CN103436728A

CN103436728A - 强韧化金属基复合材料的方法

Info

Publication number: CN103436728A
Application number: CN2013103801632A
Authority: CN
Inventors: 王一光; 赵科
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2013-08-27
Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2033-08-27
Also published as: CN103436728B

Abstract

本发明公开了一种强韧化金属基复合材料的方法，用于解决现有金属基复合材料强度差的技术问题。技术方案是设计原料配比，纳米颗粒（<500纳米）和微米颗粒（1～30微米）的总体积分数为10～20%，纳米颗粒与微米颗粒的体积比为1:3～3:1，使用高能球磨工艺，球料质量比：10～20:1；先混合纳米颗粒和金属基体粉体，球磨时间为5～10小时，然后再添加微米颗粒，球磨时间>15小时；在两次混合过程中都要添加质量分数为5-10%的无水乙醇，通过球磨获得陶瓷颗粒均匀分散的混合粉体；然后使用真空热压烧结炉烧结高致密度的块体金属基复合材料。混掺纳米、微米颗粒能够使金属基复合材料同时获得更高的强度和更好的塑性。

Description

强韧化金属基复合材料的方法

技术领域

本发明涉及一种强韧化金属基复合材料的方法。

背景技术

金属基复合材料因其高强度、高模量、低密度等特点，被广泛应用于制作航空航天、汽车工业中的结构件、壳体和其它零部件。与纤维、晶须增强金属基复合材料相比，颗粒增强金属基复合材料同时还具有制备工艺简单、成本低廉、材料各向同性等优点，具有更加广泛的应用，同时是金属基复合材料领域的研究重点。目前研究、应用较为广泛的颗粒增强金属基复合材料中，主要以铝、镁、钛及其合金为基体材料，以SiC、Al₂O₃、TiC等颗粒为增强体，颗粒与基体之间具有强的界面结合，载荷能够均匀地由基体传递到颗粒上，极大地提高材料的比强度、比模量，但陶瓷颗粒阻碍基体的位错运动，复合材料的断裂方式发生改变，往往伴随着极差的韧性和塑性。为了满足更高要求的应用，如何提高材料的塑性和韧性，制备具有优良综合力学性能的复合材料，成为颗粒增强金属基复合材料领域的一个研究重点。

颗粒增强金属基复合材料的性能主要取决于基体、增强体本身的特性和相互间的界面结合情况，以及增强体的体积分数、形状、尺寸和在基体中的分布情况。改善塑性和韧性的主要途径有：改变增强颗粒的形状、体积分数和尺寸；增大基体的晶粒尺寸或者添加大尺寸晶粒的第三相；对所制备材料进行热处理。目前，能够在保持高强度的同时又明显改善塑性的方法鲜有报道，一般是以降低强度的代价提高塑性，或者略微改善，没有大的改变。颗粒的体积分数和尺寸对复合材料的性能具有显著的影响，当颗粒尺寸为纳米级，体积分数大于10%时，复合材料的塑性明显改善，但强度会有所降低，而微米级颗粒的添加会使复合材料的强度显著提高，但塑性很差，所以如果将纳米级和微米级的颗粒混合加入金属基体中，会获得同时具有高强度和良好塑性的复合材料。这一研究在国内外的相关报道很少，主要原因在于高体积分数的纳米颗粒存在严重的团聚现象，而且很难烧结致密化。

发明内容

为了克服现有金属基复合材料强度差的不足，本发明提供一种强韧化金属基复合材料的方法。该方法首先设计合理的原料配比，纳米颗粒（<500纳米）和微米颗粒（1～30微米）的总体积分数为10～20%，纳米颗粒与微米颗粒的体积比为1:3～3:1，使用高能球磨工艺，按照优化的工艺参数，球料质量比：10～20:1；先混合纳米颗粒和金属基体粉体，球磨时间为5～10小时，然后再添加微米颗粒，球磨时间>15小时；在两次混合过程中都要添加质量分数为5-10%的无水乙醇，通过球磨获得陶瓷颗粒均匀分散的混合粉体；然后使用真空热压烧结炉烧结高致密度的块体金属基复合材料。混掺纳米、微米颗粒能够使金属基复合材料同时获得更高的强度和更好的塑性。该方法适用于多种材料体系的颗粒增强金属基复合材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种强韧化金属基复合材料的方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、确定原料的配比，纳米颗粒粒径小于500纳米，微米颗粒粒径为1～30微米，纳米、微米混合颗粒的体积分数为10～20%，其中纳米颗粒与微米颗粒的体积比为1:3～3:1。

