CN101250700A - 一种制备深层、大块体、宏观范围复合材料的固态加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于复合材料制备范围的一种制备深层、大块体、宏观范围复合材料的固态加工方法。将原始增强材料、增强材料载体和与基体材料发生反应的材料粉体添加在被加工的基体材料板上，搅拌工具以高速旋转接触被加工工件，以一定的下压力使得搅拌工具压入工件表面。待搅拌工具附近工件材料充分软化后，搅拌工具以一定的移动速度，一次或多次从加入的材料压过，因此，受搅拌工具的作用，添加的材料分散分布于基体材料间，并最终实现增强相与基体金属间的冶金结合，可在工件表面至探针端面深度范围内，制备形成大块体、宏观范围的复合材料。本发明适用于铝合金，镁合金，铜及其合金等常见金属材料以及热塑性高分子材料的基体材料。
Description
技术领域
本发明属于复合材料制备范围，特别涉及一种制备深层、大块体、宏观范围复合材料的固态加工方法。可适用于铝合金，镁合金，铜及其合金等常见金属材料以及热塑性高分子材料的基体材料，适用于材料改性、复合材料制备。
背景技术
本方法的技术来源于搅拌摩擦焊技术(friction stir welding)，搅拌摩擦焊是1991年由英国焊接研究所(The Welding Institute，TWI)发明的(专利一号US5460317，1991.12)，该技术在轻金属、铜、以及钢铁、塑料、复合材料等的连接领域引起了新的技术革命。本项技术为在搅拌摩擦焊基础上诞生的搅拌摩擦加工技术方面的应用。在材料加工过程中，高应变、应变速率下的材料发生了动态再结晶过程，使得晶粒得到明显细化，使复合材料的基体材料性能得到了提高。同时该方法也是固态加工方法，避免了因熔化过程带来的种种弊端。
在实际应用过程中，以往的对材料改性或复合材料制备，需要较多的场地、环境、能源等要求，甚至会带来各样的环境污染。而且，一些加工方法需要对材料进行复杂的处理过后才可以加工，有的需要复杂的操作和控制。上述问题等，都对实际生产生活造成了很多不便，且成本较高。本方法在对材料的改性、制备深层、大块体、宏观范围复合材料方面，提供了一个新的方法，且可以有效克服上述不足之处。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备深层、大块体、宏观范围复合材料的固态加工方法，其特征在于：具体加工步骤为：
1)以铝合金，镁合金，铜及其合金、或热塑性高分子材料的板材作为基体材料，将原始增强材料、增强材料载体、可与基体材料发生反应的材料中任意一种，以基体材料1～20wt％的细粉填充在开槽或孔中，或以镀层、喷涂方式附着于基体材料表面；
2)搅拌工具以700～2000rpm的高速旋转接触被加工工件，以10～20MPa的下压力使得搅拌工具压入工件表面。停留3～10s后，待搅拌工具附近工件材料充分软化，搅拌工具以60～200mm/min的速度，一次或多次从加入的材料压过，因此，受搅拌工具的作用，添加的增强材料、增强材料载体或与基体材料发生反应的材料分散分布于基体材料间，并最终实现增强相与基体金属间的冶金结合，可在工件表面至探针端面深度范围内，制备形成大块体、宏观范围的复合材料。
所述增强材料为粒度在100nm～50μm之间的Al2O3、SiC、TiC、B4C、BN、AlN、WC、ZrO2、MgO、B、细金刚石或碳纳米管非金属颗粒；或直径为0.2～1μm、长度为1～50μm的Al2O3晶须，SiC晶须，Cu、Cr、Fe或Ni晶须。
所述增强材料载体为陶瓷基复合材料或含有陶瓷材料的金属镀层；其中陶瓷基体材料为Al2O3，MgO·Al2O3，SiO2，Al2O3·ZrO2，Si3N4或SiC；所述含有陶瓷材料的金属镀层为铝合金、镁合金、铜合金或钛合金。
所述可与基体材料发生反应的材料为Fe3Al、FeAl、Mg2Si、Mg17Al12、Cu4Al、Ni3Al、NiAl、TiAl或AlC4，与基体材料经过加工后发生化学反应生成金属间化合物形成弥散强化层；或添加的材料与基体材料元素的原子尺度差别较大而形成固溶强化，这些材料为Ti、Cu、Fe、W固溶于Al、Mg基体中。
