[发明专利]一种金属/陶瓷梯度材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属/陶瓷梯度材料及其制备方法，属于金属基复合材料制备技 术领域。

背景技术

金属/陶瓷功能梯度材料是指金属和陶瓷沿厚度方向由一侧向另一侧呈连续梯度 变化，从而使材料的性质和功能也呈梯度变化的一种新型材料，这种材料的最大特点 是其成分或结构逐渐过渡，内部无明显的界面，这样可以避免或缓解材料受热时，界 面处由于物性差异太大而在使用过程中产生应力集中、开裂及剥落等缺陷，而使材料 在超高温环境下具有良好的抗断裂、耐热冲击、隔热以及缓和内热应力等性能。另外， 功能梯度材料具有很好的可设计性，可以通过有针对性地改变各组分材料体积含量的 空间分布，以达到优化结构内部应力分布，满足不同部位对材料使用性能的要求。

目前，金属/陶瓷功能梯度材料的制备方法主要有自蔓延高温燃烧合成法、等离 子喷涂法、气相沉积法、粉末冶金法等。各种制备方法均在探索之中，具有不同的优 缺点。等离子喷涂法制备得到的梯度材料孔隙率高、层间结合力低、强度低。气相沉 积法对设备要求高、合成速度慢，而且不能制备大厚度梯度材料。粉末冶金法工艺复 杂，制备得到的材料具有一定的孔隙率，不适合制备形状复杂的梯度材料。自蔓延高 温燃烧合成技术是利用外部提供的能量诱发高放热化学反应体系局部发生化学反应， 形成化学反应燃烧波，此后反应在自身放出热量的支持下继续进行，直至反应结束。 该技术集材料合成与烧结于一体，具有工艺简单、产品纯度高、生产效率高、能耗小 等优点，适用于大厚度、大尺寸金属/陶瓷梯度材料的制备，国内外学者采用该方法 制备了TiB₂/Cu、TiC/Ni、Al/TiB₂等梯度材料。

但是，自蔓延高温燃烧合成方法仅适合于自身存在高放热反应的材料体系，金属 与陶瓷的发热量差异较大，且烧结程度不同，较难控制，因而采用自蔓延高温燃烧合 成方法制备得到的金属/陶瓷梯度材料致密度较低，孔隙率较大，机械强度较低，而 且对于低放热反应体系的材料制备存在反应不充分甚至是反应无法进行等问题。

电流通过导体时，由于导体自身存在电阻，会产生一定的热量，这就是所谓的焦 耳热效应。利用电流特别是脉冲电流直接加热法在材料加工的许多领域得到了成功的 应用，如利用连续自阻加热的方法轧制成形了Ti-6Al-4V型材，利用脉冲电流辅助加 热实现了粉末烧结等。已有研究结果表明，高密度脉冲电流通过导体不仅能产生焦耳 热效应，而且还可以加速原子的扩散、位错的运动，促进金属的再结晶和抑制晶粒长 大等，这就是所谓的电致塑性效应。如脉冲电流可以促进7475铝合金超塑变形过程 中的动态回复及动态再结晶，加强超塑性变形中的扩散蠕变，提高了原子的扩散速率。 因此，将脉冲电流的焦耳热效应和电致塑性效应相结合应用于材料的制备和材料加工 领域，可进一步提高材料的制备、加工质量和效率。

发明内容

为了解决上述的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种金属/陶瓷梯度材料的 制备方法。

本发明的目的还在于提供一种由上述金属/陶瓷梯度材料的制备方法制备得到的 金属/陶瓷梯度材料。

为达到上述目的，本发明提供一种金属/陶瓷梯度材料的制备方法，该方法采用 脉冲电流驱动自蔓延高温原位合成法制备金属/陶瓷梯度材料，所述制备方法包括以 下步骤：

a、按照设计的梯度组分、梯度层数和每层中组分含量将每层所需的金属粉末、 合成陶瓷所需的元素粉末进行充分混合及机械合金化处理，得到每层所需的混合粉 末；

b、将每层所需的混合粉末分别进行冷压，得到半致密化的粉末坯料；再将半致 密化的粉末坯料按照设计的梯度组分、梯度层数和每层中组分含量进行铺层，得到所 述金属/陶瓷梯度材料的预制坯；

c、利用金属包套将所述金属/陶瓷梯度材料的预制坯进行封装后抽真空，得到封 装后的预制坯；

d、对封装后的预制坯进行预热后，再对其施加脉冲电流以驱动自蔓延高温原位 合成反应，反应结束后，得到所述金属/陶瓷梯度材料。

根据本发明所述的方法，步骤a中所述的“梯度组分”是指制备金属/陶瓷梯度 材料所用的具体原料，如本发明实施例2中用到的Ti粉和C粉；

所述“梯度层数”是指金属/陶瓷梯度材料的具体设计层数，如本发明实施例2 中的6层；