阅读说明：本技术 一种金属预制材料及其制备方法 (Metal prefabricated material and preparation method thereof ) 是由 曾晓雁 胡乾午 于 2015-02-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种金属预制材料及其制备方法,该材料的基体为金属或合金,在基体上分布有由选区强韧化处理所获得的同素异构型增强相,该材料在保持基体重量基本不变的情况下,既有金属平衡态组织高延性、可焊性特点,又兼具金属亚稳态组织的高强度、高耐磨性能。该方法采用包括高功率激光束或电子束、离子束以及感应热源在内的能量束/场,利用所述能量束/场对金属或合金材料的基体进行对材料进行选区强韧化处理,在基体获得同素异构型增强相。所述基体具有相变硬化特性,或者通过先固溶再时效强化获得。该预制材料尤其适用于制造运载工具。(The invention discloses a metal prefabricated material and a preparation method thereof, wherein a matrix of the material is metal or alloy, allotropic isomeric reinforced phases obtained by selective strengthening and toughening treatment are distributed on the matrix, and the material has the characteristics of high ductility and weldability of a metal equilibrium structure and also has the high strength and high wear resistance of a metal metastable structure under the condition of keeping the weight of the matrix basically unchanged. The method adopts energy beams/fields including high-power laser beams or electron beams, ion beams and induction heat sources, and performs selective strengthening and toughening treatment on a metal or alloy material matrix by using the energy beams/fields to obtain an isomerous enhancement phase on the matrix. The matrix has phase change hardening properties or is obtained by solution prior to aging strengthening. The prefabricated material is particularly suitable for use in the manufacture of vehicles.)

一种金属预制材料及其制备方法

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及一种金属预制材料及其制备方法，该材料既具有高强韧性又具有重量轻的特点，特别适合用作钣金成形的构件材料。

背景技术

现代制造业中，如何提高材料的强韧性是企业和工程技术人员不断追求的目标。下面以汽车制造业为例予以具体说明。

汽车轻量化有利于环保节能，而材料的选择与应用是其关键所在，主要表现在三个方面：(1)使用更高强度钢板代替普通钢板，在满足同等强度要求的前提下减少零件厚度和重量；(2)开发新的材料加工技术，优化板材结构，实现车身零部件轻量化，如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板、轧制差厚板等；(3)开发新型高强度、低密度的轻质材料，用其取代传统钢铁零件以减轻汽车自重，如镁、铝合金等金属材料，以及塑料聚合物、陶瓷、复合材料等非金属材料。显然，通过结构优化、高强度材料、轻质材料的应用和材料加工工艺创新等措施，在保持整车强度的同时，实现车身的轻量化是目前汽车制造的重要发展方向之一。

另外，在汽车特别是轿车制造时，为了减轻汽车的自重，并使车身有良好的流线外观，常常采用各种高强度钢或者型材。特别是近年来，基于激光焊接技术的不等厚板(又称差厚板)被广泛应用于车身、车门的结构材料。其中，主承力部分一般采用厚度较大的钢板，而次承力或者不承力的部分一般采用较薄的钢板，两者通过激光焊接连接起来，确保结构件的强度，最后通过冲压成型。

除了不等厚板外，汽车的覆盖面板、顶板，汽车车身的框架结构等也是由板材加工成型的。事实上，不仅仅在汽车制造中，在航空航天飞行器、船舶、高速列车等制造中，都存在如何降低运载工具自重、提高运输效能的问题。减轻上述构件自重的最佳技术路线是采用高强度钢甚至超高强度钢。然而，这一技术路线存在的主要问题是，高强钢或者超高强度钢的焊接特性与冲压特性不足，因此难以兼顾高强度和良好的加工特性。

因此，在保证安全性的前提下，如何进一步降低板材的厚度，提高板材的性能，成为运载工具如飞机、航天飞行器、汽车制造工业努力追求的目标。为此，需要发展兼有高强度、高刚性同时兼有良好的焊接性、冲压特性的材料。显然，传统的金属材料无法满足上述要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属预制材料及其制备方法，该预制材料既具有金属平衡态组织高延性、可焊性特点，又兼具金属强化组织的高强度、高耐磨性能，具有高的强韧性，并且还具有重量轻的特点。

本发明提供的一种金属预制材料，其特征在于，该材料的基体为金属或合金，在基体上分布有由选区强韧化处理所获得的同素异构型增强相，该材料在保持基体重量基本不变的情况下，既有金属平衡态组织高延展性和可焊性，又兼具金属亚稳态组织的高强度和高耐磨性能。

