CN102134664A - 一种均匀弥散颗粒增强金属基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以材料大塑性变形理论为依据，通过对颗粒增强金属基复合材料的大塑性/累积变形加工，使团聚在金属基体中的第二相颗粒均匀分布(弥散)于基体中，再经后续加工制得颗粒增强金属基复合材料制品(杆材、线材、片材或带材、或零部件)，提高颗粒增强复合材料质量和成材率、降低材料加工成本。获得具有第二相颗粒均匀分布特点、性能优良的颗粒增强金属基复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及金属基复合材料科学领域，特别是涉及均匀弥散颗粒增强金属基复合材料中第二相的加工技术。
背景技术
颗粒增强金属基复合材料(Particulate Reinforced Metal Matrix Composites，简称PRMMC)是金属基复合材料中的一类，是将陶瓷颗粒第二相(增强相)外加或自生进入金属基体中得到兼有金属优点(韧性和塑性)和增强颗粒优点(高硬度和高模量)的复合材料。
公知的颗粒增强金属基复合材料的制备方法主要有粉未冶金法、铸造法(预制块渗流法、机械搅拌法、高能超声复合法等)、原位复合法(LanxidTM法、放热弥散法、原位合成技术等)等，几种方法各有不足。粉末冶金法的缺点是工艺程序多，制备周期长，成本高，难以获得大尺寸及形状复杂件，且颗粒与基体的界面润湿性差、颗粒与基体间容易形成孔洞等缺陷，导致颗粒与基体的界面结合强度降低，影响了材料的使用性能；铸造法的缺点是不能兼顾增强颗粒的含量与均匀性，制备出的金属基复合材料性能一般较差，易带铸造缺陷；原位复合法的缺点是第二相颗粒极易在基体中形成偏聚，影响材料的加工性能。
颗粒增强金属基复合材料并没有如所预期的迅速得到广泛应用，究其原因主要包括：
(1)在颗粒增强金属基复合材料中，第二相颗粒与基体的物理性质类别差别很大，极易造成材料内部的应力不匹配；
(2)在颗粒增强金属基复合材料中，第二相颗粒的团聚或偏聚(暨显微组织不均匀)加剧了这种应力不匹配；
(3)对于显微组织不均匀的颗粒增强金属基复合材料，暨局部应力集中的颗粒增强金属基复合材料，在加工过程中因应力集中而导致复合材料的加工失效(产生加工裂纹，甚至断裂)，降低了该类材料的加工成品率；
(4)由于颗粒团聚或偏聚的第二相颗粒，在加工过程中也造成材料内部加工应力的集中，造成材料加工流变过程中应力分布的不均匀，容易导致加工过程中第二相颗粒的不均匀分布，使材料在加工过程中出现龟裂或脱皮现象，降低了材料品质；
(5)在颗粒增强金属基复合材料中，第二相颗粒的团聚或偏聚对塑性变形过程中材料内部位错的迁移有很强的阻碍作用，第二相颗粒对位错的钉扎作用引起的材料硬化现象，导致了颗粒增强金属基复合材料难以变形加工。
正是由于这些原因，造成颗粒增强金属基材料成材率低，造价昂贵，材料使用性能欠佳。
发明内容
本发明的目的是针对公知技术存在的不足而提出的一种新方法，该方法以材料大塑性变形理论为依据，通过对颗粒增强金属基复合材料的大塑性/累积变形加工，使团聚在金属基体中的第二相颗粒均匀分布(弥散)于基体中，再经后续加工制得颗粒增强金属基复合材料制品(杆材、线材、片材或带材、或零部件)，提高颗粒增强复合材料质量和成材率、降低材料加工成本。
本发明的另一目的是提供通过常规装备对颗粒增强金属基复合材料进行大塑性变形加工的技术，获得具有第二相颗粒均匀分布特点、性能优良的颗粒增强金属基复合材料。
本发明是通过下面的技术方案实现的。1、一种均匀弥散颗粒增强金属基复合材料，其特征在于：颗粒增强金属基复合材料组成范围为：基体材料为银基体、钛基体、铜基体、铝基体、铅基体、锌基体或铂族金属基体，第二相即增强相的颗粒材料为：Al2O3、SnO2、ZrO2、TiO2、ERO即稀土氧化物、TiB2、SiC、B4C、AlN或Si3N4，按照质量百分比计，第二相即增强相颗粒在各类基体中的含量第范围为：0.1～40％。
