強(qiáng)韌化金屬基復(fù)合材料的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種強(qiáng)韌化金屬基復(fù)合材料的方法，用于解決現(xiàn)有金屬基復(fù)合材料強(qiáng)度差的技術(shù)問(wèn)題。技術(shù)方案是設(shè)計(jì)原料配比，納米顆粒（<500納米）和微米顆粒（1～30微米）的總體積分?jǐn)?shù)為10～20%，納米顆粒與微米顆粒的體積比為1:3～3:1，使用高能球磨工藝，球料質(zhì)量比：10～20:1；先混合納米顆粒和金屬基體粉體，球磨時(shí)間為5～10小時(shí)，然后再添加微米顆粒，球磨時(shí)間>15小時(shí)；在兩次混合過(guò)程中都要添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5-10%的無(wú)水乙醇，通過(guò)球磨獲得陶瓷顆粒均勻分散的混合粉體；然后使用真空熱壓燒結(jié)爐燒結(jié)高致密度的塊體金屬基復(fù)合材料?；鞊郊{米、微米顆粒能夠使金屬基復(fù)合材料同時(shí)獲得更高的強(qiáng)度和更好的塑性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】強(qiáng)韌化金屬基復(fù)合材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種強(qiáng)韌化金屬基復(fù)合材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬基復(fù)合材料因其高強(qiáng)度、高模量、低密度等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于制作航空航天、汽車(chē)エ業(yè)中的結(jié)構(gòu)件、殼體和其它零部件。與纖維、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料相比，顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料同時(shí)還具有制備エ藝簡(jiǎn)單、成本低廉、材料各向同性等優(yōu)點(diǎn)，具有更加廣泛的應(yīng)用，同時(shí)是金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。目前研究、應(yīng)用較為廣泛的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中，主要以鋁、鎂、鈦及其合金為基體材料，以SiC、Al203、TiC等顆粒為增強(qiáng)體，顆粒與基體之間具有強(qiáng)的界面結(jié)合，載荷能夠均勻地由基體傳遞到顆粒上，極大地提高材料的比強(qiáng)度、比模量，但陶瓷顆粒阻礙基體的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，復(fù)合材料的斷裂方式發(fā)生改變，往往伴隨著極差的韌性和塑性。為了滿(mǎn)足更高要求的應(yīng)用，如何提高材料的塑性和韌性，制備具有優(yōu)良綜合力學(xué)性能的復(fù)合材料，成為顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域的ー個(gè)研究重點(diǎn)。
[0003]顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的性能主要取決于基體、增強(qiáng)體本身的特性和相互間的界面結(jié)合情況，以及增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)、形狀、尺寸和在基體中的分布情況。改善塑性和韌性的主要途徑有:改變?cè)鰪?qiáng)顆粒的形狀、體積分?jǐn)?shù)和尺寸；増大基體的晶粒尺寸或者添加大尺寸晶粒的第三相；對(duì)所制備材料進(jìn)行熱處理。目前，能夠在保持高強(qiáng)度的同時(shí)又明顯改善塑性的方法鮮有報(bào)道，一般是以降低強(qiáng)度的代價(jià)提高塑性，或者略微改善，沒(méi)有大的改變。顆粒的體積分?jǐn)?shù)和尺寸對(duì)復(fù)合材料的性能具有顯著的影響，當(dāng)顆粒尺寸為納米級(jí)，體積分?jǐn)?shù)大于10%時(shí)，復(fù)合材料的塑性明顯改善，但強(qiáng)度會(huì)有所降低，而微米級(jí)顆粒的添加會(huì)使復(fù)合材料的強(qiáng)度顯著提高，但塑性很差，所以如果將納米級(jí)和微米級(jí)的顆?；旌霞尤虢饘倩w中，會(huì)獲得同時(shí)具有高強(qiáng)度和良好塑性的復(fù)合材料。