本发明提供的一种金属预制材料的制备方法，其特征在于，该方法采用包括高功率激光束或电子束、离子束以及感应热源在内的能量束/场，利用所述能量束/场对金属或合金材料进行选区强韧化处理，在其基体上获得同素异构型增强相，能够在保持基体重量基本不变的情况下，既有金属平衡态组织延展性和可焊性，又兼具金属亚稳态组织的高强度和高耐磨性能。

所述基体可以为等厚或不等厚板材；基体可以是钢铁材料，也可以包括铝合金、钛合金等有色金属材料。

所述增强相是与基材金属相同的同素异构型，前提条件是采用具有相***化特性或者固溶+时效强化特性的金属或合金材料作为基体。增强相在基体上可以成线条状，球形颗粒或者半球状或者其它形状，其形态和分布区域根据性能要求和加工要求预先规划得到。分布在基体上不同区域的增强相可以根据对材料的要求进行选择,当材料对不同区域的性能要求不一致时，增强相的强度、硬度以及数量、大小、分布密度也根据要求做相应的变化。

所述材料厚度可以与基体材料厚度一致，用于替代不等厚板。也可以是不等厚板材，但是构件整体的强度显著提高或者其厚度因此可以较原要求大幅度降低。该类材料可以是板材或型材。

所述选区强韧化处理是指选区改变材料的组织结构或者性能，具体为基于固态相变或快速熔凝淬火为主的选区强韧化处理，也可以是先激光固溶然(也可称作激光固溶淬火)后再时效处理。本发明方法还可以通过调整增强相的成分、尺寸大小、数量或分布方式，使得所形成的材料结构与性能上满足零件的服役需求。

由于本发明所形成的金属预制材料强度大幅度提高，而塑性指标又变化较小，因此可以在确保构件整体力学性能不降低的前提下，减少结构件的厚度。对于在轿车制造中广泛使用的不等厚板，甚至只需要对厚度均匀的金属薄板零件中承力部分进行选区处理，形成金属基复合材料，而对次承力或者不承力部分不进行或者少处理，使其保持原板的强韧性，就可以在保证汽车车身强度与性能的同时，大幅度减轻车身的重量。当然，如果对原来的差厚板厚、薄部分都分别进行处理，则可以更大幅度地提高材料的性能，降低板材的厚度。

与现有技术相比，本发明具有如下技术特点：

(1)金属基体成分与组织基本不变，增强相原位形成：金属预制材料制备过程中，金属基体主体部分的原始成分与组织结构状态不变，只是通过选区强韧化的工艺方法使得基体中局部区域发生成分、组织结构及性能的变化，原位转变成为金属基复合材料中的增强相。由于这种增强相本身也是金属材料，因此所形成的金属基复合材料与此前为大家熟知的金属基复合材料的种类存在很大差别，属于新型金属基复合材料；相应的工艺也是全新的金属基复合材料制备工艺。

(2)制造工艺多样化：选区强韧化处理工艺可以采用激光束、电子束、离子束、等离子弧或者感应热源等方式进行，这些能量源的共同特点是可以方便地调控能量输入量、输入方式及轨迹(图形)，选择性实现基材金属的组织结构与性能变化。换句话说，可以根据零件性能的需要对金属基复合材料设计进行个性化设计和加工，使其性能满足工况需求，这是其它金属基复合材料制造过程所无法做到的。

(3)增强相的组织形态、力学性能和制造方式多样化：根据金属基体的成分与组织结构特点不同，可以采用基于固态相变的激光(或者其它热源)选区淬火工艺，也可以采用基于快速熔化-凝固相变的选区熔化工艺，形成同素异构金属基复合材料。根据一些材料的特性，还可以采用激光固溶加热-时效处理的方式形成同素异构金属基复合材料。

(4)本发明方法可以对已经成型的金属零部件再次进行金属基复合化处理：对于一些后续加工(如铣削、切割、焊接、冲压)要求复杂的金属零部件而言，还可以根据待加工零件的要求，先只对不需要后续加工的材料预制成金属基复合材料，待加工完成后，再对加工区域进行复合化处理，形成金属基复合材料，从而确保构件的整体性能不降低。

(5)本发明的金属预制材料，可以是金属板材，也可以是金属型材或者其它任意形状。特别重要的是，形成增强相的区域可以进行预先规划，例如，对于需要变形的区域，或者是需要焊接的区域可以先不形成增强相，而在变形或焊接后完成后再根据需要在该处补充增强相，从而规避现有金属基复合材料不易进行后续成形加工的难题。

