CN102021357A - 一种颗粒增强金属基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属基复合材料制备方法，具体而言为涉及一种利用层叠技术制备颗粒增强金属基复合材料的方法。本发明将快速冷却技术与陶瓷颗粒增强结合，获得细晶甚至非晶等亚稳状态的金属基体并与陶瓷颗粒结合，以获得更加优异的材料性能，在惰性气体保护下将熔融状态的金属喷吹到陶瓷颗粒表面，并通过碾压使陶瓷颗粒与基体之间牢固结合，后喷吹的熔融金属将与先喷吹的金属层复合，并在受碾压时使陶瓷颗粒与金属基体之间的结合得到进一步改善，如此反复进行，直至得到指定厚度的颗粒增强金属基复合材料。本发明操作简便，易于实现工业规模生产；由于冷却速率高，使基体金属获得了比较优异的性能，同时减轻了颗粒与金属基体之间的界面反应。
Description
技术领域
本发明涉及金属基复合材料制备方法，具体而言为涉及一种利用层叠技术制备颗粒增强金属基复合材料的方法。
背景技术
金属基复合材料由于具有优异的力学性能和物理化学性能而倍受青睐，颗粒增强金属基复合材料不但具有金属塑韧性好的特点，而且具有陶瓷颗粒硬度高、刚度大的优点，从而显示出单一的金属基体或陶瓷颗粒所不可比拟的优异性能，已经成为国内外研究的热点，自从20世纪80年代以来，由于颗粒增强金属基复合材料具有成本低、强度高、模量高、耐磨性高、易于制造等优点，得到了迅猛的发展。
颗粒增强金属基整体复合材料的制备工艺主要有铸造法、粉末冶金法以及喷射沉积法等；铸造法又分为液态搅拌法、半固态搅熔铸造法、喷射分散法、超声振动法、中间合金法等，液态搅拌法，通过高速旋转的搅拌棒使金属液产生旋涡，向旋涡中加入颗粒使其分散，由于旋涡的抽吸作用使颗粒卷入熔体中，待分散均匀后，浇入金属型，用挤压铸造等方法成型，高速搅拌的旋涡不可避免有气体和夹杂物混入，偏析和结团现象也难以避免。且加入的颗粒不能太小，加入量也有限制；美国对此方法进行改进，使金属熔化并搅拌；增强物加入及浇注成型都在真空容器内进行，从而避免了气体、夹杂的污染。半固态搅熔铸造法，把金属液温度控制在液相线和固相线之间且不断搅拌，然后把颗粒状增强物按一定比例加入到含有一定组分固相粒子的金属液中，并迅速升温至液相线以上直接进行浇注，就得到所需复合材料，此工艺优点是：增强相与基体的浸润性好、增强相粒子分布均匀，但是，因为金属液处于半固态，粘度较大，浆液中的气体和夹杂不易排出，另外，在工业化过程中，要准确控制和保持金属液处于半固态温度也是很困难的；喷射分散法：以氩气等惰性气体作载体，使颗粒分散于液态金属，采用此法不仅可以制造有色金属为基的复合材料，而且可以用于钢铁等高熔点基体，但此法存在着由于载体气体溶入而引起的气孔问题；超声振动法，将增强相加入熔体后,对熔体施加超声振动，利用超声的空化效应，可明显改善增强物与金属的润湿性，使小于 10 μm的微粒在金属液中均匀分散，获得性能良好的微细颗粒增强金属基复合材料；中间合金法，把颗粒增强物和基体合金粉按一定比例混合，压成中间合金块，直接加入基体合金液，待金属粉末熔化，增强物即进入熔体，经搅拌、浇注、凝固制得复合材料。
粉末冶金法是将增强颗粒与金属粉充分混合后冷压成型，真空加热到固-液两相区内热压，将热压后的坯料进行热挤压或冷轧制成零部件，与铸造法相比，其优点在于复合温度低，从而减轻了基体与增强相界面反应，故复合材料的性能一般优于铸造法，且增强相的体积分数可任意调节(颗粒含量可达50%以上) ，成分比例准确，增强相分布均匀，并且可以实现最终成型或近终成型，节约材料；此方法的缺点是设备、工艺复杂，生产效率低；金属微粉的价格较高，增强体与基体尺寸差大，分布不均匀；不适合用来生产大件、复杂件。
