CN101285187A - 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
本发明涉及一种颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：将金属粉末和硬质相粉末机械混合，加入高能球磨机罐体内进行球磨；将上述球磨后的粉末进行分筛；对基体表面进行喷砂粗化预处理，采用冷喷涂方法，将球磨粉末喷涂在基体上，由此得到颗粒增强金属基复合材料。本发明提出的制备方法，采用高能球磨的方法制备喷涂粉末，一方面可以使硬质相分布更加均匀，另一方面还可以通过球磨细化金属基体晶粒，进一步提高所制备MMC材料性能。本发明方法制备的颗粒增强金属基复合材料组织致密，性能优异，既可制备涂层，也可实现零部件近净成形。该方法工艺简单、可控性好、生产成本低廉、生产效率高，有助于实现工业化应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种颗粒增强金属基复合材料的制备方法，是采用冷喷涂成形技术与高能球磨技术复合工艺来制备颗粒增强金属基复合材料。主要适用于高性能颗粒增强金属基复合材料涂层和块体材料的制备。
背景技术
金属基复合材料(Metal Matrix Composite：MMC)因其优异的力学性能和良好的综合性能而在近40多年被迅速研究与开发，已经在航空、航天、汽车、电子等领域得到大量应用，主要用作结构材料与功能材料。目前，MMC的主要制备方法有：(1)固态制造，包括粉末冶金法、热压法、热等静压法等；(2)液态制造，包括(真空或压力)浸渗法、铸造法、热喷涂法等；(3)其他方法，包括原位自生成法、物理气相沉积(PVD)法、化学气相沉积(CVD)法、电镀、化学镀等。
颗粒增强金属基复合材料(PRMMC)因其制备工艺相对比较简单，设备要求较低，便于批量生产，成本较低等优点，是近年来主要的研究方向。但是由于其加工制备技术难度较大、成本较高，尤其当增强相的体积分数较高时，这一问题更加明显。由此影响该材料的实际应用。
冷喷涂是近几年发展起来的新型涂层制备技术，它主要通过低温(＜600℃)、高速(300～1200m/s)的固态金属粒子(粒度一般5-50μm)的碰撞变形实现涂层沉积。目前的一些研究报道表明，将冷喷涂可以用于MMC的制备。采用简单机械混合的粉末可以冷喷涂制备硬质相分布比较均匀的MMC。但研究者的结果表明硬质相的体积分数很难增加，不管原始混合粉末中硬质相含量多少，一般不超过30vol％。意味着大部分硬质相颗粒没有被沉积到涂层中。另一方面，所制备涂层中硬质相与金属基体相的界面结合也较差。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种颗粒增强金属基复合材料的制备方法，是一种能够提高所制备MMC涂层中硬质相体积含量、提高界面结合、提高所制备MMC性能的有效的、成本低廉的、操作简单的方法。
技术方案
本发明的基本思想是：将硬质相粉末与金属材料粉末进行简单机械混合，得到混合粉末；然后采用高能球磨机球磨上述混合粉末；最后将所获得球磨粉末分筛后，采用冷喷涂技术成形制备涂层或块体材料(厚涂层)。
一种颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
1)选择粒度范围在5～250μm的金属粉末和粒度范围在5nm～100μm的硬质相粉末，按照体积百分比1～80vol％进行配粉，然后简单机械混合10～60min；
2)将上述混合粉末加入高能球磨机罐体内进行球磨；
3)将上述球磨后的粉末进行分筛，分筛标准为：粒度小于200μm；
4)对基体表面进行喷砂粗化预处理；
5)采用冷喷涂方法，将步骤3得到的球磨粉末喷涂在基体上，喷涂层厚度为：100μm～50mm，由此得到颗粒增强金属基复合材料。
步骤2的球磨过程中无需专门保护气氛。
所述的金属粉末为Sn、Pb、Zn、Mg、Al、Ag，Ti、Cu、Fe、Ni、Co或Ta纯金属，以及Pb基合金、Al合金、Mg合金、Zn合金、Ti合金、Cu合金、Fe基合金、Ni基合金或Co基合金。
所述的硬质相粉末为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷、硫化物陶瓷、磷化物陶瓷、金刚石、石墨、准晶、非晶、金属间化合物、W、Mo、Cr、Fe-Si或Fe-P。
所述的硬质相粉末为长度小于500μm的碳纤维、硼纤维、氧化铝纤维、SiC纤维、W纤维或玻璃纤维。
所述的硬质相粉末是纳米颗粒团聚成的尺寸在微米级的粉末颗粒；或是先经过预球磨的细小硬质相。
有益效果