這ー研究在國(guó)內(nèi)外的相關(guān)報(bào)道很少，主要原因在于高體積分?jǐn)?shù)的納米`顆粒存在嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象，而且很難燒結(jié)致密化。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]為了克服現(xiàn)有金屬基復(fù)合材料強(qiáng)度差的不足，本發(fā)明提供一種強(qiáng)韌化金屬基復(fù)合材料的方法。該方法首先設(shè)計(jì)合理的原料配比，納米顆粒(〈500納米)和微米顆粒(I?30微米)的總體積分?jǐn)?shù)為10?20%，納米顆粒與微米顆粒的體積比為1:3?3:1，使用高能球磨エ藝，按照優(yōu)化的エ藝參數(shù)，球料質(zhì)量比:10?20:1 ;先混合納米顆粒和金屬基體粉體，球磨時(shí)間為5?10小時(shí)，然后再添加微米顆粒，球磨時(shí)間>15小時(shí)；在兩次混合過(guò)程中都要添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5-10%的無(wú)水こ醇，通過(guò)球磨獲得陶瓷顆粒均勻分散的混合粉體；然后使用真空熱壓燒結(jié)爐燒結(jié)高致密度的塊體金屬基復(fù)合材料。混摻納米、微米顆粒能夠使金屬基復(fù)合材料同時(shí)獲得更高的強(qiáng)度和更好的塑性。該方法適用于多種材料體系的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:一種強(qiáng)韌化金屬基復(fù)合材料的方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟:
[0006]步驟一、確定原料的配比，納米顆粒粒徑小于500納米,微米顆粒粒徑為I?30微米，納米、微米混合顆粒的體積分?jǐn)?shù)為10?20%，其中納米顆粒與微米顆粒的體積比為1:3 ?3:1。
[0007]步驟ニ、將納米顆粒和金屬基體顆粒在氬氣氣氛中裝入不銹鋼球磨罐，鋼球/粉體質(zhì)量比為15:1，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5?10%的無(wú)水こ醇,在行星式球磨機(jī)上球磨5?10小時(shí)。然后將微米顆粒加入，同時(shí)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5?10%的無(wú)水こ醇，球磨時(shí)間>15小時(shí)，球磨轉(zhuǎn)速為150轉(zhuǎn)/分鐘，獲得混合粉體。
[0008]步驟三、將步驟ニ球磨好的混合粉體在真空熱壓爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度在780?830°C之間，所加載荷為30?40kN，隨爐冷卻，得到微米、納米顆?；旌显鰪?qiáng)金屬基復(fù)合材料。
[0009]所述微米和納米顆粒是SiC、A1203、AIN、B4C, TiB2, TiC、TiAl、Ti3SiC2, WC、ZrC 或VC的任ー種。
[0010]所述金屬基體顆粒是Al、Mg、T1、Cu、W、Mo、Cr、N1、Nb、Fe或Zn的任一種。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:該方法首先設(shè)計(jì)合理的原料配比，納米顆粒(〈500納米)和微米顆粒(I?30微米)的總體積分?jǐn)?shù)為10?20%,納米顆粒與微米顆粒的體積比為1:3?3:1，使用高能球磨エ藝，按照優(yōu)化的エ藝參數(shù)，球料質(zhì)量比:10?20:1 ;先混合納米顆粒和金屬基體粉體，球磨時(shí)間為5?10小時(shí)，然后再添加微米顆粒，球磨時(shí)間>15小時(shí)；在兩次混合過(guò)程中都要添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5-10%的無(wú)水こ醇，通過(guò)球磨獲得陶瓷顆粒均勻分散的混合粉體；然后使用真空熱壓燒結(jié)爐燒結(jié)高致密度的塊體金屬基復(fù)合材料?；鞊郊{米、微米顆粒能夠使金屬基復(fù)合材料同時(shí)獲得更高的強(qiáng)度和更好的塑性。該方法適用于多種材料體系的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材 料。
[0012]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。
