[發明專利]一種高強韌化金屬基復合材料的粉末冶金制備方法

有效

• 申請號: 201711291925.6
• 申請日: 2017-12-08
• 公開（公告）號: CN108080644B
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發明（設計）人: 肖伯律;昝宇寧;馬宗義;王全兆;劉振宇;王文廣
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: B22F9/04
• 分類號: B22F9/04;C22C1/05
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 許宗富;周秀梅

本發明公開了一種高強韌化金屬基復合材料的粉末冶金制備方法，屬于金屬基復合材料領域。該方法步驟為：(1)將金屬粉末與部分增強相的混合粉末進行球磨處理；至金屬粉末中的晶粒全部達到超細晶之前停止球磨；(2)向經步驟(1)球磨后的粉末中加入剩余的增強相，繼續球磨，至增強相被完全分散開時停止球磨；(3)將經步驟(2)球磨后的粉末采用粉末冶金燒結工藝處理后，即獲得所述高強韌化金屬基復合材料。本發明通過分步添加增強相，使增強相在基體中有序分布。利用增強相對基體的晶粒細化作用調控晶粒分布，形成粗細晶梯度分級結構，從而實現材料的強韌化。該方法不僅可簡化工藝流程，而且能同時提高材料的強塑性。

技術領域

本發明涉及金屬基復合材料技術領域，具體涉及一種高強韌化金屬基復合材料的粉末冶金制備方法。

背景技術

金屬基復合材料是以金屬或合金作為連續相，向其中添加陶瓷顆粒、纖維以及碳納米管等高性能增強相而形成的固相材料，具有高強高模、抗磨損、耐疲勞等特性。在航空航天、核工業、交通運輸以及國防領域應用前景廣闊。

基體合金的晶粒為超細晶時，金屬基復合材料的強度會大幅提升，然而這會以材料塑性的極大損失為代價。特別是以納米顆粒等作為增強相時，具有更好的增強效果(N.Chawla等，Mechanical behavior of particle reinforced metal matrixcomposites，Advanced Engineering Materials，2001年，3卷，357–370頁)。但常規的冶金技術方法難以將納米增強相均勻分散在基體中，而采用化學或物理方法合成的納米增強金屬基復合材料，成本和產能很難滿足工業應用的需求。因此，高能球磨法成為分散納米增強相的主要方法，但高能球磨會使基體中形成大量超細晶甚至納米晶。雖然材料強度得到了提高，但由于超細晶以及納米晶結構較低的位錯容納能力，材料的延伸率會急劇降低甚至消失。此外，超細晶結構復合材料還存在變形協調能力不足而導致材料過早發生局部變形而使強度下降的現象(I.Mobasherpour等，Effect of nano-size Al₂O₃reinforcement onthe mechanical behavior of synthesis 7075aluminum alloy composites bymechanical alloying，Materials Chemistry and Physics，Materials Chemistry andPhysics，2013年，138卷，535-541頁)。

為此，人們引入了分級結構的思想，將未經過球磨的粗晶鋁粉機械混合入球磨后的復合材料粉末中，試圖用粗晶的位錯容納能力以及變形協調能力來提高材料的延伸率(R.G.Vogt等，Cryomilled aluminum alloy and boron carbide nano-composite plate，Journal of Materials Processing Technology，2009年，209卷，5046-5053頁；Z.Zhang等，Mechanical behavior of ultrafine-grained Al composites reinforced with B4Cnanoparticles，Scripta Materialia，2011年，65卷，652-655頁)，但所取得的效果有限，以損失一定強度為代價獲得了有限的延伸率。其原因在于超細晶晶粒與粗晶晶粒尺寸差異過大，而且增強相完全分布于超細晶結構的基體中，在變形過程中超細晶區域過早形成應力集中，而隨機分布的粗晶對應力集中的松弛作用以及阻止裂紋擴展的能力有限，難以阻止局域變形造成的失穩。另外，添加粗粉的步驟增加了工藝流程，不利于高效制備。

發明內容

針對具有超細晶結構的高強或超高強金屬基復合材料強韌性匹配差的問題，尤其是增強相為納米相時存在的分散性差、易團聚、分散工藝復雜以及在分散過程導致超細晶結構形成而使材料塑性嚴重下降的弊端問題，本發明的目的在于提供一種高強韌化金屬基復合材料的粉末冶金制備方法，該方法可以有效提高材料的性能與制備效率，并適用于多種增強相與基體。