步骤二、将纳米颗粒和金属基体颗粒在氩气气氛中装入不锈钢球磨罐，钢球/粉体质量比为15：1，添加质量分数为5～10%的无水乙醇，在行星式球磨机上球磨5～10小时。然后将微米颗粒加入，同时添加质量分数为5～10%的无水乙醇，球磨时间>15小时，球磨转速为150转/分钟，获得混合粉体。

步骤三、将步骤二球磨好的混合粉体在真空热压炉中进行烧结，烧结温度在780～830℃之间，所加载荷为30～40kN，随炉冷却，得到微米、纳米颗粒混合增强金属基复合材料。

所述微米和纳米颗粒是SiC、Al₂O₃、AlN、B₄C、TiB₂、TiC、TiAl、Ti₃SiC₂、WC、ZrC或VC的任一种。

所述金属基体颗粒是Al、Mg、Ti、Cu、W、Mo、Cr、Ni、Nb、Fe或Zn的任一种。

本发明的有益效果是：该方法首先设计合理的原料配比，纳米颗粒（<500纳米）和微米颗粒（1～30微米）的总体积分数为10～20%，纳米颗粒与微米颗粒的体积比为1:3～3:1，使用高能球磨工艺，按照优化的工艺参数，球料质量比：10～20:1；先混合纳米颗粒和金属基体粉体，球磨时间为5～10小时，然后再添加微米颗粒，球磨时间>15小时；在两次混合过程中都要添加质量分数为5-10%的无水乙醇，通过球磨获得陶瓷颗粒均匀分散的混合粉体；然后使用真空热压烧结炉烧结高致密度的块体金属基复合材料。混掺纳米、微米颗粒能够使金属基复合材料同时获得更高的强度和更好的塑性。该方法适用于多种材料体系的颗粒增强金属基复合材料。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明方法Al₂O₃颗粒总体积分数一致时，不同比例纳米、微米颗粒增强铝基复合材料的真实应力-真实应变曲线。

图2是本发明方法不同比例微米、纳米颗粒混合增强铝基复合材料的真实应力-真实应变曲线，应变率为1500s^-1。

具体实施方式

参照图1-2。本发明强韧化金属基复合材料的方法的具体步骤如下：

实施例1。微米、纳米Al₂O₃颗粒混合增强纯铝基复合材料。

1、确定原料配比，分别制备5%Al₂O₃(50nm)-5%Al₂O₃(3μm)/Al、5%Al₂O₃(50nm)-10%Al₂O₃(3μm)/Al、10%Al₂O₃(50nm)-5%Al₂O₃(3μm)/Al、10%Al₂O₃(50nm)-10%Al₂O₃(3μm)/Al复合材料。

2、首先将纳米Al₂O₃颗粒和金属铝基体颗粒在氩气气氛保护的手套箱中密封于不锈钢球磨罐中，钢球/粉体质量比为15：1，添加质量分数为8%的无水乙醇，在行星式球磨机上球磨10小时，然后继续添加微米Al₂O₃颗粒粉体，同时添加质量分数为8%的无水乙醇，球磨20小时，球磨转速为150转/分钟，获得混合粉体。

