[發明專利]一種基于攪拌摩擦技術的高通量塊體材料制備方法

有效

• 申請號: 202010010353.5
• 申請日: 2020-01-06
• 公開（公告）號: CN111331243B
• 公開（公告）日: 2021-10-01
• 發明（設計）人: 肖亮;陳科;張青松;單愛黨;王敏;張瀾庭;華學明
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12;B23K20/24;B23K20/26
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 蔣亮珠

本發明涉及一種基于攪拌摩擦技術的高通量塊體材料制備方法，包括如下步驟：(1)確定研究目標，選用成分不同、厚度相同的多塊板材作為母材，進行預處理，并將處理后的母材裝夾固定于加工平臺上；(2)設定攪拌摩擦加工參數，并按照一定加工方向完成加工，得到的塊體材料中所研究成分沿加工方向連續變化。與現有技術相比，本發明制備得到的材料成分呈梯度變化，可根據計算切取對應成分的樣品；制備過程具有能耗低、綠色環保等優點；實驗設備無需控制真空度、磁場和溫度等條件，簡便易行，且制備的塊體材料可通過后續工藝調整尺寸和性能。

技術領域

本發明涉及金屬塊體材料制備技術，特別涉及金屬塊體材料的高通量制備技 術。

背景技術

隨著科學技術的進步，人們對于材料提出了越來越嚴苛的挑戰和要求，開發新 材料的工作也成為了備受關注的焦點。然而基于“逐個試錯”的傳統材料開發方法 在如今的科研工作中暴露出了極大的局限性，一方面逐個制備樣品嘗試的過程不僅 耗時較長，而且浪費了大量的物料資源；另一方面，在面對諸如高熵合金、非晶合 金、新型高溫合金等包含多種元素的新型材料研發問題時，沿用傳統的實驗方法所 需要的工作量是巨大的，這讓此類材料的開發幾乎變成了難以解決的難題。因此， 能夠在短時間內完成大量樣品制備與表征的“材料高通量實驗”受到廣泛關注。通 過把傳統研發過程中順序迭代的實驗方式轉變為高通量并行實驗，這一實驗方法大 大提高材料開發效率，縮短了研發周期，由此而受到廣泛關注。

作為“材料基因組技術”的三大關鍵要素之一，材料的高通量實驗起到了承上 啟下的作用，不僅為高通量計算模型提供實驗論證，而且為材料數據庫提供可靠的 數據來源。在實驗方法中，高通量樣品的制備往往是研究的基礎。然而，現有的制 備方法主要集中在薄膜樣品的制備與研究，如共沉積法、模板鍍膜法等方法。采用 擴散多元節法、微機電結構法等方法雖可制備得到三維樣品，但樣品尺寸往往遠小 于宏觀結構件尺寸，這不僅對機械性能的檢測設備提出挑戰，而且由于材料的尺寸 效應，測試結果往往與宏觀結構件的實際性能存在差異。而對于制備塊體高通量材 料的研究卻鮮有報道。《Compositional andthermo-mechanical high throughput bulk combinatorial design of structuralmaterials based on the example of 30Mn–1.2C–xAl triplex steels》一文中通過熔煉的方法在35小時內制備得到45種具有不同成分和 熱處理工藝的塊體材料，但其研究成分范圍較為有限，無法實現成分的連續變化。

公開號為CN106521589A的專利公開了一種高通量鎂合金塊體樣品的制備方 法，此方法通過調整電鍍時間和金屬正極的種類來快速獲得多組分多配比濃度的樣 品。但電鍍只能起調節樣品成分的配比，在電鍍后仍需要對樣品進行重新熔煉，會 造成能源大量消耗和樣品燒損等問題。公開號為CN108468045A的專利公開了一 種通過粉末沉積的制備方法。通過一個可編程的機械手臂帶動噴槍，將帶有不同組 分和混合比例的鎂合金粉末在高溫保護氣體的作用下噴涂到槽中從而實現塊體高 通量材料的制備。然而此種方法所獲得的材料致密度有限，性能相較于傳統熔煉方 式有一定區別。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述技術存在的缺陷而提供一種綠色無污染、簡單易行以及具有廣泛應用前景的高通量塊體材料制備新方法。

本發明可以通過以下技術方案來實現，包括：母材準備、母材裝夾、攪拌摩擦 加工、成分均勻化和性能表征等步驟。具體包括如下步驟：

(1)母材準備：確定研究目標組元成分區間，選用成分配比不同，厚度相同 的多塊板作為母材，對試樣板材進行清洗、打磨。采用丙酮作為清洗劑，將板材進 行清洗。在超聲波的作用下清洗3分鐘，去除母材表面灰塵及油污，清洗后的母材 烘干備用。采用240#到2000#號砂紙逐級打磨，將接觸面打磨平整。這樣可以便于 兩材料間更緊密的貼合，以保證制備得到的樣品質量，同時，在這一過程中材料表 面氧化膜被去除掉，便于材料的混合；