[发明专利]强韧化金属基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种强韧化金属基复合材料的方法。

背景技术

金属基复合材料因其高强度、高模量、低密度等特点，被广泛应用于制作航空航天、汽车工业中的结构件、壳体和其它零部件。与纤维、晶须增强金属基复合材料相比，颗粒增强金属基复合材料同时还具有制备工艺简单、成本低廉、材料各向同性等优点，具有更加广泛的应用，同时是金属基复合材料领域的研究重点。目前研究、应用较为广泛的颗粒增强金属基复合材料中，主要以铝、镁、钛及其合金为基体材料，以SiC、Al₂O₃、TiC等颗粒为增强体，颗粒与基体之间具有强的界面结合，载荷能够均匀地由基体传递到颗粒上，极大地提高材料的比强度、比模量，但陶瓷颗粒阻碍基体的位错运动，复合材料的断裂方式发生改变，往往伴随着极差的韧性和塑性。为了满足更高要求的应用，如何提高材料的塑性和韧性，制备具有优良综合力学性能的复合材料，成为颗粒增强金属基复合材料领域的一个研究重点。

颗粒增强金属基复合材料的性能主要取决于基体、增强体本身的特性和相互间的界面结合情况，以及增强体的体积分数、形状、尺寸和在基体中的分布情况。改善塑性和韧性的主要途径有：改变增强颗粒的形状、体积分数和尺寸；增大基体的晶粒尺寸或者添加大尺寸晶粒的第三相；对所制备材料进行热处理。目前，能够在保持高强度的同时又明显改善塑性的方法鲜有报道，一般是以降低强度的代价提高塑性，或者略微改善，没有大的改变。颗粒的体积分数和尺寸对复合材料的性能具有显著的影响，当颗粒尺寸为纳米级，体积分数大于10%时，复合材料的塑性明显改善，但强度会有所降低，而微米级颗粒的添加会使复合材料的强度显著提高，但塑性很差，所以如果将纳米级和微米级的颗粒混合加入金属基体中，会获得同时具有高强度和良好塑性的复合材料。这一研究在国内外的相关报道很少，主要原因在于高体积分数的纳米颗粒存在严重的团聚现象，而且很难烧结致密化。

发明内容

为了克服现有金属基复合材料强度差的不足，本发明提供一种强韧化金属基复合材料的方法。该方法首先设计合理的原料配比，纳米颗粒（<500纳米）和微米颗粒（1～30微米）的总体积分数为10～20%，纳米颗粒与微米颗粒的体积比为1:3～3:1，使用高能球磨工艺，按照优化的工艺参数，球料质量比：10～20:1；先混合纳米颗粒和金属基体粉体，球磨时间为5～10小时，然后再添加微米颗粒，球磨时间>15小时；在两次混合过程中都要添加质量分数为5-10%的无水乙醇，通过球磨获得陶瓷颗粒均匀分散的混合粉体；然后使用真空热压烧结炉烧结高致密度的块体金属基复合材料。混掺纳米、微米颗粒能够使金属基复合材料同时获得更高的强度和更好的塑性。该方法适用于多种材料体系的颗粒增强金属基复合材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种强韧化金属基复合材料的方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、确定原料的配比，纳米颗粒粒径小于500纳米，微米颗粒粒径为1～30微米，纳米、微米混合颗粒的体积分数为10～20%，其中纳米颗粒与微米颗粒的体积比为1:3～3:1。

步骤二、将纳米颗粒和金属基体颗粒在氩气气氛中装入不锈钢球磨罐，钢球/粉体质量比为15：1，添加质量分数为5～10%的无水乙醇，在行星式球磨机上球磨5～10小时。然后将微米颗粒加入，同时添加质量分数为5～10%的无水乙醇，球磨时间>15小时，球磨转速为150转/分钟，获得混合粉体。

步骤三、将步骤二球磨好的混合粉体在真空热压炉中进行烧结，烧结温度在780～830℃之间，所加载荷为30～40kN，随炉冷却，得到微米、纳米颗粒混合增强金属基复合材料。

所述微米和纳米颗粒是SiC、Al₂O₃、AlN、B₄C、TiB₂、TiC、TiAl、Ti₃SiC₂、WC、ZrC或VC的任一种。

所述金属基体颗粒是Al、Mg、Ti、Cu、W、Mo、Cr、Ni、Nb、Fe或Zn的任一种。