喷射沉积法，是将粉末冶金中混合与凝固两个过程相结合的新工艺，其原理为使熔化的金属液在高压惰性气体射流的作用下分散雾化，同时将增强相颗粒喷入金属雾化射流中，使之混合共喷射沉积到预处理的基板上，并快速凝固形成所需要的复合材料，这种方法的特点是增强体与基体熔液接触时间相当短，因此二者之间的反应易于控制。喷射沉积法的制备成本介于铸造法和粉末冶金法之间。
综合以上分析可以看出，颗粒增强金属基复合材料的制备技术有很多，但是要适合工业规模应用，还需要在改善颗粒/金属界面结合、提高制备效率和基体材料性能方面进行综合考虑。
发明内容
因此，本发明针对上述问题，提出采用一种采用层叠技术制备颗粒增强金属基复合材料的方法，实现同时提高制备效率和复合材料性能。
本发明一种颗粒增强金属基复合材料新方法，其原理是：将快速冷却技术与陶瓷颗粒增强结合，获得细晶甚至非晶等亚稳状态的金属基体并与陶瓷颗粒结合，以获得更加优异的材料性能，在惰性气体保护下将熔融状态的金属喷吹到陶瓷颗粒表面，并通过碾压使陶瓷颗粒与基体之间牢固结合，后喷吹的熔融金属将与先喷吹的金属层复合，并在受碾压时使陶瓷颗粒与金属基体之间的结合得到进一步改善，如此反复进行，直至得到指定厚度的颗粒增强金属基复合材料。
具体而言其特征在于：在惰性气体保护下，首先通过喷吹的方法在铜冷却基底上喷吹一层金属，然后在新喷吹的金属层上喷撒一层陶瓷颗粒，再喷吹一层金属，随后通过挤压辊对陶瓷颗粒和喷吹金属层进行碾压以改善颗粒-金属之间的结合，调节喷嘴与挤压辊之间的距离，使挤压时材料具有使金属材料保持良好塑性的温度，然后再喷撒一层颗粒，喷吹一层金属，并挤压一次，重复上述过程，直到金属基复合材料达到指定的厚度。
所述的喷吹的方法指：制备装置处于真空室中，设备抽真空至1~2×10-3Pa，然后充入20~60kPa的氩气作为保护气氛，在坩埚中按配比要求熔化金属（合金）材料，并通过导流孔将净化后的金属（合金）熔体导入喷吹室，同时关闭导流孔，通过喷吹室上端的惰性气体管通入50~120 kPa的喷吹气压从喷嘴将金属（合金）熔体喷吹到快速移动的铜基底上，喷吹时金属熔体的温度处于其液相线温度以上30~80℃，一次喷吹结束后关闭喷吹气体并打开导流孔，从坩埚中引入净化后的金属（合金）熔体，准备新的喷吹成形过程。
所述的快速移动的铜基底，是水冷的表面平整的纯铜基底，喷吹成形过程中其快速移动的水平速率为5000~20000mm/s，铜基底处于喷吹装置喷嘴的下方，与喷嘴间的垂直距离为0.5~2.0 mm，每次喷吹成形结束后铜基底的返回速度为15000 ~20000mm/s。
所述的喷撒一层陶瓷颗粒，陶瓷颗粒的直径选择5~50μm，喷撒时保证颗粒呈单层分布。
所述的喷吹一层金属，是指金属材料每次喷吹成形成一层金属层，其厚度为10~80μm，具体岁陶瓷颗粒的尺寸增加而增加。
所述的挤压辊，是采用耐热钢制作的圆柱形辊体，直径为30~100mm，挤压金属材料喷吹成形层的压应力为5~20MPa，压力要适当，以防止对颗粒造成破坏，挤压辊处于喷嘴的后方并与喷嘴保持20~40 mm的水平距离，以保证新喷吹的金属保持一定的温度并具有良好的塑性变形能力。
本发明具有如下优点：操作简便，易于实现工业规模生产；由于冷却速率高，使基体金属获得了比较优异的性能，同时减轻了颗粒与金属基体之间的界面反应；复合材料的基体可以为晶态金属或合金，在合适的条件下也可以是块体非晶合金，此时挤压辊挤压的压应力要适当降低；适应性强，理论上讲陶瓷颗粒的体积分数可以任意调节，并可根据要求制备梯度颗粒增强金属基复合材料，总之，通过上述方法可以成功制备各种连续颗粒增强金属基复合材料。
附图说明
图1 颗粒增强金属基复合材料制备过程示意图；
1 铜基底 2 挤压辊 3 速度控制器 4温度控制器 5 坩埚 6 金属熔体 7导流孔 8 喷吹室 9 陶瓷颗粒 10 金属喷吹层 11 喷嘴
图2 SiC颗粒增强铝基复合材料的扫描电镜照片。
