CN101838755A

CN101838755A - 局域化颗粒增强金属基复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101838755A
Application number: CN 201010199507
Authority: CN
Inventors: 张文龙; 顾明元; 李志强
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2010-06-13
Filing date: 2010-06-13
Publication date: 2010-09-22

Abstract

一种金属基复合材料技术领域的局域化颗粒增强金属基复合材料及其制备方法，通过机械球磨将碳化硅颗粒和金属基体复合成复合颗粒，然后经合金浸渗或粉末冶金形成局域化颗粒增强金属基复合材料。本发明制备得到的复合材料具有高的韧性，并且材料呈现各向同性力学性能；可以采用液态浸渗法制备，又可以采用粉末冶金法制备，制备方法灵活，选择性大；该复合材料中的复合颗粒可以利用高体积复合材料的机加工废屑作为复合颗粒，有利于废弃复合材料的回收再利用。

Description

局域化颗粒增强金属基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种金属基复合材料技术领域的材质及制备方法，具体是一种断裂韧性为26.4MP·m^1/2～30.5MP·m^1/2围内的局域化颗粒增强金属基复合材料及其制备方法。

背景技术

非连续增强金属基复合材料是增强相和金属复合而成的一类材料，具有高的比强度和比刚度，耐磨，力学和物理性能可设计性强等优点，广泛用于航空航天、汽车和电子封装等领域。其主要不足是韧性不高。为解决韧性不高问题，复合后二次加工增韧、宏观结构韧化以及局域化增韧方法曾被使用。复合后二次加工增韧余地有限。复合后二次加工增韧和结构韧化均导致材料呈现各向异性。局域化增韧方法制备的复合材料具有各向同性的优点，但现有的局域化设计没实现增韧目的，主要是由于增强体密集分布后应力集中问题无法克服。

经对现有技术的文献检索发现，Journal of Microscopy(2001，201(Pt2)：333-338)上公开了一篇题为Novel MMC microstructure with tailored distribution of the reinforcingphase的文章(具有定制的增强相分布的新颖金属基复合材料结构)。该技术通过在聚乙烯容器中，在没有研磨介质情况下，以80转/分的速度，使氧化铝短纤维进行翻跟头(tumbling)，筛分后，用钢模将合适尺寸氧化铝短纤维团聚物压成体积分数为10％的具有局域团聚增强体预制件，然后用挤压铸造法将液态6061铝合金浸渗到预制件中。该类复合材料中无论是颗粒密集区还是无颗粒区只有同一种金属基体，无法克服增强体局域化分布导致的应力集中问题，增韧效果不好。由于复合前预制件中仅含有陶瓷颗粒，该设计的复合材料只能采用液态浸渗方法制备。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种局域化颗粒增强金属基复合材料及其制备方法，以解决非连续增强金属基复合材料韧性不足问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种局域化颗粒增强金属基复合材料的制备方法，通过机械球磨将碳化硅颗粒和金属基体复合成复合颗粒，然后经合金浸渗或粉末冶金形成局域化颗粒增强金属基复合材料。

所述的机械球磨是指：将碳化硅颗粒与金属基体以1∶1的体积比混合后，加入20∶1球料比的不锈钢球混合后置于球磨罐中进行球磨。

所述的金属基体是指：纯铝、纯镁或纯钛。

所述的不锈钢球中一半数量为12毫米直径，另一半数量为6毫米直径。

所述的球磨是指：在真空环境下通氩气保护，采用行星式球磨机，先用64转/分混料20分钟，然后提高到426转/分的速度运转，球磨机每60分钟进行交替运行并球磨8小时。

所述的粉末冶金是指：将复合颗粒置于铝包套中进行200℃脱气1小时，再在350℃脱气2小时，然后在铝包套密封的情况下在热等静压炉中以460℃热等静压4小时。

所述的合金浸渗是指：将复合颗粒压制成预制件后放入真空压力浸渗炉中进行液态高强金属合金的浸渗。

所述的预制件压制是指：向复合颗粒中滴入PCA粘结剂并经分散均匀，然后放入模具中压制成112.09毫米高的预制件。

所述的浸渗是指：当金属基体为纯铝时，采用真空压力浸渗炉中将预制件预热至550℃后，将LY12合金加热至780℃，抽真空后关闭真空开关并对炉腔充压至7.0-9.0MPa。

本发明涉及上述方法制备得到的局域化颗粒增强金属基复合材料，其组分及其体积分数为：20％的碳化硅颗粒、20％的铝元素、镁元素或钛元素中的一种以及60％的LY12合金或AZ91D合金。