本发明的有意效果是在材料加工过程中，高应变、应变速率下的材料发生了动态再结晶过程，使得晶粒得到明显细化，使复合材料的基体材料性能得到了提高。同时该方法也是固态加工方法，避免了环境污染，加工过程简单，不需要复杂的操作和控制。都对实际生产生活造成了很多不便，且成本较高。特别在对材料的改性、制备深层、大块体、宏观范围复合材料方面提供了一个新的方法，克服了因熔化过程带来的种种弊端。适用于铝合金，镁合金，铜及其合金等常见金属材料以及热塑性高分子材料的基体材料，适用于材料改性、复合材料的制备。
附图说明
图1为搅拌摩擦加工制备复合材料的示意图。
具体实施方式
本发明提供一种制备深层、大块体、宏观范围复合材料的固态加工方法。图1所示为搅拌摩擦加工制备复合材料的示意图。在图1中，搅拌工具1的底部为轴肩3，搅拌工具1的的中央装配探针4，搅拌工具1固定在被加工的基体板材2上方，被加工板材2被固定后，搅拌工具1在被加工的基体板材2上面分别以700、900、1200、1500或2000rpm的高速旋转地接触被加工基体板材2表面，以10、15或20MPa的下压力压入基体板材2表面，停留3、5或10s后，待搅拌工具附近基体板材2材料充分软化时，搅拌工具再以60、75、90、120、150、180或200mm/min的速度，1次、2次、3次或5次地从加入的材料上压过，则在被加工的基体板材2上面形成大块的、宏观范围的复合面5。
例如用与基体材料反应的材料10％的Fe粉加入Al合金的板材的细槽中，搅拌工具1在被加工的基体Al合金的板材上方，以2000rpm的高速旋转接触Al合金的板材表面，以15MPa的下压力压入Al合金的板材表面，每次停留3s，以200mm/min的加工速度，2次经过加入材料的区域，之后一部分Fe原子固溶在Al原子中，起固溶强化作用，一部分Fe和Al反应生成了弥散相Fe3Al，起到弥散增强作用。
Claims (4)
1. 一种制备深层、大块体、宏观范围复合材料的固态加工方法，其特征在于：具体加工步骤为：
1)以铝合金，镁合金，铜及其合金、或热塑性高分子材料的板材作为基体材料，将原始增强材料、增强材料载体、可与基体材料发生反应的材料中任意一种，以基体材料1～20wt％的细粉填充在开槽或孔中，或以镀层、喷涂方式附着于基体材料表面；
2)搅拌工具以700～2000rpm的高速旋转接触被加工工件，以10～20MPa的下压力使得搅拌工具压入工件表面，停留3～10s后，待搅拌工具附近工件材料充分软化，搅拌工具以60～200mm/min的速度，一次或多次从加入的材料压过，因此，受搅拌工具的作用，添加的增强材料、增强材料载体或与基体材料发生反应的材料分散分布于基体材料间，并最终实现增强相与基体金属间的冶金结合，可在工件表面至探针端面深度范围内，制备形成大块体、宏观范围的复合材料。
2. 根据权利要求1所述制备深层、大块体、宏观范围复合材料的固态加工方法，其特征在于：所述增强材料为粒度100nm～50μm的Al2O3、SiC、TiC、B4C、BN、AlN、WC、ZrO2、MgO、B、细金刚石或碳纳米管非金属颗粒；或为直径在0.2～1μm、长度为1～50μm的Al2O3晶须，SiC晶须，Cu、Cr、Fe或Ni晶须。
3. 根据权利要求1所述制备深层、大块体、宏观范围复合材料的固态加工方法，其特征在于：所述增强材料载体为陶瓷基复合材料或含有陶瓷材料的金属镀层；其中陶瓷基体材料为Al2O3，MgO·Al2O3，SiO2，Al2O3·ZrO2，Si3N4或SiC；所述含有陶瓷材料的金属镀层为铝合金、镁合金、铜合金或钛合金。
4. 根据权利要求1所述制备深层、大块体、宏观范围复合材料的固态加工方法，其特征在于：所述可与基体材料发生反应的材料为Fe3Al、FeAl、Mg2Si、Mg17Al12、Cu4Al、Ni3Al、NiAl、TiAl或AlC4，与基体材料经过加工后发生化学反应生成金属间化合物形成弥散强化层；或添加的材料与基体材料元素的原子尺度差别较大而形成固溶强化，这些材料为Ti、Cu、Fe、W固溶于Al、Mg基体中。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Open date: 20080827 |