(6)适合的材料范围宽：本发明不仅适合钢铁材料，而且适合有色金属材料；不仅适合能够产生马氏体相变的铁基合金，也能够适合固溶强化等其它方式硬化的铁基、钴基、镍基、铜基、铝基、钛基等有色金属材料体系，形成相应的金属基复合材料，如铝基、镁基、钛基、镍基、铁基和铜基复合材料。

本发明提供的预制材料尤其适用于制造飞机、航天飞行器、汽车等运载工具。

附图说明

图1本发明所实现的点阵状金属预制材料示意图。

图2本发明所实现的贯穿线条状金属预制材料示意图。

图3本发明所实现的短杆状线条状金属预制材料图。

图4是本发明所实现的垂直交错短杆阵列金属预制材料示意图。

具体实施方式

本发明首次提出了一种通过选区改变金属材料的组织结构、性能，形成增强相并获得金属预制材料的新工艺、新方法。制备所采用的工具可以是激光束、电子束、离子束或者感应热源等。

本发明提供的预制材料的基体为金属或合金，在基体上分布有由选区强韧化处理所获得的增强相，增强相的成分与金属基体基本相同，但是显微组织结构与力学性能存在显著差距。这种复合材料可以在保持基体重量基本不变的情况下，既具有金属平衡态组织高延性、可焊性特点，又兼具金属强化组织的高强度、高耐磨性能，使得其强韧性较原来基材大幅度提高。因此，它可以在保证构件性能不降低的前提下，大幅度减少构件的厚度或者自重，因此可望在汽车、飞机、船舶、列车等工业领域中得到广泛应用。需要特别说明的是，本发明的预制材料特别适用于钣金成形的构件材料。

与现有的金属材料体系相比，本发明提出金属预制材料为同素异构金属基复合材料。具体实施方式是：采用选区固态相变的工艺，在金属基体上制备增强相，则金属基体与增强体之间的成分没有差别，增强相与金属基体在化学成分上无明显几何界面，但是两者的显微组织结构与力学性能存在明显差别，因此所形成的是同素异构金属基复合材料。在这种新型金属基复合材料中，金属基体与其它传统的金属基复合材料体系一样呈连续状态，增强相则可以根据需要设计成线(条)状、球形、半球形颗粒状或者其它任意状态。由于增强相与金属基体之间属于同素异构，在增强相与金属基体之间不存在明显的成分梯度，只存在着显微组织结构与力学性能的显著差别。换句话说，这种新型的金属基复合材料是全金属结构的，只是增强相的显微组织结构和基体金属完全不同，并因此导致性能的显著差异。

通过选区加热使得金属基体发生局部快速熔化-冷凝，同样可形成同素异构金属基复合材料。由于激光快速熔凝比单纯激光淬火所允许使用的激光功率和激光功率密度更高，熔池冷凝的冷却速度也更高，因此增强相的组织结构与性能匹配比固态相变形成的同素异构金属基复合材料的部分性能更加优越。激光熔凝处理方式的不足之处在于，它使得激光辐照区域的表面粗糙度有所破坏，如果不进行适当的后续处理，在一些情况下会影响零件的使用。

对于一些特殊的固溶-时效强化处理的合金体系，同样可以采用这种方法获得同素异构金属基复合材料。例如，对于一些不锈钢体系而言，采用激光淬火、激光熔凝淬火都不能够直接使得所处理的区域发生强化。但是，采用选择性激光加热固溶处理，使得激光处理区域的合金元素固溶，然后进行时效强化处理，也可以获得同素异构金属基复合材料。

本发明提供的金属预制材料的机械性能既取决于所选用基体金属或合金本身的性能，也和增强体的特性、含量、尺寸、分布、形状以及界面状态等参数密切相关。通过优化设计的复合材料可以既具有金属平衡态组织高延性、可焊性特点，又兼具金属亚稳态组织的高强度、高耐磨等的性能，因此具有优良的综合机械性能。

综上所述，与现有金属基复合材料的制造工艺中增强相必须通过添加外来材料的外加法或者原位反应生成法的高温化学冶金过程来形成不同，本发明提供的金属预制材料不需要外加增强相，只是通过选区加热使金属基体发生局部固态相变，或者快速熔化-凝固相变，就可原位形成非稳态的高性能第二相，得到相应的金属基复合材料。

制备本发明提供的金属预制材料的基本条件是，所采用的金属基体在热作用下，有相变行为，并能够因此改变受热区域的组织结构与性能。通过合理选择加工工艺，可以方便地控制增强相的大小、形状、分布、组织结构乃至机械性能，从而为金属基复合材料的制备开辟一条全新的道路。

