权利要求
1.多尺度梯度复合结构高强高韧金属材料制备方法，其特征在于，包括微观梯度结构制备和宏观层合结构制备;
微观梯度结构制备和宏观层合结构制备分别爆炸硬化和爆炸焊接的方式。
2.根据权利要求1所述的多尺度梯度复合结构高强高韧金属材料制备方法，其特征在于，具体技术方案为：
首先利用4mm厚C-4炸药对覆板加载，产生梯度层;覆板材料为10CrNi3MoV，基板材料为30CrMnSiNi2MoVE;
随后利用膨化硝铵炸药进行层合，覆板和基板的两板间间距为8mm，最后得到多尺度梯度复合结构高强高韧金属材料。
3.根据权利要求2所述的多尺度梯度复合结构高强高韧金属材料制备方法，其特征在于，C-4炸药的爆速8000m/s，密度1.6g/cm3;膨化硝铵炸药的爆速2700m/s，密度1.05g/cm3。
4.多尺度梯度复合结构高强高韧金属材料，由权利要求1到3任一项所述的制备方法所得。
说明书
技术领域
[0001]本发明提供一种多尺度梯度复合结构高强高韧金属材料及其制备方法，属于复合金属材料技术领域。
背景技术
[0002]金属材料在船舶、国防等工程领域有着广泛应用，然而随着技术发展，单一均质金属板已经无法全面满足工程需求，其一是伴随着强度和韧性的提升，金属材料的制备成本往往大幅增长;其二是均质材料无法解决强度-韧性的拮抗作用，在强度提高的同时往往会造成脆性同步提升，制约了材料的应用范围。
[0003]目前的技术主要缺陷在于：
[0004](1)制备方式单一。大部分研究及应用仅针对梯度结构或仅针对层合结构。本发明中的设计将二者充分结合，在保证表面强度及硬度的基础上，提升了材料基体部分的性能。
[0005](2)工程应用较为局限。受梯度层厚度影响，具有纳米梯度结构的金属材料尺寸往往较小，尺寸提升带来的梯度层浓度降低，导致梯度层作用减小的问题无法充分解决。层合结构可以在宏观尺度上对材料性能进行调配，但无法解决或减小材料强度及韧性间的拮抗作用。
发明内容
[0006]本发明旨在降低材料制备成本的同时，调控材料的强度及韧性，使金属材料能够满足更多工况。多尺度梯度
复合材料采用爆炸硬化和爆炸焊接耦合的方式进行制备，一方面利用表面梯度结构以及层合结构解决强度-韧性拮抗作用，另一方面利用复合结构调控所用材料，将部分高成本金属材料替代为低成本金属材料，从而实现降低制备成本的目的。
[0007]本发明提供的方法主要由两部分组成，第一部分是微观梯度结构制备，第二部分是宏观层合结构制备。
[0008]发明采用了爆炸硬化以及爆炸焊接的方式制备多尺度梯度复合结构金属材料，其中前者用于制备微观梯度结构;后者用于制备宏观层合结构。
[0009]具体技术方案为：
[0010]首先利用4mm厚C-4炸药对覆板加载，产生梯度层;覆板材料为10CrNi3MoV，基板材料为30CrMnSiNi2MoVE;
[0011]随后利用膨化硝铵炸药进行层合，覆板和基板的两板间间距为8mm，最后得到多尺度梯度复合结构高强高韧金属材料。
[0012]其中，C-4炸药的爆速8000m/s，密度1.6g/cm3;膨化硝铵炸药的爆速2700m/s，密度1.05g/cm3。
[0013]本发明提供的方法有望能协同发挥纳米梯度结构和分层结构在增强增韧方面的优势，针对高应变率等极端加载环境下对材料与结构的高强高韧需求，提供一种可行、高效的结构材料设计策略。
附图说明
[0014]图1为实施例的材料应力-应变曲线图
[0015]图2为本发明的多尺度梯度复合结构材料制备方法示意图。
具体实施方式
[0016]结合附图说明本发明的具体技术方案。
[0017]本发明中的设计方法主要由两部分组成，第一部分是微观梯度结构制备，第二部分是宏观层合结构制备。
[0018]本发明中的设计方法采用了爆炸硬化以及爆炸焊接的方式制备多尺度梯度复合结构金属材料，其中前者用于制备微观梯度结构;后者用于制备宏观层合结构。
[0019]爆炸硬化技术经过长时间研究，已相对成熟，主要针对金属材料展开，包括钛、钢、
铜等。制备时将高爆速(8000m/s)炸药贴附在材料表面，通过炸药爆炸产生的加载使材料表面产生高应变率变形，达到晶粒细化的作用。受加载传播深度的影响，可以在材料内部实现由纳米晶到粗晶的梯度结构。晶粒细化可以显著提高材料的强度、硬度、耐腐蚀性等性能，产生的梯度结构有效减小强度-韧性的拮抗作用。相较于其他制备方式，爆炸硬化可以提高梯度层厚度，具有更高的工程应用价值。
[0020]由于不同金属材料之间具有一定的性能差异，因此传统焊接方式往往会影响材料性能，甚至会导致无法有效焊接。爆炸焊接由于焊接机制的不同，能够较好地结合不同金属材料，且在爆炸过程中具有较高的能量密度，能够实现高表面积焊接，因此被广泛应用于工程制造中。
[0021]爆炸硬化技术主要利用C-4等高爆速炸药实行，通过调整药量以及加载次数调控硬化效果。爆炸焊接技术主要利用膨化硝铵炸药等低爆速炸药实行，通过调整药量以及母材间距，使焊接条件满足爆炸窗口，完成焊接过程。上述两种技术方案的具体参数受材料性能影响而有所不同。
[0022]本实施例所用覆板和基板的材料均为钢材，覆板材料为10CrNi3MoV，基板材料为30CrMnSiNi2MoVE;覆板所用材料强度较低、韧性较好，基板所用材料强度较高，韧性较差，二者拉伸性能如图1所示。
[0023]考虑到爆炸硬化过程可能会对焊缝结构产生损伤，因此先对覆板进行爆炸硬化。具体设计方案如图2所示。
[0024]首先利用4mm厚C-4炸药(爆速8000m/s，密度1.6g/cm3)对覆板加载，产生梯度层。随后利用膨化硝铵炸药(爆速2700m/s，密度1.05g/cm3)进行层合，覆板和基板的两板间间距为8mm。
[0025]在对覆板进行高爆速加载后需要进行冷轧，爆炸焊接制备层合板后也要对层合板进行冷轧，由于爆炸加载后的钢板会产生弯曲，因此需要进行冷轧。两次冷轧的目的均是为了扎平，前者的目的是方便后续焊接;后者的目的是为了获得规则，平整的复合钢板，方便热处理以及后续的工程应用。
[0026]在全部加工完成后进行热处理，工艺如下：将复合板放置于加热炉内，升温至650℃，保温2h后随加热炉冷却至150℃后，取出复合板，并且进行空冷，最后得到多尺度梯度复合结构金属材料。
说明书附图(2)
声明：
“多尺度梯度复合结构高强高韧金属材料及其制备方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色网
来源：北京理工大学, 湖南方恒新材料技术股份有限公司
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2025年04月25日 ~ 27日 