所述的金属基复合材料为AgCeO2复合材料、Cu/Al2O3复合材料、Pb/B4C复合材料、AgY2O3复合材料、Al/Al2O3复合材料或Rh/ZrO2复合材料。
所述的AgCeO2复合材料中CeO2质量百分比为10％；Cu/Al2O3复合材料中Al2O3质量百分比为3％；Pb/B4C复合材料中B4C质量百分比为4％；AgY2O3复合材料中Y2O3质量百分比为10％；Al/Al2O3复合材料中Al2O3质量百分比为8％；Rh/ZrO2复合材料中ZrO2质量百分比为0.3％。
对常规方法制成的颗粒增强金属基复合材料坯料进行大塑性/累积变形加工，达到材料真应变达到或超过10.0的变形量，使团聚在金属基体中的第二相颗粒均匀弥散分布于基体中，再经后续加工制得颗粒增强金属基复合材料制品。
所述的大塑性/累积变形加工是指轧制变形加工或挤压变形加工
所述的轧制变形加工是：针对板/带材的颗粒增强金属基复合材料坯料，采用多层坯料叠轧方式进行轧制变形，每次变形以单层坯料厚度的变形量为计算单元，经过多次叠轧，轧制温度的范围200～1000℃；所述的挤压变形加工是：针对棒/线材的颗粒增强金属基复合材料坯料，采用多次挤压方式进行挤压变形，每次变形以单根坯料直径的变形量为计算单元，经过多次挤压，直至累积变形的真应变达到10.0及以上。挤压温度的范围400～1000℃。
所述的常规方法为反应合成法、内氧化法、粉末冶金法、铸造法或内氧化法。
所述的后续加工是轧制、挤压、拉拔或锻造；复合材料制品是杆材、线材、片材或带材、或零部件。
所述的金属基复合材料为AgCeO2复合材料、Cu/Al2O3复合材料、Pb/B4C复合材料、AgY2O3复合材料、Al/Al2O3复合材料或Rh/ZrO2复合材料。
所述的AgCeO2复合材料中CeO2质量百分比为10％；Cu/Al2O3复合材料中Al2O3质量百分比为3％；Pb/B4C复合材料中B4C质量百分比为4％；AgY2O3复合材料中Y2O3质量百分比为10％；Al/Al2O3复合材料中Al2O3质量百分比为8％；Rh/ZrO2复合材料中ZrO2质量百分比为0.3％。
与共知技术相比所具有的优点及积极效果：
1.充分利用颗粒增强金属基复合物材料可以进行传统塑性变形的特点，通过累积塑性变形，使复合材料中团聚/偏聚的第二相颗粒均匀分布于基体中，改善了第二相颗粒在基体中的分布状态，有利于发挥复合材料的综合性能。
2.使用常规轧机、挤压机组，实现颗粒增强金属基复合材料的累积大塑性变形，不需要昂贵的大变形设备投入、工艺过程容易控制，有利于颗粒增强金属基复合材料的规模化生产。
3.通过本发明实施的颗粒增强金属复合材料的加工技术，不仅使第二相颗粒均匀分布于基体中，而且基体的显微组织也得到均匀化，明显降低了复合材料中应力分布不均匀的问题，对颗粒增强金属基复合材料的加工带来积极的作用。
附图说明
图1是本发明工艺流程图。
具体实施方式
下面以实例进一步说明本发明的实质内容，但本发明的内容并不限于此。根据图1的本发明的工艺流程图，将各种方法制成的颗粒增强金属基复合材料坯料通过累积轧制、或累积挤压，获得材料真应变达到或超过10.0的变形量。再将变形加工后的复合材料通过压制成型的方法重新制成坯料，按照颗粒增强金属基复合材料的常规加工技术，如轧制、挤压、拉拔、锻造等技术将坯料制成满足用户要求的产品。
一、颗粒增强金属基复合材料组成范围
基体材料的种类：
银基体、钛基体、铜基体、铝基体、铅基体、锌基体、铂族金属基体等。
第二相(增强相)颗粒的种类：
Al2O3、SnO2、ZrO2、TiO2、ERO(稀土氧化物)、TiB2、SiC、B4C、WC、AlN、Si3N4等。
第二相(增强相)颗粒在各类基体中的含量：
按照质量百分比，第二相(增强相)颗粒在各类基体中的含量范围为：0.1～40％。
二、技术条件
①轧制变形工艺
针对板/带材的颗粒增强金属基复合材料坯料，采用多层坯料叠轧方式进行轧制变形，每次变形以单层坯料厚度的变形量为计算单元，经过多次叠轧，直至累积变形的真应变达到10.0及以上。