高功率能量束/场制备金属预制材料的实施步骤如下：

(1)选择合适成分的基体金属材料：这些基体金属材料既可以是常规钢材，如15钢、20钢、30钢、45钢、42CrMo、65Mn、70SiMn等；也可以是汽车用钢，如DP双相钢、TRIP钢、CP复相钢；还可以是铝合金、钛合金、铜合金等有色金属。只要这些材料具有相***化特性或者固溶+时效强化特性，或者通过快速熔凝处理能够使得其自身的强度、硬度显著提高；或者通过局部加热后，能够改变加热区域的显微组织结构，经过后续的时效或者回火处理使得所形成的金属基复合材料组织结构与性能发生显著变化。工件表面清理的目的是除去表面的油渍污物，以保证表面处理的效果。

材料的厚度：可以根据需要设计为0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、3mm、4mm、5mm、8mm等各种不同厚度。

(2)根据所需要制造零件的特点，设计所要制造金属基复合材料中增强相的尺寸大小、数量、分布方式，使所制造的金属基复合材料在结构与性能上满足需求：由于本发明可以非常方便地调控增强相的形状、尺寸和分布方式，并因此调控所形成同素异构金属基复合材料的强度、刚度、延伸率、冲压性能、延展性、可焊性、耐磨性等性能，满足不同工况的需求，所以增强相图样的形状、组织结构与性能设计是本发明的关键步骤之一。

(3)所述高功率能量束/场包括高功率激光束或电子束、离子束以及感应热源等，采用高功率能量束/场对材料进行选区强韧化处理，形成金属基复合材料：根据步骤2中对金属基复合材料图样及性能的设计，采用高功率激光束或电子束、离子束以及感应热源等表面加工工艺对金属基材进行选区强韧化处理，使得基材的增强相大小、形状与分布满足设计要求，并使所制备的金属基复合材料的机械性能满足使用要求。

制造金属预制材料时，强韧化处理工艺的优选：实际处理时，可以根据所选用的基材种类不同，既可以选用基于固态相变为主的选区强韧化处理，获得同素异构金属基复合材料；也可以选用基于快速熔凝为主的选区强韧化处理，获得晶粒更加细化的同素异构金属基复合材料。但是，前者可以基本上不破坏金属基体原有的表面粗糙度，后者的表面粗糙度会有所下降。还可以针对所采用的材料体系，选择激光或者电子束固溶-时效处理的方式进行强韧化处理。

(4)设计选区强韧化处理的数控程序，对工件进行选区强韧化处理，直至完成整个工件的选区强韧化处理。

高功率能量束/场制备选区强韧化处理制备的金属基复合材料板件，可以直接作为结构材料供货；或者采用激光切割、等离子切割或者冲压等机械加工方式，将经过处理后的金属基复合材料加工(可以采用冲压、弯折、切割、焊接等工艺方式)成所需要零件的形状，使其达到零件的最终尺寸与性能要求。此外，还可以先将金属材料加工成所需要的形状，然后进行选区强韧化处理，获得同素异构的金属基复合材料构件。

以汽车为例，本发明提供的预制材料可用于制作A柱加强板、A柱板、顶肋条板、内挡板，轮罩板、后门内板、前门内板、地板、侧梁板、保险杠、发动机底座板、减震器罩板、前横梁、顶部横梁、前后加强梁、加强板、连体梁、舱座板和底部横梁等。

实例：

实施例1:基于点阵式选区激光淬火的高强度DP双相钢金属预制材料板材的制造方法。

双相钢以铁素体(F)和马氏体(M)组织为主，马氏体以岛状弥散分布在铁素体基体中，具有低的屈服强度和屈强比，高的形***化指数，DP系列高强钢广泛应用于汽车结构类零件，如：车门防撞梁、车门槛加强板、座椅支架等等。

本实施例采用厚度为1.6mm的DP双相钢板(普通冷轧钢板、冷轧镀锌钢板)作为原材料，用高功率光纤激光器作热源，激光功率密度1.5×10⁴W/cm²～2.2×10⁴W/cm²，光斑直径大小为5mm，对钢板的双面分别进行选区激光淬火处理，单面淬火深度0.8mm，形成直径为5mm、强化区域面密度分别为30％、50％和70％的增强相阵列，硬化相的分布为图1的点阵形式。该工艺参数条件下，激光淬火区域中原有F+M双组元结构中的F相变为M相，未处理区域仍然保持F+M双组元结构。因此，圆形硬化区内低碳马氏体增强相的比例显著提高，硬化区内的强化组织与金属基体组合在一起，形成同素异构金属基复合材料，抗拉强度和屈服强度明显提高，但延伸率有所下降。

