[發明專利]脈沖電場輔助的真空包套軋制制備金屬基復合材料的方法

有效

• 申請號: 201811412613.0
• 申請日: 2018-11-26
• 公開（公告）號: CN109468480B
• 公開（公告）日: 2020-09-18
• 發明（設計）人: 張鵬;焦少妮;王文先;寇子明;高貴軍
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: C22C1/05
• 分類號: C22C1/05;C22C1/10;C22C47/14
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 溫彪飛;武建云

本發明公開了一種脈沖電流輔助的包套軋制制備含增強相的金屬基復合材料的方法，包括：先將復合粉末制坯及熱處理后與經過表面處理的金屬覆板疊加，并進行真空邊焊抽盡內部空氣，形成真空包套試件結構；之后將包套試件放入軋機，并依據包套軋制進程，將脈沖電源與不同位置的電刷接通，施加電流于包套表面，同步進行生坯等離子燒結與包套電致塑性軋制。合理控制電流參數，軋制速率和壓下率，經多輥軋制和合理的燒結時間，獲得較大尺寸金屬基復合板材。本發明將真空包套軋制與脈沖電場耦合，可在短時間內，燒結并軋制成型宏觀大尺寸、微觀晶粒細小、增強相均勻彌散分布的高性能含增強相金屬基復合板材，具有高效低耗、規模化和集約化生產的特點。

技術領域

本發明屬于外場輔助下的包套軋制技術領域，具體為一種脈沖電流輔助的金屬基復合材料在燒結的同時包套軋制成型的技術，特別是一種基于脈沖電流輔助的通過包套軋制生產陶瓷、石墨烯或碳纖維顆粒增強相的鋁、鎂、銅、鐵、鈦基復合材料燒結的同時包套軋制成型的方法。

背景技術

高端裝備和制造業的快速發展離不開高性能材料的支持，尤其對材料的輕質化、強磨損、高強韌、耐腐蝕、耐高溫、功能/結構一體化等高參數提出了更為苛刻的要求。金屬基復合材料是金屬與陶瓷、纖維或碳納米管顆粒等增強相組成的非均質復合材料，體現金屬特性的同時具有超高強度，是國計民生各個領域重要的結構及工具材料。然而，增強相與金屬基體的成分、結構和性能相差極大，導致成品韌塑性較低、機械加工困難、尤其合成工藝復雜，不僅需要在真空或者保護氣氛下高溫合成，且難以制成大型或形狀復雜構件，從而嚴重掣肘其在相關領域的應用。現有的金屬基復合材料的制備方法主要有高溫真空燒結、放電等離子燒結、自蔓延高溫合成和熱等靜壓成型等方法。相關的研究和應用取得了較大進展，但是，這些方法均無法制備大體積構件，且普遍存在設備要求高、成本高、效率低以及難以實現規模化生產等問題。針對于此，亟待開發一種在真空或保護氣氛條件下，低成本、規模化、高效生產較大尺寸的金屬基復合材料的新方法，滿足各行業對金屬基復合材料的大量需求。

粉末包套軋制技術可以保證軋制粉末在真空及近等高溫狀態下成型，因而有效避免了粉體材料損失、氧化及晶粒長大，易于實現一體化及近凈成型。但其應用于金屬基復合材料的制備卻鮮有報道，主要原因在于增強相如陶瓷顆粒與金屬基體物化差異大，潤濕困難，需要高溫燒結并持續保溫，但即便高溫包套軋制，其溫度及保溫時間均難以達到燒結標準。

發明內容

為了采用高效、低成本、可規模化的軋制工藝獲得晶粒細小且大尺寸的含增強相的金屬基復合材料構件，本發明目的是提供一種將脈沖電流應用到多輥軋機上，進行金屬基復合材料粉末燒結的同時成型燒結件的新方法。該方法適用于不同的陶瓷、石墨烯或碳纖維增強相與鋁、鎂、銅、鐵或鈦單質（合金）粉末組合，例如B₄C陶瓷顆粒與純鋁粉末。

本發明是采用如下技術方案實現的：

一種脈沖電場輔助的真空包套軋制制備金屬基復合材料的方法，包括如下步驟：

（1）、原材料制備

以陶瓷、石墨烯或碳纖維增強相與鋁、鎂、銅、鐵或鈦的單質（合金）粉末經機械球磨混料，增強相所占原子分數為3%~30%。

（2）、 熱處理及高溫除氣

將增強相與金屬單質或合金的混合粉置于真空或惰性氣體中加熱至金屬單質或合金熔點的50%~90%，保溫時間60min，然后冷卻。

（3）、板材表面處理

根據基體金屬單質（合金）選擇與其強度和高溫塑性接近，熱導率低的包套材料，選取厚度在0.5~3mm之間的金屬板材進行裁剪用作包套覆板，使板材長度為600~1200mm，寬度為100~300mm。