一种芯鞘异质复合的高强高韧金属丝线及其连续拉制方法与流程

本发明涉及金属复合材料加工，特别涉及一种芯鞘异质复合的高强高韧金属丝线及其连续拉制方法。

背景技术：

1、随着高端制造领域的发展，对金属线材的综合力学性能提出了极高要求。单一金属材料难以兼顾高强度与高韧性，采用高强金属作为内芯、高韧金属作为外鞘的异质复合工艺是现有技术的常规途径。

2、然而，现有芯鞘异质复合丝线在连续加工流中存在固有缺陷：首先，在常规的机械拉拔中，由于内芯与外鞘材料的屈服强度、弹性模量及变形抗力存在显著差异，两者无法实现同步塑性流动，极易在结合界面处积累残余剪切应力，导致界面微裂纹萌生乃至脱包断丝。其次，常规的中间退火处理会导致异质金属界面的原子发生长程扩散，不可避免地形核并生长出连续分布的脆性金属间化合物相，从而割裂界面的冶金结合力，使得丝线丧失连续拉拔的物理基础。

技术实现思路

1、本发明提供了一种芯鞘异质复合的高强高韧金属丝线及其连续拉制方法，在同一根金属丝线上实现核心高强与外鞘高韧的微观组织物理统一，并通过多物理场连续拉拔消除界面残余应力与脆性化合物，避免异质金属复合丝线的界面剥离与脆断现象。

2、本发明提供了一种芯鞘异质复合的高强高韧金属丝线，包括核心金属线材、包覆在所述核心金属线材外周的外鞘金属管，以及位于所述核心金属线材与所述外鞘金属管之间的非晶态固溶体过渡层；

3、所述核心金属线材的微观组织为沿所述核心金属线材轴向拉长的纤维状变形组织，所述外鞘金属管的微观组织为等轴晶组织；

4、在所述非晶态固溶体过渡层内，沿其厚度方向，所述核心金属线材的组成元素浓度向所述外鞘金属管一侧呈连续递减分布，所述外鞘金属管的组成元素浓度向所述核心金属线材一侧呈连续递减分布。

5、进一步地，所述核心金属线材的弹性模量为所述外鞘金属管弹性模量的1.5至4倍；

6、所述核心金属线材外周面的表面粗糙度ra大于所述外鞘金属管内周面的表面粗糙度ra。

7、进一步地，所述非晶态固溶体过渡层的径向厚度为100nm至5000nm。

8、进一步地，所述核心金属线材的材料为铁基合金、钛合金或高碳钢；所述外鞘金属管的材料为铜、铝或其合金。

9、本发明还提供了一种芯鞘异质复合的高强高韧金属丝线的连续拉制方法，用于拉制如上所述的金属丝线，包括以下步骤：

10、(1)将核心金属线材穿入外鞘金属管中，通过旋锻缩径使所述外鞘金属管的内壁发生径向塑性变形并紧密贴附于所述核心金属线材的外周面，形成初始紧配复合坯料；

11、(2)将所述初始紧配复合坯料连续送入超声波拉丝模具组中进行多道次拉拔，在拉拔过程中对所述超声波拉丝模具施加振动方向与拉拔行进方向平行的超声机械振动，使所述初始紧配复合坯料发生塑性变形并形成中间态复合丝线；

12、(3)引导所述中间态复合丝线连续穿过梯度电磁感应加热区，在所述梯度电磁感应加热区内，向所述中间态复合丝线施加交变磁场，利用趋肤效应使所述外鞘金属管的温度高于所述核心金属线材的温度，促使所述核心金属线材的组成元素与所述外鞘金属管的组成元素发生互扩散，形成所述非晶态固溶体过渡层；