本实施例获得的DP钢同素异构金属基复合材料性能变化如表1所示。表中，屈服强度(σ_s)和抗拉强度(σ_b)的单位为MPa。延伸率(δ)的单位为％。

表1.选区激光强化DP双相钢的性能变化

由表1可以看出，激光选区淬火强化后，490DP和590DP钢板的屈服强度σ_s、抗拉强度σ_b明显提高，但延伸率δ相应降低。700DP钢板经过70％激光选区强化后，其抗拉强度σ_b与屈服强度σ_s达到800DP钢板的强度级别，而延伸率δ略低于原始800DP钢板。800DP钢板经过70％激光选区强化后，其抗拉强度σ_b为1005MPa达到980DP钢板的强度级别，而屈服强度σ_s和延伸率δ都高于原始980DP钢板。由此说明，本实施例制造的金属预制材料与同等强度级别的DP双相钢相比，延伸率更好，具有明显的技术优势。(好像不完全对应的上)

实施例2:选区激光淬火制造1000MPa双相钢金属预制材料板材

800DP双相钢板可以用于制造乘用车的结构加强件，如B柱/A柱加强板、横梁、加强梁发动机后支架等。本实施例采用厚度为0.8mm、1.0mm和1.6mm的冷轧800DP双相钢板作为原材料(可以是普通冷轧钢板、也可以是冷轧镀锌钢板)，采用高功率光纤激光器作热源，激光功率密度分别为1.2×10⁴W/cm²，2.0×10⁴W/cm²，1.5×10⁴W/cm²，单面淬火深度分别为0.4mm，0.5mm，0.8mm；对前两种钢板的单面进行选区激光淬火处理，对后一种钢板的双面分别进行选区激光淬火处理。光斑直径为5mm，单个光斑移动形成的条带横贯钢板表面，形成如图2的贯穿线条的分布方式，强化相面密度为50％的增强相阵列。该工艺参数条件下，激光淬火区域中原有F+M双组元结构组织中低碳马氏体增强相的比例显著提高，硬化区内的强化组织与金属基体组合在一起，形成同素异构金属基复合材料，屈服强度和抗拉强度显著提升，延伸率下降。800DP双相钢板的抗拉强度σ_b为802MPa，σ_b是多少？原始屈服强度σ_s为567MPa，延伸率δ为14％。

以平行强化带的方向为纵向，垂直强化带的方向为横向，本实施例获得的0.8mm、1.0mm和1.6mm金属预制材料800DP钢板的纵向屈服强度σ_s分别为779MPa、774MPaMPa、769MPa；纵向抗拉强度σ_b分别为1041MPa、1038MPa、1033MPa；纵向延伸率δ分别为8.7％、9.1％、9.6％。相比之下，纵向抗拉强度σ_b分别增加了29.8％、29.4％、28.8％；激光处理后钢板纵向的屈服强度σ_s分别增加了37.4％、36.5％、35.6％；纵向延伸率δ分别降低37.9％、35.0％、31.4％。

本实例选区激光淬火处理前后，800DP钢板纵向的抗拉强度增加到1000MPa级，虽然其塑性与原始材料相比相应降低，但是与980DP级别未处理钢板的相比，淬火处理钢板纵向的强度相当，塑性提高11％；而钢板横向的强度和塑性基本不变。

实际应用时，可以选用0.7mm、1.0mm或1.2mm厚的800DP钢板，通过选区激光淬火处理提高800DP钢板纵向的强度，增加乘用车的结构强度；用于纵向受力的结构，提高乘用车的安全性；还可以适当降低钢板的厚度使得乘用车轻量化，达到节能降耗的目的。

实施例3:选区激光淬火制造金属预制材料碳钢板

针对不同的板材成分和激光工艺参数，可以基于选区激光淬火技术获得不同的强韧化相形状、尺寸大小、分布密度的金属基复合材料。相应的参数如表2所示。可见，通过选择不同的基体材料、光斑直径、功率密度、增强相的分布方式与密度，采用光纤激光器和图1所示的点阵式图样，获得的同素异构金属基复合材料，其强度、塑性指标根据第二相的尺寸大小、密度与方式不同而存在较大的差别。

表2.不同工艺参数选区激光淬火获得金属基复合材料碳钢板力学性能指标

实施例4:基于选区激光熔凝淬火的金属预制材料碳钢板的制造方法。

与实施例3类似，通过选择板材的成分和激光工艺参数，可以基于选区激光熔凝淬火技术获得不同的强韧化相形状、尺寸大小、分布密度的金属基复合材料。相应的参数如表3所示。可见，通过选择不同的基体材料，光斑直径、功率密度、增强相的分布方式与密度，采用光纤激光器和图1所示的点阵式图样，获得的金属预制材料，其强度、塑性指标根据第二相的尺寸大小、密度与方式不同而存在较大的差别。

