[發明專利]一種高強韌金屬基納米復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201210111115.9
• 申請日: 2012-04-17
• 公開（公告）號: CN102618774A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 崔熙貴;崔承云;程曉農;許曉靜
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: C22C32/00
• 分類號: C22C32/00;C22C1/05
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明涉及復合材料制備技術領域，特指一種高強韌金屬基納米復合材料的制備方法。

背景技術

金屬基復合材料具有高的比強度、比剛度、低的熱膨脹系數、低成本等優點，在汽車工業、航空航天、軍工等領域具有廣泛的應用前景；但增強體的引入同時嚴重降低了材料的塑性和韌性，限制了其實際應用。

金屬基復合材料的性能與增強體的性質(種類、形態、尺度與分布)、增強體-金屬基體界面結構、基體的微結構等密切相關；增強體的引入方式主要有外部加入與原位自生兩種，與前者相比，后者得到的增強體與基體間有更好的相容性，成為近年來金屬基復合材料研究的熱點；發展至今，已有原位凝固自生法、XD^TM原位反應生成法、燃燒合成、反應噴射沉積等原位制備方法；然而，現有大部分方法反應生成的增強體平均尺度相對較大，而且尺度分布不均勻，這嚴重影響了材料性能的提高，與粗顆粒增強體相比，納米尺度增強體能夠使金屬基復合材料的強度和韌性匹配更好，因此，控制增強體的尺度是實現高強韌復合材料制備的重要因素，除增強體外，現有制備方法制得的金屬基復合材料的基體微結構也比較粗大，這不能有效獲得強度與韌性的良好匹配，由此可見，獲得原位自生納米顆粒增強的超細晶金屬基復合材料是同時實現高強度與高韌性的有效途徑。

針對上述問題，本發明從微結構調控出發，基于納米增強顆粒的彌散強化與基體的細晶強化復合理論，提出放電等離子原位反應燒結與等通道轉角擠壓復合工藝制備高強韌金屬基納米復合材料的新方法；相對傳統的原位自生技術，放電等離子原位反應燒結是一種快速、低溫、節能、環保的材料制備新技術，具有表面活化、自發熱、能量易集中與溫度場可控等獨特的優勢，以及低溫短時的燒結特點，采用這一原位自生技術，通過工藝條件及原位反應熱力學與動力學的調控可以制備出增強體尺度更小的致密金屬基復合材料，在此基礎上，施以等通道轉角擠壓大應變塑性變形可以有效細化基體微結構，從而實現高強韌原位自生納米顆粒增強的超細晶金屬基復合材料的制備。

發明內容

金屬基復合材料的強度較高，但塑韌性較差，這嚴重限制了其應用；為使其更加實用化，必須在保證較高強度的前提下有效提高其塑韌性，增強體與金屬基體的微觀結構嚴重影響其力學性能，但現有方法制得的增強體與基體微觀結構不能滿足高塑韌性的要求，從而使其塑韌性大大下降。

本發明的目的是為解決上面的問題，提供一種高強韌金屬基納米復合材料的制備方法，其通過二次球磨、放電等離子原位反應燒結與大應變塑性變形技術相結合的復合工藝，有效控制增強體的尺度、分布、界面結構以及金屬基體的微結構，從而制備原位自生納米顆粒均勻分布、界面結合良好的超細晶金屬基復合材料，獲得良好的強度與韌性匹配。

本發明解決上述問題的技術方案是：采用二次球磨、放電等離子原位反應燒結與大應變塑性變形技術相結合的復合工藝制備原位自生納米顆粒增強的超細晶金屬基復合材料，獲得均勻分布的納米尺度增強體，超細晶金屬基體，進而提高其強韌性，其步驟為：

1)?將能夠反應生成增強相的金屬粉末或金屬化合物粉末與非金屬粉末按比例混合，并采用高能球磨機進行球磨均勻化，得到混合粉末；

2)?將均勻的能夠生成增強相的混合粉末與金屬基體粉末混合，同樣采用高能球磨機進行球磨，制得混合均勻的復合粉末；

3)?將均勻的復合粉末壓制成型；

4)?將壓坯置于放電等離子燒結裝置中真空燒結，制得原位自生納米顆粒增強的金屬基復合材料；

5)?將納米顆粒增強的金屬基復合材料進行大應變塑性變形，最終制得原位納米顆粒增強的超細晶金屬基復合材料。

所述的生成增強相的金屬粉末為Ti、V、W、Mo、Zr中的一種或兩種以上的混合粉末，金屬化合物粉末為TiO₂或/和ZrO₂，非金屬粉末為C、B、B₄C、BN、SiC、SiO₂中的一種或兩種以上的混合粉末。

所述的金屬基體粉末為Al、Ti、Cu、Mg或Ni。

所述的生成增強相的金屬粉末的平均粒度為0.1-100μm，金屬化合物粉末的平均粒度為0.1-100μm，非金屬粉末的平均粒度為0.1-100μm。

所述的金屬基體粉末的平均粒度為0.1-100μm，金屬基體粉末與生成增強相混合粉末的質量比為20:1-1:1。

所述的球磨工藝參數為：球料比10：1-20：1，轉速200-300r/min，球磨時間0.5-3h，球磨氣氛為惰性氣體保護或真空。