具体实施方式
在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义，下面结合具体实施例，进一步详细地描述本发明，应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围，在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。
实施例1
选择的增强颗粒为平均尺寸25μm 的SiC颗粒，颗粒的理论体积分数为15%，基体为A356合金。
设备抽真空至1×10-3Pa，真空室中充入20kPa的氩气作为保护气氛，按A356铝合金的成分配比在坩埚中熔化铝合金，净化后通过导流孔将铝合金熔体导入喷吹室，同时关闭导流孔，通过喷吹室上端的惰性气体管通入50kPa的喷吹气体从喷嘴将690℃的A356合金熔体喷吹到快速移动的铜基底表面（移动方向长500mm，宽200mm），铜基底的水平移动速率为10000mm/s，铜基底处于喷吹装置喷嘴的下方，与喷嘴间的垂直距离为0.5mm，一次喷吹的厚度为40μm，第一次喷吹后，在新喷吹的铝合金层上喷撒一层SiC颗粒，再喷吹一层铝合金，喷吹后立即用耐热钢制作的直径30mm的圆柱形挤压辊对新喷吹的铝合金进行挤压，其压应力为5MPa，挤压辊处于喷嘴后方40 mm。喷吹成形采用间歇式工作，当喷吹成形从铜基底的一端进行到另一端时一次喷吹结束，待挤压辊运动到该端面后，将铜基底的垂直位置下降一个铝合金喷吹层的厚度，然后铜基底以15000mm/s的速度返回到初始位置，喷撒一层颗粒，同时关闭喷吹气压并打开导流孔，从坩埚中引入净化后的铝合金熔体，准备新的喷吹成形过程，重复上述喷吹成形过程，最终所成形的SiC颗粒增强A356基复合材料厚度为100mm，图2为所制备的SiC颗粒增强铝基复合材料的扫描电镜照片，可以看出SiC颗粒在基体上分布基本均匀、颗粒与铝合金基体结合良好。
实施例2
选择的增强颗粒为平均尺寸5μm的石墨颗粒，颗粒的理论体积分数为20%，基体为纯铜。
设备抽真空至2×10-3Pa，真空室中充入40kPa的氩气作为保护气氛，纯铜在坩埚中熔化，净化后通过导流孔将纯铜熔体导入喷吹室，同时关闭导流孔，通过喷吹室上端的惰性气体管通入80kPa的喷吹气体从喷嘴将1120℃的纯铜熔体喷吹到快速移动的铜基底表面（移动方向长600mm，宽240mm），铜基底的水平移动速率为20000mm/s，铜基底处于喷吹装置喷嘴的下方，与喷嘴间的垂直距离为1.0mm，一次喷吹的厚度为10μm，第一次喷吹后，在新喷吹的纯铜层上喷撒一层石墨颗粒，再喷吹一层铝合金，喷吹后立即用耐热钢制作的直径70mm的圆柱形挤压辊对新喷吹的铝合金进行挤压，其压应力为20MPa，挤压辊处于喷嘴后方30 mm，喷吹成形采用间歇式工作，当喷吹成形从铜基底的一端进行到另一端时一次喷吹结束，待挤压辊运动到该端面后，将铜基底的垂直位置下降一个纯铜喷吹层的厚度，然后铜基底以15000mm/s的速度返回到初始位置，喷撒一层颗粒，同时关闭喷吹气压并打开导流孔，从坩埚中引入净化后的纯铜熔体，准备新的喷吹成形过程，重复上述喷吹成形过程，最终所成形的石墨颗粒增强铜基复合材料厚度为160mm。
实施例3
选择的增强颗粒为平均尺寸50μm的TiB2颗粒，颗粒的理论体积分数为10%，基体为Mg65Cu25Y10块体非晶合金。
