[发明专利]一种高强韧化金属基复合材料的粉末冶金制备方法

说明书

本发明公开了一种高强韧化金属基复合材料的粉末冶金制备方法，属于金属基复合材料领域。该方法步骤为：(1)将金属粉末与部分增强相的混合粉末进行球磨处理；至金属粉末中的晶粒全部达到超细晶之前停止球磨；(2)向经步骤(1)球磨后的粉末中加入剩余的增强相，继续球磨，至增强相被完全分散开时停止球磨；(3)将经步骤(2)球磨后的粉末采用粉末冶金烧结工艺处理后，即获得所述高强韧化金属基复合材料。本发明通过分步添加增强相，使增强相在基体中有序分布。利用增强相对基体的晶粒细化作用调控晶粒分布，形成粗细晶梯度分级结构，从而实现材料的强韧化。该方法不仅可简化工艺流程，而且能同时提高材料的强塑性。

技术领域

本发明涉及金属基复合材料技术领域，具体涉及一种高强韧化金属基复合材料的粉末冶金制备方法。

背景技术

金属基复合材料是以金属或合金作为连续相，向其中添加陶瓷颗粒、纤维以及碳纳米管等高性能增强相而形成的固相材料，具有高强高模、抗磨损、耐疲劳等特性。在航空航天、核工业、交通运输以及国防领域应用前景广阔。

基体合金的晶粒为超细晶时，金属基复合材料的强度会大幅提升，然而这会以材料塑性的极大损失为代价。特别是以纳米颗粒等作为增强相时，具有更好的增强效果(N.Chawla等，Mechanical behavior of particle reinforced metal matrixcomposites，Advanced Engineering Materials，2001年，3卷，357–370页)。但常规的冶金技术方法难以将纳米增强相均匀分散在基体中，而采用化学或物理方法合成的纳米增强金属基复合材料，成本和产能很难满足工业应用的需求。因此，高能球磨法成为分散纳米增强相的主要方法，但高能球磨会使基体中形成大量超细晶甚至纳米晶。虽然材料强度得到了提高，但由于超细晶以及纳米晶结构较低的位错容纳能力，材料的延伸率会急剧降低甚至消失。此外，超细晶结构复合材料还存在变形协调能力不足而导致材料过早发生局部变形而使强度下降的现象(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页)。

为此，人们引入了分级结构的思想，将未经过球磨的粗晶铝粉机械混合入球磨后的复合材料粉末中，试图用粗晶的位错容纳能力以及变形协调能力来提高材料的延伸率(R.G.Vogt等，Cryomilled aluminum alloy and boron carbide nano-composite plate，Journal of Materials Processing Technology，2009年，209卷，5046-5053页；Z.Zhang等，Mechanical behavior of ultrafine-grained Al composites reinforced with B4Cnanoparticles，Scripta Materialia，2011年，65卷，652-655页)，但所取得的效果有限，以损失一定强度为代价获得了有限的延伸率。其原因在于超细晶晶粒与粗晶晶粒尺寸差异过大，而且增强相完全分布于超细晶结构的基体中，在变形过程中超细晶区域过早形成应力集中，而随机分布的粗晶对应力集中的松弛作用以及阻止裂纹扩展的能力有限，难以阻止局域变形造成的失稳。另外，添加粗粉的步骤增加了工艺流程，不利于高效制备。

发明内容

针对具有超细晶结构的高强或超高强金属基复合材料强韧性匹配差的问题，尤其是增强相为纳米相时存在的分散性差、易团聚、分散工艺复杂以及在分散过程导致超细晶结构形成而使材料塑性严重下降的弊端问题，本发明的目的在于提供一种高强韧化金属基复合材料的粉末冶金制备方法，该方法可以有效提高材料的性能与制备效率，并适用于多种增强相与基体。