱1的上端安装螺母，线圈固定板10、绝缘树脂板13、上盖板14通过螺母固定于支柱1上部；线圈固定板10中心孔处安装线圈包套12，线圈包套12内侧固定安装电感线圈11，电感线圈11的底部依次设置冲击锤头垫块9、驱动片8、冲击锤头6，冲击锤头6为水平法兰61和竖向圆柱杆62上下连接的一体结构，冲击锤头6的上端水平法兰61依次与驱动片8、冲击锤头垫块9、电感线圈11通过螺栓连接，冲击锤头6的竖向圆柱杆62下端穿过黄铜套5与垫块3上的样品相对应，冲击锤头6的水平法兰61下端面与黄铜套5外侧的弹簧支撑板4上端面之间设置弹簧7。
33.电感线圈11(l)两端与储能电容器组c连接，市电电源依次与升压变压器、整流器、限流电路、储能电容器组c连接。使用时，将样品放在冲击锤头6的下面，通过给计算机输入要冲击样品的能量，通过市电电压由升压变压器升压，并通过整流器的整流滤波变成直流电压，再经过限流电路向储能电容器组c充电，达到要求的电压值后，储能电容器组c对冲击锤头6上端的电感线圈l放电产生高强度脉充电流，形成脉冲磁场；冲击锤头6产生感应电流(涡流)，涡流产生的磁场方向与电感线圈l电流产生的磁场方向一致，它们磁场进行叠加，在冲击锤头6上产生脉冲磁场力，由电感线圈l产生的磁场力推动冲击锤头6(图2)，通过冲击锤头6(见图3)打击块体金属材料样品，通过一次或两次以上的打击，就可以得到块体纳米金属材料块体样品。
34.下面，通过实施例进一步详述本发明。
35.实施例1
36.本实施例中，利用电磁冲击方式加工无氧铜样品：
37.设备：电磁冲击设备(见图1-图2)；
38.无氧铜样品退火温度为973k，时间120分钟；
39.无氧铜样品直径：16mm；
40.无氧铜样品高度：26mm；
41.加工能量：3200j；
42.在液氮环境下打击。
43.如图5所示，从无氧铜样品打击后的透射电镜照片可以看出晶粒为板条状，短轴约为60纳米。
44.实施例2
45.本实施例中，利用电磁冲击方式加工镍(纯度99wt％)样品：
46.设备：电磁冲击设备(见图1-图2)；
47.镍样品退火温度为700℃，时间6小时；
48.镍样品直径：10mm；
49.镍样品高度：12mm；
50.加工能量：3200j；
51.在液氮环境下打击。
52.如图6所示，从镍样品打击后的透射电镜照片可以看出晶粒为板条状，短轴约为70纳米。
53.实施例结果表明，本发明是通过研制一台制备纳米块体金属材料的电磁冲击装备，由冲击锤头打击金属材料样品(如：铜、铜合金、镍、不锈钢、钛及钛合金等)，从而得到纳米块体金属材料。本发明较为完美，具有非常高的打击速率(≥200米/秒)，与低速打击(锻锤)相比，会使金属材料的结构发生改变，其投资少，操作简单，非常适合在工业界推广。