專利名稱：一種高強韌金屬基納米復合材料的制備方法
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 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O. I-IOOMm,金屬化合物粉末的平均粒度為O. I-IOOMm，非金屬粉末的平均粒度為O. l-100Mm。所述的金屬基體粉末的平均粒度為O. I-IOOMfli,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
O.5-3h，球磨氣氛為惰性氣體保護或真空。所述的壓制成型的壓力為120_350MPa。所述的放電等離子燒結工藝參數為燒結溫度850-1000°C，加熱速度50_150°C /min，燒結時間 5-30min，壓力 5_30MPa。所述的大應變塑性變形技術為等通道轉角擠壓技術，通道夾角Φ為90° -135°，外接角ψ為10° -40°，擠壓路徑為Be，擠壓溫度為20-500°C，擠壓道次N為1_10。本發明的優點在于將混合粉末在高能球磨機中進行二次球磨，能夠有效提高粉末的混合均勻性，尤其是生成增強體粉末在基體中的均勻分布，提高增強體反應生成的同步性與速率，最大限度地克服增強體的偏聚與尺度不均勻性；高效短時的放電等離子反應燒結有助于有效控制增強顆粒的尺度，使其達到納米量級；后續的等通道轉角擠壓大應變塑性變形能夠有效調節納米增強顆粒的分布，使其分布更加均勻，而且可以顯著細化金屬基體的微觀結構；因此，本發明可以制備現有工藝難以獲得的均勻分布與界面結合良好的原位自生納米尺度顆粒增強的超細晶金屬基復合材料，這不僅顯著提高了復合材料的強度，而且有效改善了其塑韌性，獲得高強度與高韌性的良好配合，從而推動并擴大了其實際應用，此工藝過程簡單，適合于大規模批量化生產，因此，通過本發明可以制備出高強韌的金屬基納米復合材料。
具體實施方式
本發明中高強韌金屬基復合材料是通過二次球磨、放電等離子反應燒結與等通道轉角擠壓相結合的復合工藝制備而成；首先將按比例配制的能夠生成增強體的粉末與金屬基體粉末通過二次球磨混合得到均勻的復合粉末，然后將均勻的復合粉末壓制成型，并將壓坯通過放電等離子反應燒結制成納米顆粒增強的金屬基材料，最后將得到的金屬基復合材料進行等通道轉角擠壓大塑性變形；采用該發明制得的金屬基復合材料基體晶粒尺寸細小、均勻，增強體為納米尺度且分布均勻，界面結合牢固，強度與韌性匹配良好，推動了其在實際中的應用。實施例I :
1)將50m金屬Ti粉末與30 m非金屬C粉末按原子比I: I混合，并采用高能球磨機在Ar氣氣氛下球磨lh，球料比為10 :1，轉速為300r/min，制得能夠反應生成增強相的均勻混合粉末；
2)將能夠生成增強相的均勻混合粉末與100 m金屬Mg基體粉末以質量比1:4在真空下進行二次球磨混合，球料比為12 :1，轉速220r/min，球磨時間3h，制得混合均勻的復合粉末；
3)將均勻的復合粉末在120MPa下壓制成型；
4)將壓坯置于放電等離子燒結裝置中以150°C/min加熱到1000°C，在30MPa壓力下真空燒結5min，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以Be路徑進行4道次等通道轉角擠壓大應變塑性變形，通道夾角Φ為90°，外接角Ψ為30°，擠壓溫度為500°C，最終制得原位納米顆粒增強的超細晶金屬基復合材料。采用本發明制備的金屬基復合材料與傳統原位凝固自生法相比，抗拉強度提高約25%，斷裂韌性提高10%。實施例2
1)將100“ m金屬W粉末與80 t m非金屬SiC粉末按原子比1:1混合，并采用高能球磨機在Ar氣氣氛下球磨3h，球料比為15 :1，轉速為240r/min，制得能夠反應生成增強相的均勻混合粉末；
2)將能夠生成增強相的均勻混合粉末與80“ m金屬Al基體粉末以質量比1:2在真空下進行二次球磨混合，球料比為20 :1，轉速為200r/min，球磨時間lh，制得混合均勻的復合粉末；
3)將均勻的復合粉末在350MPa下壓制成型；
4)將壓坯置于放電等離子燒結裝置中以50°C/min加熱到850°C，在5MPa壓力下真空燒結30min，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以Be路徑進行I道次等通道轉角擠壓大應變塑性變形，通道夾角Φ為135°，外接角Ψ為40°，擠壓溫度為400°C，最終制得原位納米顆粒增強的超細晶金屬基復合材料。采用本發明制備的金屬基復合材料與傳統原位凝固自生法相比，抗拉強度提高約12%，斷裂韌性提高8%。實施例3
I)將I m金屬化合物TiO2粉末與O. I A m非金屬SiC粉末按原子比I: I混合，并采用高能球磨機在Ar氣氣氛下球磨I. 5h,球料比為20 :1，轉速為200r/min,制得能夠反應生成增強相的均勻混合粉末；
2)將能夠生成增強相的均勻混合粉末與O.I A m金屬Ni基體粉末以質量比1:20在真空下進行二次球磨混合，球料比為10 :1，轉速300r/min，球磨時間2h，制得混合均勻的復合粉末；
3)將均勻的復合粉末在200MPa下壓制成型；
4)將壓坯置于放電等離子燒結裝置中以100°C/min加熱到950°C，在25MPa壓力下真 空燒結lOmin，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以Be路徑進行10道次等通道轉角擠壓大應變塑性變形，通道夾角Φ為120°，外接角Ψ為20°，擠壓溫度為20°C，最終制得原位納米顆粒增強的超細晶金屬基復合材料。采用本發明制備的金屬基復合材料與傳統原位凝固自生法相比，抗拉強度提高約162%，斷裂韌性提高22%。實施例4