本发明提出的颗粒增强金属基复合材料的制备方法，采用高能球磨的方法制备喷涂粉末，一方面可以使硬质相分布更加均匀，另一方面还可以通过球磨细化金属基体晶粒，进一步提高所制备MMC材料性能。本发明方法制备的颗粒增强金属基复合材料组织致密，性能优异，即可制备涂层，也可实现零部件近净成形。该方法工艺简单、可控性好、生产成本低廉、生产效率高，有助于实现工业化应用。
附图说明
图1：为实施本发明所涉及的原始粉末形貌SEM照片；其中(a)为Al5356合金粉末，粒度5-63μm，(b)为TiN粉末，粒度11-45μm；
图2：为所述Al5356粉末与TiN粉末按照重量比50wt％(体积比32.7vol％TiN)混合后，经球磨后的形貌照片；其中(a)为SEM照片，(b)为局部放大SEM照片，(c)为典型颗粒断面抛光OM形貌照片；
图3：为采用图2所述球磨后粉末冷喷涂制备材料抛光断面SEM形貌照片。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
实施实例1：
选择金属基体材料为Al合金粉末(Al5356)，该粉末粒度为5-63μm；选择TiN粉末为硬质相颗粒，粒度为11-45μm；两种原始粉末形貌如图1所示，Al5356基本为球形，TiN为不规则多角形。
将所述Al5356粉末与TiN粉末按照重量比50wt％(体积比32.7vol％TiN)混合后，放入塑料瓶内，然后用混粉机混合30min。
粉末机械混合好后，取出加入到行星式球磨机的不锈钢球磨罐内。磨球为直径30mm的不锈钢球，不锈钢球与粉末配比大致为11∶40(5个磨球和400g粉末)，不加任何保护气氛。不锈钢球磨罐公转和自转速度均为300rpm，球磨机采用半小时球磨加半小时停止的工作方式(防止粉末过热)，共球磨80小时，有效球磨时间40小时。球磨后，将粉末取出，并采用63μm的不锈钢分样筛筛分，小于63μm的粉末用于冷喷涂。图2为经球磨后的形貌照片，可以看出，粉末形貌明显改变，配合图2(c)球磨颗粒断面抛光OM形貌，观察到TiN颗粒已经被破碎并团聚到Al5356颗粒周围，形成类似包覆形貌，但实际是TiN微细颗粒充分嵌入到Al5356颗粒表面层。
采用上述球磨粉末进行冷喷涂。冷喷涂工作气体为压缩空气，喷枪入口处气体压力为2.7MPa，气体温度为约500℃；送粉气体为氩气，压力3.0MPa，流量40NL/min；送粉速度大约20g/min；喷涂距离30mm；喷枪由机械手夹持，喷枪移动速度200mm/s。基体材料为45×25×4mm纯Al板以及做拉伸与磨损试验用Al棒(直径25.4mm，长度10mm)，冷喷涂前采用-24目白刚玉砂进行表面粗化处理。喷涂后得到厚度约2mm的涂层。图3为采用所述球磨后粉末冷喷涂制备MMC涂层断面SEM形貌。所制备MMC组织致密，气孔率小于1％。除了几个较大硬质相颗粒为，微细TiN颗粒均匀分布在Al5356颗粒周围。显微硬度为250.5±38.8Hv0.2，比纯Al基体的约35Hv0.2高的多。涂层结合强度大于50MPa(高于拉伸试验所用粘接剂强度，拉伸试验为ASM C633-01标准)。摩擦实验采用ball-on-disk干摩擦实验，载荷2N，摩擦速度0.2m/s，对偶样为直径6mm的100Cr6钢球，摩擦半径与磨擦距离分别为14mm与50m。涂层表面的摩擦系数约0.38，比纯Al的摩擦系数约0.84低的多，磨损率约为0.7×10-4mm3/(m·N)，比纯Al基体降低约两个数量级。
应当指出，采用本发明方法，通过成分设计，可制备出不同体积分数硬质相的金属基复合材料。本发明方法中冷喷涂工艺参数选择中，根据金属基材料的硬度不同，工作气体优先选择低成本的压缩空气，如所述的Sn、Pb、Zn、Mg、Al、Ag，Ti、Cu、Fe、Ni等纯金属及Pb基合金、Al合金、Mg合金、Zn合金等；当金属基材料为Co、Ta等纯金属基Ti合金、Cu合金、Fe基合金、Ni基合金、Co基合金等时，可选择氦气作为工作气体，以保证沉积效率大于30％；气体温度低于金属基材料的熔点，一般0.2～0.9Tm；气体压力可在0.5～3.5MPa之间，保证沉积效率大于30％。
实施实例2：
采用实施实例1中的球磨粉末。选择外径50mm、厚度4mm、长度100mm铝合金圆环做为基体，冷喷涂前采用24目白刚玉砂进行表面粗化处理。冷喷涂工作气体为压缩空气，喷枪入口处气体压力为2.7MPa，气体温度约为500℃；送粉气体为氩气，压力3.0MPa，流量40NL/min；送粉速度大约20g/min；喷涂距离50mm；喷枪由机械手夹持，上下移动速度10mm/s，上下移动距离50mm；基体旋转速度100rpm。喷涂后得到厚度约30mm涂层，截面为梯形，底部54mm(涂层与基体界面)，顶部约37mm(涂层表面)。