3、将步骤1球磨好的混合粉体在真空热压炉中进行烧结，温度780℃，所加载荷为35kN，随炉冷却，得到微米、纳米Al₂O₃颗粒混合增强铝基复合材料。

使用孔隙率测试仪对烧结试样进行密度测试，确保烧结试样完全致密化。测试结果如表1所示。

表1不同比例微米、纳米颗粒混合增强铝基复合材料的密度

使用Hopkinson杆试验装置测试材料的动态压缩性能。试样尺寸为φ5×4mm，应变率选择1500s^-1，试验结果如图1、图2所示。从图1可以看出，当增强颗粒的体积分数一定时，与纯微米、纯纳米颗粒相比，纳米、微米混合颗粒使得复合材料具有更高的强度和更好的塑性；纳米、微米颗粒的比例不同，对复合材料的影响不同，微米颗粒所占比例较高时，复合材料的强度较高，但塑性变形稍差，而纳米颗粒所占比例较高时，则反之。该结果说明，纳米、微米颗粒混合增强金属基复合材料确实能够同时获得高的强度和好的塑性，具备优良的综合力学性能，作为结构材料可以获得更广泛的应用。图2所示为不同比例微米、纳米颗粒增强铝基复合材料的动态压缩性能，可以看出，在纳米颗粒的体积分数一定时，添加过高体积分数的微米颗粒，反而会降低复合材料整体的强度，其中起主导作用的是纳米颗粒的增强效果。对比不同总体分数颗粒增强复合材料的性能，可以发现，总体积分数为15%时，复合材料获得的综合性能最好，即同时具有较高的强度和较好的塑性。

实施例2。微米、纳米SiC颗粒混合增强纯铜基复合材料。

1、确定原料配比，分别制备5%SiC(50nm)-5%SiC(3μm)/Cu、5%SiC(50nm)-10%SiC(3μm)/Cu、10%SiC(50nm)-5%SiC(3μm)/Cu、10%SiC(50nm)-10%SiC(3μm)/Cu复合材料。

2、首先将纳米SiC颗粒和金属铜基体颗粒在氩气气氛保护的手套箱中密封于不锈钢球磨罐中，钢球/粉体质量比为10：1，添加质量分数为5%的无水乙醇，在行星式球磨机上球磨5小时，然后继续添加微米SiC颗粒粉体，同时添加质量分数为5%的无水乙醇，球磨16小时，球磨转速为150转/分钟，获得混合粉体。

3、将步骤1球磨好的混合粉体在真空热压炉中进行烧结，温度800℃，所加载荷为30kN，随炉冷却，得到微米、纳米Al₂O₃颗粒混合增强铝基复合材料。

实施例3。微米、纳米TiC颗粒混合增强纯铁基复合材料。

1、确定原料配比，分别制备5%TiC(50nm)-5%TiC(3μm)/Fe、5%TiC(50nm)-10%TiC(3μm)/Fe、10%TiC(50nm)-5%TiC(3μm)/Fe、10%TiC(50nm)-10%TiC(3μm)/Fe复合材料。

2、首先将纳米TiC颗粒和金属铁基体颗粒在氩气气氛保护的手套箱中密封于不锈钢球磨罐中，钢球/粉体质量比为20：1，添加质量分数为10%的无水乙醇，在行星式球磨机上球磨8小时，然后继续添加微米TiC颗粒粉体，同时添加质量分数为10%的无水乙醇，球磨25小时，球磨转速为150转/分钟，获得混合粉体。

3、将步骤1球磨好的混合粉体在真空热压炉中进行烧结，温度在830℃之间，所加载荷为40kN，随炉冷却，得到微米、纳米Al₂O₃颗粒混合增强铝基复合材料。

发明人对微米和纳米颗粒采用SiC、Al₂O₃、AlN、B₄C、TiB₂、TiC、TiAl、Ti₃SiC₂、WC、ZrC或VC。金属基体颗粒采用Al、Mg、Ti、Cu、W、Mo、Cr、Ni、Nb、Fe或Zn不同组合进行了实验研究，都取得了良好的效果。

Claims

1.一种强韧化金属基复合材料的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、确定原料的配比，纳米颗粒粒径小于500纳米，微米颗粒粒径为1～30微米，纳米、微米混合颗粒的体积分数为10～20%，其中纳米颗粒与微米颗粒的体积比为1:3～3:1；

步骤二、将纳米颗粒和金属基体颗粒在氩气气氛中装入不锈钢球磨罐，钢球/粉体质量比为10～20:1；，添加质量分数为5～10%的无水乙醇，在行星式球磨机上球磨5～10小时；然后将微米颗粒加入，同时添加质量分数为5～10%的无水乙醇，球磨时间>15小时，球磨转速为150转/分钟，获得混合粉体；

2.根据权利要求1所述的强韧化金属基复合材料的方法，其特征在于：所述微米和纳米颗粒是SiC、Al₂O₃、AlN、B₄C、TiB₂、TiC、TiAl、Ti₃SiC₂、WC、ZrC或VC的任一种。

3.根据权利要求1所述的强韧化金属基复合材料的方法，其特征在于：所述金属基体颗粒是Al、Mg、Ti、Cu、W、Mo、Cr、Ni、Nb、Fe或Zn的任一种。