所述的复合材料的断裂韧性为26.4MP·m^1/2～30.5MP.m^1/2。

本发明的制备原理在于：由于低强度基体的高的塑性，通过塑性变形能够较大程度地释放密集区中的应力，同时增强体密集区外的高强金属具有高的承载能力，通过高强合金分担载荷，可进一步缓解密集区的应力集中。增强体密集区中的金属基体和区外高强度合金这种联合作用效应，使得具有该结构的局域化复合材料的韧性较传统的非连续金属基复合材料的韧性大大提高，更远高于现有的局域化设计金属基复合材料。

与现有技术相比，本发明制备得到的复合材料具有高的韧性，并且材料呈现各向同性力学性能；可以采用液态浸渗法制备，又可以采用粉末冶金法制备，制备方法灵活，选择性大；该复合材料中的复合颗粒可以利用高体积复合材料的机加工废屑作为复合颗粒，有利于废弃复合材料的回收再利用。

附图说明

图1为实施例示意图。

图2为图1中复合颗粒示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括以下步骤：

第一步：称200目纯铝粉68.64克，平均粒径为20μm的碳化硅颗粒81.36克，硬脂酸6克(过程促进剂)，不锈钢球3千克(直径为12毫米和6毫米的各半)放到球磨罐中(即球料比为20∶1)，抽真空后通氩气保护。将球磨罐放到QM-1SP4行星式球磨机(南京大学仪器厂)中，牢固固定后，先用64转/分混料20分钟，然后提高到426转/分的速度运转，球磨机每60分钟进行交替运行。球磨8小时，得到碳化硅颗粒体积分数为50％的复合颗粒。

第二步：称200目LY12合金铝粉205.95克，和上述制得的复合颗粒一起放入球磨机中，用64转/分混料60分钟，然后将混合好的粉末取出，装入铝包套中进行200℃脱气1小时，再在350℃脱气2小时。脱气后将铝包套密封。

第三步：将上述密封的铝包套放到热等静压炉中，在460℃热等静压4小时。

如图2所示，本实施例制备得到的复合材料的组分及含量为：组分包括碳化硅颗粒，纯铝和LY12合金，其中：碳化硅体积分数为20％，纯铝体积分数为20％，LY12体积分数为60％。

经过上述三个步骤，可以制备出致密的碳化硅颗粒总体积分数为20％的局域化分布碳化硅颗粒增强铝基复合材料。该复合材料为各向同性，其断裂韧性为32.6MP·m^1/2，远高于相同体积分数均匀分布的碳化硅颗粒增强铝基复合材料(断裂韧性约为20MP·m^1/2)。

实施例2

本实施例包括以下步骤：

第一步：称200目纯铝粉68.64克，平均粒径为20μm的碳化硅颗粒81.36克，硬脂酸6克(过程促进剂)，不锈钢球3千克(直径为12毫米和6毫米的各半)放到球磨罐中(即球料比为20∶1)，抽真空后通氩气保护。将球磨罐放到QM-1SP4行星式球磨机中，牢固固定后，先用64转/分混料20分钟，然后提高到426转/分的速度运转，球磨机每60分钟进行交替运行。球磨8小时，得到碳化硅颗粒体积分数为50％的复合颗粒。

第二步：向上述复合颗粒中加5滴PCA粘结剂，分散均匀，然后放入φ38×50的模具中压制，压成112.09毫米高的预制件。

第三步：将上述制得的预制件放入真空压力浸渗炉中进行液态LY12合金的浸渗。浸渗工艺为：预制件预热温度为550℃，液态硬铝LY12加热温度780℃，抽真空后，关闭真空系统，然后对炉腔充压，压力为7.0-9.0MPa。

本实施例制备得到的复合材料的组分及含量为：组分包括碳化硅颗粒，纯铝和LY12合金，其中：碳化硅体积分数为20％，纯铝体积分数为20％，LY12体积分数为60％。

经过上述三个步骤，可以制备出致密的碳化硅总体积分数为20％的局域化分布碳化硅颗粒增强铝基复合材料。该复合材料为各向同性，其断裂韧性为30.5MP·m^1/2，远高于相同体积分数均匀分布的碳化硅颗粒增强铝基复合材料(断裂韧性约为20MP·m^1/2)。

