[发明专利]一种纳米陶瓷颗粒增强金属基分级构型复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种纳米陶瓷颗粒增强金属基分级构型复合材料的制备方法，属于金属基复合材料技术领域。包括以下步骤：将纳米级陶瓷颗粒和金属粉末进行高能球磨混合；然后熔炼金属液，并保温到液相线以下30‑80℃，使金属液中形成部分球形晶粒；将陶瓷与金属混合粉加入金属液中，搅拌使纳米陶瓷粉均匀分散在球形晶粒之间的金属液中；制备铸锭；对铸锭进行轧制、挤压、拉拔加工，使铸锭中的球形晶粒变成片状或纤维状晶粒，从而获得由纳米陶瓷颗粒增强金属基和片状或纤维状金属晶粒构成的分级构型复合材料；该方法可以获得强度塑性综合性能优异的金属基复合材料。

技术领域

本发明涉及一种纳米陶瓷颗粒增强金属基分级构型复合材料的制备方法，属于金属基复合材料技术领域。

背景技术

航空航天、船舶、兵工及交通运输等领域对超高强度，高韧性的材料需求越来越迫切。而传统合金材料的高比强度已达到极限，无法进一步满足当前先进装备所需材料的性能要求和使用要求。而颗粒增强金属基复合材料是21世纪最具有发展前途的先进材料之一。该种复合材料具有高比强度、高比刚度、高比模量、以及良好的高温性能，并且颗粒增强金属基复合材料耐磨、耐疲劳、热膨胀系数低、导热性能良好。但传统颗粒增强金属基复合材料往往是强度增加，塑韧性大大降低。

金属基分级构型复合材料是一种新型高强高韧材料，通常，分级复合材料将含有高增强体体积分数的复合材料作为第Ⅱ级复合材料，再与纯基体金属进行复合得到I级复合材料。研究结果表明：通过采用分级复合构型，可以在损失较少或几乎不损失强度的前提下，提高复合材料的断裂韧性和延伸率。

中国发明专利CN108080644A将陶瓷粉先后与不同比例金属粉末高能球磨，通过粉末冶金烧结后挤压，得到高强高韧金属基复合材料。该方法可以有效提高复合材料的塑韧性，但粉末冶金法二道混粉时间长，效率低，工艺复杂，不可制备大型坯料，且坯料全部由金属粉和陶瓷粉粉末冶金制成，成本高。

中国发明专利CN106756166A将铝合金粉末与碳纳米管粉末混粉后二次添加微米级粗颗粒铝合金粉末，进行二次混粉，对最终的复合材料粉末进行致密化处理后进行二次加工处理，得到具有分级结构的碳纳米管/铝复合材料。该方法可以有效提高复合材料的塑韧性，但碳纳米管通过高能球磨不能很好解决团聚缠绕问题，且通过致密化处理后得到的坯料小，不宜实现工业化。

发明内容

针对现有传统陶瓷增强金属复合材料塑韧性差，效率低，成本高的问题，本发明提供一种纳米陶瓷颗粒增强金属基分级构型复合材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）将纳米级陶瓷颗粒和金属粉末进行高能球磨混合均匀，备用；

（2）将金属基体熔炼为金属液，保温到液相线以下30-80℃，使金属液中形成部分球形晶粒，将步骤（1）中的混合粉末加入金属液中，搅拌使纳米陶瓷粉均匀分散在球形晶粒之间的金属液中；

（3）将步骤（2）得到的混合液制备成铸锭，对铸锭进行轧制、挤压、拉拔加工，使铸锭中的球形晶粒变成片状或纤维状晶粒，从而获得纳米陶瓷颗粒增强金属基分级构型复合材料，由纳米陶瓷颗粒、金属基和片状或纤维状金属晶粒构成的分级构型复合材料。

优选的，本发明步骤（1）中的陶瓷颗粒为氧化钛、氧化铝、氧化锆、碳化钨、碳化硅、碳化钛、碳化硼、氮化钛中的一种或几种任意比例混合物，陶瓷颗粒的粒度为30-100nm。

优选的，本发明所述金属基体为铝合金、镁合金、钛合金、铜合金或钢铁，金属粉的粒径为1-30μm。

优选的，本发明步骤（1）中陶瓷颗粒和金属粉末的质量比为1:10~1:1，步骤（2）中混合粉末与金属液的质量比为1:10~2:3。

优选的，本发明步骤（1）中高能球磨的条件为:转速为50-1000转/分，球料重量比为5:1-30:1。

优选的，本发明步骤（2）中保温时间为10-50min。