【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是本發(fā)明方法Al2O3顆?？傮w積分?jǐn)?shù)一致時(shí)，不同比例納米、微米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線(xiàn)。
[0014]圖2是本發(fā)明方法不同比例微米、納米顆粒混合增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線(xiàn)，應(yīng)變率為1500s—1。
【具體實(shí)施方式】
[0015]參照?qǐng)D1-2。本發(fā)明強(qiáng)韌化金屬基復(fù)合材料的方法的具體步驟如下:
[0016]實(shí)施例1。微米、納米Al2O3顆粒混合增強(qiáng)純鋁基復(fù)合材料。
[0017]1、確定原料配 t 匕，分另Ij 制備 5%Al203(50nm)_5%Al203(3 ii m)/Al、5%A 1203 (50nm) -1 0%A 1 203 ( 3 y m) /A 1、I 0%A1 203 (50nm) -5%A 1 203 (3 u m) /AU10%A1203 (50nm)-10%A1203 (3 u m) /Al 復(fù)合材料。
[0018]2、首先將納米Al2O3顆粒和金屬鋁基體顆粒在氬氣氣氛保護(hù)的手套箱中密封于不銹鋼球磨罐中，鋼球/粉體質(zhì)量比為15:1，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的無(wú)水こ醇，在行星式球磨機(jī)上球磨10小時(shí)，然后繼續(xù)添加微米Al2O3顆粒粉體，同時(shí)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的無(wú)水こ醇，球磨20小時(shí)，球磨轉(zhuǎn)速為150轉(zhuǎn)/分鐘，獲得混合粉體。
[0019]3、將步驟I球磨好的混合粉體在真空熱壓爐中進(jìn)行燒結(jié)，溫度780°C，所加載荷為35kN,隨爐冷卻，得到微米、納米Al2O3顆?；旌显鰪?qiáng)鋁基復(fù)合材料。
[0020]使用孔隙率測(cè)試儀對(duì)燒結(jié)試樣進(jìn)行密度測(cè)試，確保燒結(jié)試樣完全致密化。測(cè)試結(jié)果如表I所示。
[0021]表I不同比例微米、納米顆?；旌显鰪?qiáng)鋁基復(fù)合材料的密度
[0022]
【權(quán)利要求】
1.一種強(qiáng)韌化金屬基復(fù)合材料的方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一、確定原料的配比,納米顆粒粒徑小于500納米,微米顆粒粒徑為I?30微米，納米、微米混合顆粒的體積分?jǐn)?shù)為10?20%，其中納米顆粒與微米顆粒的體積比為1:3?3:1 ； 步驟ニ、將納米顆粒和金屬基體顆粒在氬氣氣氛中裝入不銹鋼球磨罐，鋼球/粉體質(zhì)量比為10?20:1 ；,添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5?10%的無(wú)水こ醇,在行星式球磨機(jī)上球磨5?10小時(shí)；然后將微米顆粒加入，同時(shí)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5?10%的無(wú)水こ醇，球磨時(shí)間>15小時(shí)，球磨轉(zhuǎn)速為150轉(zhuǎn)/分鐘，獲得混合粉體； 步驟三、將步驟ニ球磨好的混合粉體在真空熱壓爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度在780?830°C之間，所加載荷為30?40kN，隨爐冷卻，得到微米、納米顆?；旌显鰪?qiáng)金屬基復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)韌化金屬基復(fù)合材料的方法，其特征在于:所述微米和納米顆粒是 SiC, Al2O3' AIN、B4C, TiB2、TiC, TiAl、Ti3SiC2 ffC, ZrC 或 VC 的任ー種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)韌化金屬基復(fù)合材料的方法，其特征在于:所述金屬基體顆粒是 Al、Mg、T1、Cu、W`、Mo、Cr、N1、Nb、Fe 或 Zn 的任ー種。
【文檔編號(hào)】C22C1/05GK103436728SQ201310380163
【公開(kāi)日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月27日
【發(fā)明者】王一光, 趙科 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)