设备抽真空至1×10-3Pa，真空室中充入60kPa的氩气作为保护气氛，按Mg65Cu25Y10块体非晶合金的成分配比在坩埚中熔化合金，净化后通过导流孔将块体非晶合金熔体导入喷吹室，同时关闭导流孔，通过喷吹室上端的惰性气体管通入120kPa的喷吹气体从喷嘴将620℃的块体非晶合金熔体喷吹到快速移动的铜基底表面（移动方向长500mm，宽220mm），铜基底的水平移动速率为20000mm/s，铜基底处于喷吹装置喷嘴的下方，与喷嘴间的垂直距离为0.5mm，一次喷吹的厚度为80μm，第一次喷吹后，在新喷吹的纯铜层上喷撒一层TiB2颗粒，再喷吹一层块体非晶合金，喷吹后立即用耐热钢制作的直径100mm的圆柱形挤压辊对新喷吹的块体非晶合金进行挤压，其压应力为600Pa，挤压辊处于喷嘴后方20 mm，喷吹成形采用间歇式工作，当喷吹成形从铜基底的一端进行到另一端时一次喷吹结束，待挤压辊运动到该端面后，将铜基底的垂直位置下降一个块体非晶合金喷吹层的厚度，然后铜基底以20000mm/s的速度返回到初始位置，喷撒一层TiB2颗粒，同时关闭喷吹气压并打开导流孔，从坩埚中引入净化后的铝合金熔体，准备新的喷吹成形过程，重复上述喷吹成形过程，最终所成形的TiB2颗粒增强Mg65Cu25Y10块体非晶合金复合材料厚度为200mm。
Claims (6)
1.一种颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：在惰性气体保护下，首先通过喷吹的方法在铜冷却基底上喷吹一层金属，然后在新喷吹的金属层上喷撒一层陶瓷颗粒，再喷吹一层金属，随后通过挤压辊对陶瓷颗粒和喷吹金属层进行碾压以改善颗粒-金属之间的结合，调节喷嘴与挤压辊之间的距离，使挤压时材料具有使金属材料保持良好塑性的温度，然后再喷撒一层颗粒，喷吹一层金属，并挤压一次，重复上述过程，直到金属基复合材料达到指定的厚度。
2.如权利要求1所述的一种颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述喷吹的方法指：制备装置处于真空室中，设备抽真空至1~2×10-3Pa，然后充入20~60kPa的氩气作为保护气氛，在坩埚中按配比要求熔化金属（合金）材料，并通过导流孔将净化后的金属（合金）熔体导入喷吹室，同时关闭导流孔，通过喷吹室上端的惰性气体管通入50~120 kPa的喷吹气压从喷嘴将金属（合金）熔体喷吹到快速移动的铜基底上，喷吹时金属熔体的温度处于其液相线温度以上30~80℃，一次喷吹结束后关闭喷吹气体并打开导流孔，从坩埚中引入净化后的金属（合金）熔体，准备新的喷吹成形过程。
3.如权利要求2所述的一种颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的快速移动的铜基底，是水冷的表面平整的纯铜基底，喷吹成形过程中其快速移动的水平速率为5000~20000mm/s，铜基底处于喷吹装置喷嘴的下方，与喷嘴间的垂直距离为0.5~2.0 mm，每次喷吹成形结束后铜基底的返回速度为15000 ~20000mm/s。
4.如权利要求1所述的一种颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的喷撒一层陶瓷颗粒，陶瓷颗粒的直径选择5~50μm，喷撒时保证颗粒呈单层分布。
5.如权利要求1所述的一种颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的喷吹一层金属，是指金属材料每次喷吹成形成一层金属层，其厚度为10~80μm，具体岁陶瓷颗粒的尺寸增加而增加。
6.如权利要求1所述的一种颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的挤压辊，是采用耐热钢制作的圆柱形辊体，直径为30~100mm，挤压金属材料喷吹成形层的压应力为5~20MPa，挤压辊处于喷嘴的后方并与喷嘴保持20~40 mm的水平距离，以保证新喷吹的金属保持一定的温度并具有良好的塑性变形能力。
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