还应当指出，采用本发明方法，通过基体材料与硬质相材料选择及成分设计，可制备出不同体积分数硬质相的不同的金属基复合材料。
实施实例3：
选择金属基体材料为锡青铜合金粉末(Cu-8wt％Sn)，该粉末粒度为5-63μm；选择Al2O3粉末为硬质相颗粒，粒度为5-45μm；Cu-8wt％Sn基本为球形，Al2O3为不规则多角形。将所述Cu-8wt％Sn粉末与Al2O3粉末按照重量比30wt％(体积比48.5vol％Al2O3)混合后，放入塑料瓶内，然后用混粉机混合30min。粉末机械混合好后，取出加入到行星式球磨机的不锈钢球磨罐内。磨球为直径30mm的不锈钢球，不锈钢球与粉末配比大致为11∶40(5个磨球和400g粉末)，不加任何保护气氛。不锈钢球磨罐公转和自转速度均为300rpm，球磨机采用半小时球磨加半小时停止的工作方式(防止粉末过热)，共球磨60小时，有效球磨时间30小时。球磨后，将粉末取出，并采用63μm的不锈钢分样筛筛分，小于63μm的粉末用于冷喷涂。采用上述球磨粉末进行冷喷涂。冷喷涂工作气体为氦气，喷枪入口处气体压力为2.7MPa，气体温度为约500℃；送粉气体为氩气，压力3.0MPa，流量40NL/min；送粉速度大约30g/min；喷涂距离30mm；喷枪由机械手夹持，喷枪移动速度160mm/s。基体材料为45×25×4mm低碳钢板以及做拉伸与磨损试验用低碳钢棒(直径25.4mm，长度10mm)，冷喷涂前采用-24目白刚玉砂进行表面粗化处理。喷涂后得到厚度约0.6mm的涂层。所制备锡青铜复合材料组织致密，气孔率小于1％。除了几个较大硬质相颗粒，微细Al2O3颗粒均匀分布在涂层内。显微硬度为390.5±23.8Hv0.2。涂层结合强度大于50MPa(高于拉伸试验所用粘接剂强度，拉伸试验为ASM C633-01标准)。摩擦实验采用ball-on-disk干摩擦实验，载荷2N，摩擦速度0.2m/s，对偶样为直径6mm的100Cr6钢球，摩擦半径与磨擦距离分别为14mm与200m。涂层表面的摩擦系数约0.53，磨损率约为3.2×10-4mm3/(m·N)。
Claims (7)
1.一种颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于制备步骤如下：
1)选择粒度范围在5～250μm的金属粉末和粒度范围在5nm～100μm的硬质相粉末，按照体积百分比1～80vol％进行配粉，然后简单机械混合10～60min；
2)将上述混合粉末加入高能球磨机罐体内进行球磨；
3)将上述球磨后的粉末进行分筛，分筛标准为：粒度小于200μm；
4)对基体表面进行喷砂粗化预处理；
5)采用冷喷涂方法，将步骤3得到的球磨粉末喷涂在基体上，喷涂层厚度为：100μm～50mm，由此得到颗粒增强金属基复合材料。
2.根据权利要求1所述的颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤2的球磨过程中无需专门保护气氛。
3.根据权利要求1所述的颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的简单机械混合是采用混粉机，或放入一容器内手动摇晃混合。
4.根据权利要求1所述的颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的金属粉末为Sn、Pb、Zn、Mg、Al、Ag，Ti、Cu、Fe、Ni、Co或Ta纯金属，以及Pb基合金、Al合金、Mg合金、Zn合金、Ti合金、Cu合金、Fe基合金、Ni基合金或Co基合金。
5.根据权利要求1所述的颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的硬质相粉末为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷、硫化物陶瓷、磷化物陶瓷、金刚石、石墨、准晶、非晶、金属间化合物、W、Mo、Cr、Fe-Si或Fe-P。
6.根据权利要求1所述的颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的硬质相粉末为长度小于500μm的碳纤维、硼纤维、氧化铝纤维、SiC纤维、W纤维或玻璃纤维。
7.根据权利要求5或6所述的颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的硬质相粉末是纳米颗粒团聚成的尺寸在微米级的粉末颗粒；或是先经过预球磨的细小硬质相。
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