表3.不同工艺参数激光熔凝淬火获得的金属基复合材料碳钢板力学性能指标

实施例5：基于选区激光淬火的不同形状及尺寸增强相的金属基复合材料板实际上，根据金属零件的受力状况，将增强相设计成长纤维状外，还可以将其设计为单方向的短纤维状、不同取向的短纤维状，或者网格状，或者是采用不同强化区域混合的方式。本实例采用1.6mm的20钢板为原材料，单面淬火深度0.8mm，典型的实施方案如表4中的参数与图形所示。

表4.基于选区激光淬火预制不同形状及尺寸增强相后金属基复合材料板的性能对比

除了图2所示的贯穿线条状增强相外，在复合材料设计时，还可以采用其它的增强相图样的形状及其阵列，将激光淬火或者熔凝淬火的增强相区域设计成短条状马氏体强化区，或者网格状分布方式。虽然所采用的激光功率密度与光斑直径基本相同，但是增强相的形状与分布方式发生了变化，使得所形成的金属基复合材料整体抗拉强度、屈服强度及延伸率会相应不同，具体的变化程度取决于增强相的数量、大小、分布密度与方式。显然，基于激光选区硬化形成的金属基复合材料，增强相的尺寸大小、分布及其密度可以根据需要更加方便地进行设计和调控，因此可用于制造增强相任意形状组合的金属基复合材料。可以根据金属基复合材料的性能要求，将图4的垂直交错短杆阵列增强相和图1点阵状增强相或者图2贯穿线条状增强相组合起来。

需要指出的是，在制造各种零件的预制板时，上述增强相图样的形状、尺寸及分布方式必须根据待加工零件的尺寸进行设计与调整，在需要后续冲压加工、弯折加工的区域不进行复合化处理，从而确保工件的加工性能。

上述的金属基复合材料化处理可以采用激光淬火处理，也可以采用激光熔凝淬火处理。当基板的厚度较大时，可以采用双面激光淬火方式获得条状增强相。采用的激光器可以是波长为1064nm或者532nm的固体激光器(包括光纤激光器)，也可以是波长为800nm左右的二极管激光器，或者波长为10.6微米的CO₂激光器。激光束斑也可以是矩形或者其它形状。激光束的输出方式可以是连续或者脉冲输出，或者两者的组合。

上述工艺不仅仅局限于激光淬火或者熔凝淬火技术，也可以采用等离子电弧淬火或者熔凝淬火、电子束淬火或者熔凝淬火技术等方式实现选区强韧化处理，获得增强相的阵列。对于不锈钢材料体系而言，还可以采用激光固溶强化-时效处理的方式制备金属预制材料。

实施例6:金属预制材料型材的制备方法

在汽车、高速列车、飞机等运载工具制造中，车身结构件隐藏在覆盖件下，主要起到支撑和抗冲击作用，分布在车身各处的钢梁是结构件的一种。钢梁采用的钢板厚度和材质规格都比车身覆盖件高，这些钢梁将不同强度钢材焊接在一起围成一个闭合断面结构，是为了形成有效吸能区，可在车辆发生碰撞时吸收撞击能量，保护乘客的生命安全。还有一些钢梁结构设计成不同形状来承受特定方向的力。

汽车框架结构件厚度一般为1～3mm，大梁厚度为2.5～12.0mm，属于主要承力结构件或者次承力结构件。对于这些型材，同样可以采用金属基复合材料预制板与后续成形加工处理相结合的方法实现产品制造。

对于原来厚度为4.5mm碳钢制造而成的型材，采用本发明方法可以有效减轻型材的重量。具体实施方法如下：

(1)采用厚度为3mm的30^#碳钢(可以是镀锌板)板材作为原材料；

(2)根据所拟制造型材的形状，设计金属基复合材料硬化相的形状、大小、分布方式和密度。注意在需要冲压变形或者折弯成形区域，完全没有硬化相；

(3)采用高能密度激光束作为热源，通过光学系统聚焦，光斑直径大小为6mm²，采用图1的点阵图案，对上述碳钢型材进行选区激光淬火处理，硬化区域均匀分布，单面淬火深度1.5mm，强化面积比为65％。形成同素异构金属基复合板材。注意在激光处理时，对于需要深冲变形的区域，暂时不处理。