实施例3

本实施例包括以下步骤：

第一步：称200目纯镁粉51.21克，平均粒径为20μm的碳化硅颗粒73.85克，硬脂酸6克(过程促进剂)，不锈钢球3千克(直径为12毫米和6毫米的各半)放到球磨罐中(即球料比为20∶1)，抽真空后通氩气保护。将球磨罐放到QM-1SP4行星式球磨机中，牢固固定后，先用64转/分混料20分钟，然后提高到426转/分的速度运转，球磨机每60分钟进行交替运行。球磨8小时，得到碳化硅颗粒体积分数为45％的复合颗粒。

第二步：称200目AZ91D合金镁粉116.40克，和上述制得的复合颗粒一起放入球磨机中，用64转/分混料60分钟，然后将混合好的粉末取出，装入铝包套中进行200℃脱气1小时，再在350℃脱气2小时。脱气后将铝包套密封。

本实施例制备得到的复合材料的组分及含量为：组分包括碳化硅颗粒，纯镁和AZ91D合金，其中：碳化硅体积分数为20％，纯铝体积分数为20％，AZ91D体积分数为60％。

经过上述三个步骤，可以制备出致密的总体积分数为20％的局域化分布碳化硅颗粒增强镁基复合材料。该复合材料为各向同性，其断裂韧性为26.41MP·m^1/2，远高于相同体积分数均匀分布的碳化硅颗粒增强镁基复合材料(断裂韧性约为17MP·m^1/2)。

表1给出了本实施例制备的局域复合材料与传统均匀分布复合材料断裂韧性直接对比，从表中可见，由于本实施例方法中的局域化分布和两种不同强度基体(纯金属和合金)的搭配形成的这种特殊结构和组成，导致本实施例的复合材料的断裂韧性明显高于同类同体积分数传统均匀分布复合材料的断裂韧性。

表1本实施例制备的局域复合材料与传统均匀分布复合材料断裂韧性对比

复合材料种类	本实施例制备的局域复合材料-20％碳化硅增强铝基复合材料	传统均匀分布20％碳化硅增强铝基复合材料	本实施例制备的局域复合材料-20％碳化硅增强镁基复合材料	传统均匀分布20％碳化硅增强镁基复合材料
复合材料种类	本实施例制备的局域复合材料-20％碳化硅增强铝基复合材料	传统均匀分布20％碳化硅增强铝基复合材料	本实施例制备的局域复合材料-20％碳化硅增强镁基复合材料	传统均匀分布20％碳化硅增强镁基复合材料	断裂韧性，MP·m^1/2	30.5-32.6	20	26.41	17

Claims

1.一种局域化颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，通过机械球磨将碳化硅颗粒和金属基体复合成复合颗粒，然后经合金浸渗或粉末冶金形成局域化颗粒增强金属基复合材料。

2.根据权利要求1所述的局域化颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征是，所述的机械球磨是指：将碳化硅颗粒与金属基体以1∶1的体积比混合后，加入20∶1球料比的不锈钢球混合后置于球磨罐中进行球磨。

3.根据权利要求1或2所述的局域化颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征是，所述的金属基体是指：纯铝、纯镁或纯钛。

4.根据权利要求2所述的局域化颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征是，所述的不锈钢球中一半数量为12毫米直径，另一半数量为6毫米直径。

5.根据权利要求1或2所述的局域化颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征是，所述的球磨是指：在真空环境下通氩气保护，采用行星式球磨机，先用64转/分混料20分钟，然后提高到426转/分的速度运转，球磨机每60分钟进行交替运行并球磨8小时。

6.根据权利要求1所述的局域化颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征是，所述的粉末冶金是指：将复合颗粒置于铝包套中进行200℃脱气1小时，再在350℃脱气2小时，然后在铝包套密封的情况下在热等静压炉中以460℃热等静压4小时。

7.根据权利要求1所述的局域化颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征是，所述的合金浸渗是指：将复合颗粒压制成预制件后放入真空压力浸渗炉中进行液态高强金属合金的浸渗。

8.根据权利要求1所述的局域化颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征是，所述的预制件压制是指：向复合颗粒中滴入PCA粘结剂并经分散均匀，然后放入模具中压制成112.09毫米高的预制件。

9.根据权利要求1所述的局域化颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征是，所述的浸渗是指：当金属基体为纯铝时，采用真空压力浸渗炉中将预制件预热至550℃后，将LY12合金加热至780℃，抽真空后关闭真空开关并对炉腔充压至7.0-9.0MPa。

10.一种根据权利要求1所述的方法制备得到的局域化颗粒增强金属基复合材料，其组分及其体积分数为：20％的碳化硅颗粒、20％的铝元素、镁元素或钛元素中的一种以及60％的LY12合金或AZ91D合金。