根据所进行变形的复合材料性质选定轧机和轧制温度，一般情况下，轧制温度的范围控制在200～1000℃，视复合材料中基体材料的熔点而定。
②挤压变形工艺
针对棒/线材的颗粒增强金属基复合材料坯料，采用多次挤压方式进行挤压变形，每次变形以单根坯料直径的变形量为计算单元，经过多次挤压，直至累积变形的真应变达到10.0及以上。
根据所进行变形的复合材料性质选定挤压机和挤压温度，一般情况下，挤压温度的范围控制在400～1000℃，视复合材料中基体材料的熔点而定。
实施例1
将反应合成法制成的AgCeO2复合材料(CeO2质量百分比为10％)锭坯通过挤压制成厚度为5.0mm的板坯，将此板坯截断为四节，叠成厚度为20.0mm的轧制坯料，坯料经过860℃×3h的加热后送入轧机，轧制成5.0mm轧制变形后的坯料。再将轧制变形后的坯料按照上述工艺进行处理，反复轧制八次，复合材料的真应变达到11.09，成为第二相弥散均匀的AgCeO2复合材料板坯，将此板坯经过800℃×1h加热后，热轧至厚度为0.5mm的带材产品，也可以将此板坯通过冷轧成为1.0mm的带材产品。按照同样的工艺，还可对粉末冶金或反应合成法制成的AgSnO2复合材料(SnO2质量百分比为10％)进行加工。
实施例2
将内氧化制成的Cu/Al2O3复合材料(Al2O3质量百分比为3％)锭坯通过挤压制成厚度为10.0mm的板坯，将此板坯截断为五节，叠成厚度为50.0mm的轧制坯料，坯料经过830℃的加热后送入轧机，轧制成10.0mm轧制变形后的坯料。再将轧制变形后的坯料按照上述工艺进行处理，反复轧制七次，复合材料的真应变达到11.3，成为第二相弥散均匀的Cu/Al2O3复合材料板坯，将此板坯经过冷轧至厚度为1.0～5.0mm的带材产品。
实施例3
将粉末冶金法制成的Pb/B4C复合材料(B4C质量百分比为4％)板坯通过轧制制成厚度为10.0mm的板坯，将此板坯截断为四节，叠成厚度为40.0mm的轧制坯料，坯料经过450℃的加热后送入轧机，轧制成10.0mm轧制变形后的坯料。再将轧制变形后的坯料按照上述工艺进行处理，反复轧制八次，复合材料的真应变达到11.09，成为第二相弥散均匀的Pb/B4C复合材料板材产品。
实施例4
将反应合成法制成的AgY2O3复合材料(Y2O3质量百分比为10％)锭坯，通过挤压制成直径为4.0mm的线坯，将此线坯截断，再经过850℃的热压成型，制成挤压坯，挤压坯料经过860℃×4h的加热后送入挤压机，挤压成直径为4.0mm的坯料。再将挤压变形后的坯料按照上述工艺进行处理，反复挤压4次，复合材料的真应变超过10.0，成为第二相弥散均匀的AgY2O3复合材料线坯。将此线坯经过冷拉拔，制成直径1.8～0.4mm的线/丝材产品。按照同样的工艺，还可对粉末冶金或反应合成法制成的AgSnO2复合材料(SnO2质量百分比为10％)进行加工。
实施例5
将铸造法制成的Al/Al2O3复合材料(Al2O3质量百分比为8％)锭坯，通过挤压制成直径为4.0mm的线坯，将此线坯截断，再经过550℃的热压成型，制成挤压坯，挤压坯料经过560℃×3h的加热后送入挤压机，挤压成直径为4.0mm的坯料。再将挤压变形后的坯料按照上述工艺进行处理，反复挤压4次，复合材料的真应变超过10.0，成为第二相弥散均匀的AgY2O3复合材料线坯。再将此线坯截断，经过550℃热压成型，制成轧制坯，经过轧制变形，冷制成厚度3.0～10.0mm的板/带材产品。
实施例6
将内氧化法制成的Rh/ZrO2复合材料(ZrO2质量百分比为0.3％)片材(0.5mm厚)，叠成厚度为20.0mm的轧制坯料，坯料经过960℃的加热后送入轧机，轧制成0.5mm轧制变形后的坯料。再将轧制变形后的坯料按照上述工艺进行处理，反复轧制三次，复合材料的真应变达到11.06，成为第二相弥散均匀的Rh/ZrO2复合材料板坯，将此板坯经过900℃热轧至厚度为5.0～15.0mm的板材产品。