(4)采用冲压或者冷弯等工艺，对预制好的金属基复合板材进行成形加工，使其达到所设计型材的最终尺寸。

(5)对深冲完成后型材原为了便于折弯为做处理的部位，采用激光选区淬火工艺补齐增强相。

根据对所成形型材的性能要求进行检验，采用本发明制造的厚度为3mm金属预制材料型材，抗拉强度和屈服强度相应提高到1.5倍，而延伸率为0.46倍。因此，3mm金属预制材料的型材可以代替原来4.5mm厚型材。这一结果说明采用本发明的新工艺新方法，可以使得该型材的力学性能保持相同的情况下，重量减轻30～50％，从而达到节能降耗的目的。

采用本发明的方法也可以对已经冲压或者弯折成形的金属型材进行金属基复合化处理。其中增强相的尺寸大小、分布方式、数量取决与型材力学性能的要求。采用先金属基复合化预制处理、后成型的工艺方法和先成型、后金属基复合化处理，在零件性能上没有显著差别，但是前者对选择性强韧化处理的设备要求更低、工艺更加简单、更加适合批量化生产，因此生产成本更低。

实施例7：钛合金的金属基复合材料制备

根据钛合金的成分或者显微组织不同，钛合金分为α钛合金、β钛合金和α+β钛合金。其中，TC4(Ti-6Al-4V)合金是α+β型的钛合金，具有马氏体相变特征，可以采用淬火方式进行强化处理。因此，对于这类钛合金可以采用选区强韧化处理方式，得到同素异构型金属基复合材料。

本实施例采用厚度为1.5mm、3.0mm、5mm的TC4钛合金板作为原材料，用高功率光纤激光器作热源，激光功率密度1.5×10⁴W/cm²～2.2×10⁴W/cm²，光斑直径大小为5mm，单面淬火深度分别为0.7mm、1.5mm和2.0mm；对钛板的双面分别进行选区激光淬火处理，形成直径为5mm、强化区域面密度分别为30％、50％和70％的增强相阵列，硬化相的分布方式如图1的点阵。

对于TC4这种α+β型钛合金，常规淬火加热时通常并不加热到β单相区，而是加热到α+β两相区的上部，以避免β区长时间加热导致的晶粒急剧长大，造成热处理后材料变脆。为了避免β粗晶脆性，TC4钛合金的常规热处理不容许加热到β单相区。而激光淬火由于是瞬时加热，因此加热温度可以更高，得到的晶粒更细小、β相的以及其中合金元素的含量更高，有利于淬火强化。

经过激光淬火后，TC4钛合金中的β相通过无扩散的马氏体型相变转变成α′马氏体。本实施例获得的TC4钛合金金属预制材料性能，包括屈服强度σ_s，抗拉强度σ_b和延伸率的变化如表5所示。

表5.TC4钛合金选区激光淬火强化的性能变化

由表5可以看出，激光选区淬火强化后，TC4钛板的屈服强度σ_s、抗拉强度σ_b明显提高，但延伸率δ相应降低。1.5mm厚的TC4钛板经过70％激光选区强化后，其屈服强度σ_s为998MPa，是原始钛板的1.55倍；抗拉强度σ_b为1179MPa，是原始钛板的1.21倍；延伸率δ为17％，是原始钛板的0.68倍。5mm厚的TC4钛板经过70％激光选区强化后，其屈服强度σ_s为974MPa，是原始钛板的1.13倍；抗拉强度σ_b为1140MPa，是原始钛板的1.17倍；延伸率δ为19％，是原始钛板的0.73倍。

实施例8：铝合金选区激光淬火制备金属基复合材料

为了节能减排，欧、美等发达国家拟定从2010年到2015年车辆CO₂排放量减少29％，到2020年法规油耗标准达到4L(100km)以下，因此，未来一段时间，铝合金等轻质材料取代钢铁必然是实现汽车轻量化的研究重点，并最终成为有效途径之一。

用于汽车车身板的铝合金主要有A1-Cu-Mg系(2xxx系)、Al-Mg系(5xxx系)、Al-Mg-Si系(6xxx系)和Al-Mg-Zn-Cu系(7xxx系),其中2xxx系和6xxx系是可热处理强化的铝合金，5xxx系是不可热处理强化的铝合金。其中Al-Mg-Si系(6xxx系)铝合金由于成形性及综合性能优良，是最受重视的汽车用板，可以用于形状复杂的汽车部件。由于铝合金板普遍存在的冲压成形性不尽如人意的问题，如何改善铝合金板的显微组织、力学性能和热处理工艺，以生产出具有较好冲压性能的铝合金板材是国内外研究人员关心的问题。