1)將10β m金屬Zr粉末與I # m非金屬BN粉末按原子比3:4混合，并采用高能球磨機在Ar氣氣氛下球磨2h，球料比為12 :1，轉速為260r/min，制得能夠反應生成增強相的均勻混合粉末；
2)將能夠生成增強相的均勻混合粉末與20m金屬Cu基體粉末以質量比I: I在真空下進行二次球磨混合，球料比為15 :1，轉速為240r/min，球磨時間I. 5h，制得混合均勻的復合粉末；
3)將均勻的復合粉末在300MPa下壓制成型；
4)將壓坯置于放電等離子燒結裝置中以80°C/min加熱到900°C，在20MPa壓力下真空燒結15min，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以Be路徑進行2道次等通道轉角擠壓大應變塑性變形，通道夾角Φ為135°，外接角Ψ為30°，擠壓溫度為450°C，最終制得原位納米顆粒增強的超細晶金屬基復合材料。采用本發明制備的金屬基復合材料與傳統原位凝固自生法相比，抗拉強度提高約8%，斷裂韌性提高5%。實施例5
1)將O.I m金屬Mo粉末與10 β m非金屬SiO2粉末按原子比2:1混合，并采用高能球磨機在Ar氣氣氛下球磨O. 5h,球料比為18 :1，轉速為280r/min,制得能夠反應生成增強相的均勻混合粉末；
2)將能夠生成增強相的均勻混合粉末與Im金屬Ti基體粉末以質量比1:10在真空下進行二次球磨混合，球料比為16 :1，轉速260r/min，球磨時間O. 5h，制得混合均勻的復合粉末；
3)將均勻的復合粉末在260MPa下壓制成型；
4)將壓坯置于放電等離子燒結裝置中以120°C/min加熱到980°C，在IOMPa壓力下真空燒結20min，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以Be路徑進行8道次等通道轉角擠壓大應變塑性變形，通道夾角Φ為120°，外接角Ψ為10°，擠壓溫度為300°C，最終制得原位納米顆粒增強的超細晶金屬基復合材料。采用本發明制備的金屬基復合材料與傳統原位凝固自生法相比，抗拉強度提高約37%，斷裂韌性提高12%。實施例6 1)將20m金屬Ti粉末、80 “ m金屬Zr粉末與50 P m非金屬C粉末、100 m非金屬B粉末按原子比1: 1: 1:2混合,并米用高能球磨機在Ar氣氣氛下球磨2. 5h,球料比為16 :1，轉速為220r/min，制得能夠反應生成增強相的均勻混合粉末；
2)將能夠生成增強相的均勻混合粉末與Wm金屬Al粉末以質量比1:15在真空下進行二次球磨混合，球料比為14 :1，轉速280r/min，球磨時間2. 5h，制得混合均勻的復合粉末；
3)將均勻的復合粉末在180MPa下壓制成型；
4)將壓坯置于放電等離子燒結裝置中以100°C/min加熱到920°C，在20MPa壓力下真空燒結25min，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以Be路徑進行6道次等通道轉角擠壓大應變塑性變形，通道夾角Φ為105°，外接角Ψ為20°，擠壓溫度為200°C，最終制得原位納米顆粒增強的超細晶金屬基復合材料。采用本發明制備的金屬基復合材料與傳統原位凝固自生法相比，抗拉強度提高約130%，斷裂韌性提高18%。
權利要求
1.一種高強韌金屬基納米復合材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟 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。
2.如權利要求I所述的一種高強韌金屬基納米復合材料的制備方法，其特征在于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、Si02中的一種或兩種以上的混合粉末；所述的生成增強相的金屬粉末的平均粒度為O. 1-lOOMm，金屬化合物粉末的平均粒度為O. I-IOOMm，非金屬粉末的平均粒度為O. l-100Mm。
3.如權利要求I所述的一種高強韌金屬基納米復合材料的制備方法，其特征在于所述的金屬基體粉末為Al、Ti、Cu、Mg或Ni ;所述的金屬基體粉末的平均粒度為O. I-IOOMm,金屬基體粉末與生成增強相的混合粉末的質量比為20:1-1: I。
4.如權利要求I所述的一種高強韌金屬基納米復合材料的制備方法，其特征在于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O. 5_3h，球磨氣氛為惰性氣體保護或真空。
5.如權利要求I所述的一種高強韌金屬基納米復合材料的制備方法，其特征在于所述的壓制成型的壓力為120-350MPa。
6.如權利要求I所述的一種高強韌金屬基納米復合材料的制備方法，其特征在于所述的放電等離子燒結工藝參數為燒結溫度850-1000°C，加熱速度50-150°C /min，燒結時間 5_30min，壓力 5_30MPa。
7.如權利要求I所述的一種高強韌金屬基納米復合材料的制備方法，其特征在于所述的大應變塑性變形技術為等通道轉角擠壓技術，通道夾角Φ為90° -135°，外接角Ψ為10° -40°，擠壓路徑為Be，擠壓溫度為20-500°C，擠壓道次N為1_10。
全文摘要
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。本發明通過二次球磨、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。
文檔編號C22C32/00GK102618774SQ20121011111
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月17日 優先權日2012年4月17日
發明者崔承云, 崔熙貴, 程曉農, 許曉靜 申請人:江蘇大學