13、(4)对穿出所述梯度电磁感应加热区后的所述中间态复合丝线采用高压惰性气体进行骤冷处理，以原位冻结互扩散的所述组成元素，随后进行卷绕。

14、进一步地，在步骤(2)中，所述超声机械振动的振幅为a，超声振动频率为，所述初始紧配复合坯料的拉拔线速度为v，三者之间满足关系式：；

15、在所述多道次拉拔中，各道次的截面收缩率呈逐级递减设置。

16、进一步地，在步骤(3)中，所述交变磁场的感应频率为，满足趋肤深度方程；其中，为外鞘金属管材料的电阻率，为外鞘金属管材料的磁导率；

17、所述感应频率的取值使得计算得到的趋肤深度与所述外鞘金属管的壁厚d满足如下关系：。

18、进一步地，在步骤(3)中，所述中间态复合丝线在梯度电磁感应加热区内的驻留时间为t，且t小于所述核心金属线材的径向热传导特征时间；

19、所述径向热传导特征时间满足，其中，r为核心金属线材的半径，为核心金属线材材料的热扩散率。

20、进一步地，在步骤(3)中，所述梯度电磁感应加热区沿所述中间态复合丝线的行进方向依次划分为预热段、相变驱动段和保温段；

21、所述相变驱动段内的电磁场强度高于所述预热段和所述保温段的电磁场强度，在所述相变驱动段内，所述外鞘金属管的峰值温度低于所述外鞘金属管材料的熔点，且高于所述外鞘金属管材料的再结晶温度。

22、进一步地，在步骤(4)中，所述高压惰性气体的喷吹方向与所述中间态复合丝线的行进方向呈15°至30°的锐角交叉。

23、本发明的有益效果为：

24、本发明通过构建特定微观组织的异质复合结构并配合多物理场连续拉制方法，使得复合丝线的核心保持纤维状变形组织以提供轴向屈服支撑，外鞘形成等轴晶组织以提供优异的塑性变形与吸能能力，实现宏观力学上的强韧统一；同时，通过超声机械耦合消除拉拔形变势垒，结合梯度电磁感应的趋肤加热与高压气动力学骤冷，将扩散活化的界面元素原位冻结，在核心与外鞘之间构建呈元素浓度双向递减分布的非晶态固溶体过渡层，阻断脆性金属间化合物的形核生长周期，避免异质金属复合丝线拉拔过程中的界面剥离与脆断现象。

1.一种芯鞘异质复合的高强高韧金属丝线，其特征在于，包括核心金属线材、包覆在所述核心金属线材外周的外鞘金属管，以及位于所述核心金属线材与所述外鞘金属管之间的非晶态固溶体过渡层；

2.根据权利要求1所述的芯鞘异质复合的高强高韧金属丝线，其特征在于，所述核心金属线材的弹性模量为所述外鞘金属管弹性模量的1.5至4倍；

3.根据权利要求1所述的芯鞘异质复合的高强高韧金属丝线，其特征在于，所述非晶态固溶体过渡层的径向厚度为100nm至5000nm。

4.根据权利要求1所述的芯鞘异质复合的高强高韧金属丝线，其特征在于，所述核心金属线材的材料为铁基合金、钛合金或高碳钢；所述外鞘金属管的材料为铜、铝或其合金。

5.一种芯鞘异质复合的高强高韧金属丝线的连续拉制方法，其特征在于，用于拉制权利要求1至4任一项所述的金属丝线，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的芯鞘异质复合的高强高韧金属丝线的连续拉制方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述超声机械振动的振幅为a，超声振动频率为，所述初始紧配复合坯料的拉拔线速度为v，三者之间满足关系式：；

7.根据权利要求5所述的芯鞘异质复合的高强高韧金属丝线的连续拉制方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述交变磁场的感应频率为，满足趋肤深度方程；其中，为外鞘金属管材料的电阻率，为外鞘金属管材料的磁导率；

8.根据权利要求7所述的芯鞘异质复合的高强高韧金属丝线的连续拉制方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述中间态复合丝线在梯度电磁感应加热区内的驻留时间为t，且t小于所述核心金属线材的径向热传导特征时间；

9.根据权利要求5所述的芯鞘异质复合的高强高韧金属丝线的连续拉制方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述梯度电磁感应加热区沿所述中间态复合丝线的行进方向依次划分为预热段、相变驱动段和保温段；

10.根据权利要求5所述的芯鞘异质复合的高强高韧金属丝线的连续拉制方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述高压惰性气体的喷吹方向与所述中间态复合丝线的行进方向呈15°至30°的锐角交叉。