通常，Al-Mg-Si系(6xxx系)合金进行固溶+淬火后，再进行自然时效或者人工时效，以便在基体中形成稳定、弥散分布的沉淀硬化相β^″(Mg₂Si)。

本发明采用的方法是通过选区激光淬火制备铝合金的金属预制材料，铝合金的激光固溶淬火过程具有特殊的优势，具体表现在以下几个方面：第一，激光的功率密度很高，对铝板的加热过程非常快，快速的加热过程有利于后续的冷却；第二，本发明采用选区固溶处理的方式，激光只对局部的小区域进行加热并淬火，周围的基体仍然保持室温的温度；第三，铝合金基体的导热系数大约是钢的3倍，是水的440倍，是空气的9800倍，而选区激光固溶淬火的冷却过程是通过铝基体的自身冷却作用实现的，因此，铝合金选区激光固溶淬火后的冷却速度比常规淬火方法快得多。总之，本发明的铝合金选区激光固溶淬火方法充分发挥了激光淬火和铝板的导热优势，有利于获得更好的固溶淬火效果，进而提高时效后铝合金板的强度和塑性。

本实施例采用经过T4处理的厚度1.6mm的6016铝合金板作为原材料，用高功率光纤激光器作热源，选区激光固溶淬火的功率密度较高，达到3.5×10⁴W/cm²～4.2×10⁴W/cm²，光斑直径为5mm，单面淬火深度0.8mm，对铝板的双面分别进行选区激光固溶淬火处理，形成图2贯穿线条的强化图样，强化区域面密度分别为50％、70％和90％的增强相阵列。由于铝合金激光加热和冷却的速度都很快，该工艺参数条件下，激光快速固溶淬火区域的过饱和固溶体中合金元素的含量更高，在随后的人工预时效和烘烤时效过程中弥散析出的强化相β″更多，对铝板形成的第二相弥散强化作用更大。

本实施例是对6016铝合金进行选区激光淬火，然后在连续处理炉或连续感应炉内进行人工时效，时效温度180℃,时效时间30min。选区激光淬火+人工时效强化处理后铝板的其性能变化如表6所示，可以看出，50％选区淬火强韧化处理的6016铝板，其屈服强度σ_s和抗拉强度σ_b分别是T4处理+人工时效(180℃+30min)的1.32倍和1.17倍，而延伸率相同；90％选区淬火强韧化处理的6016铝板，其屈服强度σ_s和抗拉强度σ_b分别是常规淬火+人工时效(180℃+30min)的高1.11倍和1.08倍，而延伸率δ为1.04倍。

表6.6016铝合金选区激光淬火(180℃,30min时效)强化的性能变化

本发明采用选区激光强韧化处理技术制造金属预制材料，具体包括选区激光淬火、选区激光熔凝淬火、激光选区固溶淬火-时效强化三种方法，其目的是提高材料的强韧性，在保证同等强度的情况下，减轻构件的重量。

本发明可以对如下材料进行上述选区激光强韧化处理，如：乘用车用覆盖件用深冲成型DC钢，超低碳IF钢，烘烤硬化BH钢，高强度DP双相钢，TR相变诱导塑性钢，碳钢、低合金高强度钢、铝合金和钛合金等；具体包括D01～DC04钢、HC220钢板，780TR钢板，20钢板、45钢板、65Mn板，6xxx系铝合金板及6016铝合金板，α+β型TC系钛合金板及TC4钛合金板等。

采用选区激光强韧化处理技术制造金属预制材料时，所采用的激光加工工艺参数为：金属板厚为0.3～0.7mm时，激光功率密度范围为1.0×10³W/cm²～1.5×10⁵W/cm²，淬火层的深度为0.01～0.5mm；金属板厚为0.7～1.5mm时，激光功率密度范围为2.0×10⁴W/cm²～3.0×10⁵W/cm²，淬火层的深度为0.05～0.7mm；金属板厚为1.0～2.5mm时，激光功率密度范围为3.0×10⁴W/cm²～3.5×10⁵W/cm²，淬火层的深度为0.5～1.5mm；金属板厚为2.5～4.0mm时，激光功率密度范围为1.0×10⁵W/cm²～4.0×10⁵W/cm²，淬火层的深度为0.5～2.0mm；金属板厚为4.0～10.0mm时，激光功率密度范围为8.0×10⁴W/cm²～5.0×10⁵W/cm²，淬火层的深度为0.5～5.0mm。

本发明采用选区激光强韧化处理技术制造金属预制材料可以采用图1点阵、图2贯穿线条、图3短杆状线条、图4垂直交错短杆阵列；硬化相采用的比例可以是5％～95％中的任何比例。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。