本发明通过对颗粒增强金属基复合材料的大塑性/累积变形加工，使团聚在金属基体中的第二相颗粒均匀分布(弥散)于基体中，再经后续加工制得颗粒增强金属基复合材料制品(杆材、线材、片材或带材、或零部件)，提高颗粒增强复合材料质量和成材率、降低材料加工成本。获得具有第二相颗粒均匀分布特点、性能优良的颗粒增强金属基复合材料。
Claims (10)
1.一种均匀弥散颗粒增强金属基复合材料，其特征在于：颗粒增强金属基复合材料组成范围为：基体材料为银基体、钛基体、铜基体、铝基体、铅基体、锌基体或铂族金属基体，第二相即增强相的颗粒材料为：Al2O3、SnO2、ZrO2、TiO2、ERO即稀土氧化物、TiB2、SiC、B4C、AlN或Si3N4，按照质量百分比计，第二相即增强相颗粒在各类基体中的含量第范围为：0.1～40％。
2.根据权利要求1所述的均匀弥散颗粒增强金属基复合材料，其特征在于：所述的金属基复合材料为AgCeO2复合材料、Cu/Al2O3复合材料、Pb/B4C复合材料、AgY2O3复合材料、Al/Al2O3复合材料或Rh/ZrO2复合材料。
3.根据权利要求2所述的均匀弥散颗粒增强金属基复合材料，其特征在于：所述的AgCeO2复合材料中CeO2质量百分比为10％；Cu/Al2O3复合材料中Al2O3质量百分比为3％；Pb/B4C复合材料中B4C质量百分比为4％；AgY2O3复合材料中Y2O3质量百分比为10％；Al/Al2O3复合材料中Al2O3质量百分比为8％；Rh/ZrO2复合材料中ZrO2质量百分比为0.3％。
4.一种均匀弥散颗粒增强金属基复合材料中第二相的制备方法，其特征在于：对常规方法制成的颗粒增强金属基复合材料坯料进行大塑性/累积变形加工，达到材料真应变达到或超过10.0的变形量，使团聚在金属基体中的第二相颗粒均匀弥散分布于基体中，再经后续加工制得颗粒增强金属基复合材料制品。
5.根据权利要求4所述的均匀弥散颗粒增强金属基复合材料中第二相的制备方法，其特征在于：所述的大塑性/累积变形加工是指轧制变形加工或挤压变形加工
6.根据权利要求5所述的均匀弥散颗粒增强金属基复合材料中第二相的制备方法，其特征在于：所述的轧制变形加工是：针对板/带材的颗粒增强金属基复合材料坯料，采用多层坯料叠轧方式进行轧制变形，每次变形以单层坯料厚度的变形量为计算单元，经过多次叠轧，轧制温度的范围200～1000℃；所述的挤压变形加工是：针对棒/线材的颗粒增强金属基复合材料坯料，采用多次挤压方式进行挤压变形，每次变形以单根坯料直径的变形量为计算单元，经过多次挤压，直至累积变形的真应变达到10.0及以上。挤压温度的范围400～1000℃。
7.根据权利要求4所述的均匀弥散颗粒增强金属基复合材料中第二相的制备方法，其特征在于：所述的常规方法为反应合成法、内氧化法、粉末冶金法、铸造法或内氧化法。
8.根据权利要求4所述的均匀弥散颗粒增强金属基复合材料中第二相的制备方法，其特征在于：所述的后续加工是轧制、挤压、拉拔或锻造；复合材料制品是杆材、线材、片材或带材、或零部件。
9.根据权利要求4所述的均匀弥散颗粒增强金属基复合材料中第二相的制备方法，其特征在于：所述的金属基复合材料为AgCeO2复合材料、Cu/Al2O3复合材料、Pb/B4C复合材料、AgY2O3复合材料、Al/Al2O3复合材料或Rh/ZrO2复合材料。
10.根据权利要求9所述的均匀弥散颗粒增强金属基复合材料中第二相的制备方法，其特征在于：所述的AgCeO2复合材料中CeO2质量百分比为10％；Cu/Al2O3复合材料中Al2O3质量百分比为3％；Pb/B4C复合材料中B4C质量百分比为4％；AgY2O3复合材料中Y2O3质量百分比为10％；Al/Al2O3复合材料中Al2O3质量百分比为8％；Rh/ZrO2复合材料中ZrO2质量百分比为0.3％。
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