CN103866154A - 一种复合材料中微纳米颗粒增强相的弥散分布方法 - Google Patents

Abstract

一种复合材料中微纳米颗粒增强相的弥散分布方法，其特征在于步骤依次为：（1）首先将微纳米颗粒增强相与基体粉体采用机械球磨法进行球磨，以提高微纳米颗粒增强相与金属熔体的润湿性；（2）金属熔体熔化后加入球磨后的混合粉体，待粉体和金属熔体混合后利用超声场或超声和电磁的复合场对熔体进行处理；（3）然后冷却成型或浇注成型，制备出微纳米颗粒增强相弥散分布的金属基复合材料。它实现了SiC、WC、Al₄C₃、B₄C、ZrB₂、TiB、Al₂O₃、AlN等陶瓷颗粒中的一种或一种以上的颗粒在铝合金、镁合金等金属材料中实现弥散分布，利用该方法制备出致密性好、性能均匀的高品质微纳米颗粒增强金属基复合材料。

Description

一种复合材料中微纳米颗粒增强相的弥散分布方法

技术领域

本发明涉及一种在金属复合材料制备过程中微纳米颗粒增强相的添加方法，具体是利用机械球磨技术对微纳米颗粒增强相进行润湿性处理，然后利用超声场或超声场和电磁场的复合外场促使微纳米颗粒增强相在金属熔体中弥散分布方法。

背景技术

随着现代科学技术的进步，特别是航天航空技术的高速发展和大规模原子能利用、海洋开发等新兴工业的出现，对结构材料提出了越来越高的要求，传统的金属或合金材料难以满足使用要求。与传统的金属材料相比，金属基复合材料由于具有高的比强度、比模量、耐高温、耐磨等特殊性能引起了各国材料研究者的高度重视。美国、日本和德国等发达国家曾将这类材料的研究列为21世纪新材料开发的重点，金属基复合材料早已成为当今世界范围内材料科学的一个重要主攻方向。

目前颗粒增强复合材料的主要制备方法有：粉末冶金法、搅拌铸造法、液态金属浸渗法、喷射沉积法等。其中粉末冶金法和喷射沉积法颗粒增强相分布比较均匀，但复合材料致密性差、工序复杂、设备要求苛刻。搅拌铸造法相对比较简单，但颗粒增强体分布均匀性差。液态金属浸渗法应用范围有限，而且增强体制备复杂。

专利号US3740210提出了一种制备弥散强化A1₂0₃/Al复合材料，其制备方法是将铝粉、氧化铝粉和表面活性剂进行球磨复合，由于复合工艺过程中采用了表面活性剂，不利于随后复合粉末压制，降低了复合材料的性能。

专利号200510013360.6提出了一种陶瓷颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，其制备方法采用熔体搅拌铸造法，按照配料→熔化基体→加入增强颗粒→熔炼→变质处理→搅拌→浇注→热处理工艺流程进行，该方法工艺简单，但复合材料中增强颗粒分布均匀性差，而且机械搅拌中会带入杂质等，降低复合材料的综合性能。

专利号CN 97121945.1提出陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其方法是将陶瓷颗粒用助浸剂氟酸盐处理后烘干，处理过的陶瓷颗粒放在坩埚底部，保温一段时间后进行平稳搅拌，将铝液浇入铸型，该发明改善了铝液对陶瓷颗粒表面的润湿性，但处理过程比较复杂，而且纳米级和亚微米级的陶瓷颗粒，在其处理过程表面吸附气体而影响界面结合强度。

专利号CN 1510153A提出一种高强高塑颗粒增强铝基复合材料及其制造方法，其制备方法是将增强体粉末与铝粉末加入到混料筒中进行混合，混合后制得的粉末混合物经热压成形获得坯锭，坯锭经过挤压、轧制、模锻等热加工而制备出产品，该方法工序复杂，而且粉末混合中铝粉易于氧化而降低材料性能。

综上所述，不难发现微纳米颗粒增强金属基复合材料在制备中存在以下困难：

1.增强相与金属熔体之间的润湿性。由于增强相一般是具有高硬度、高熔点特性的微纳米陶瓷颗粒，当微纳米颗粒增强相加入金属熔体后增强相与金属熔体之间存在固/液界面，因此微纳米颗粒增强相难以加入。

2.增强相在金属熔体中的分布不均匀性。微纳米颗粒增强相由于颗粒细小、比表面积大，颗粒易于团聚和偏聚，导致复合材料性能不均匀。

3.颗粒易与熔体在界面发生反应。适度的界面反应有利于提高颗粒与金属熔体间的浸润性，但过度的界面反应会形成界面脆性相和脆性层，造成增强体的损伤和基体成分的改变及界面结合的恶化。

本发明从微纳米颗粒增强金属基复合材料的制备中存在的以上问题出发，旨在解决微纳米颗粒增强相的润湿性差、分布不均匀和易于界面发生反应等问题，提出一种微纳米颗粒增强相在复合材料基体中弥散分布的方法，该发明可以实现SiC、WC、Al₄C₃、B₄C、ZrB₂、TiB₂、Al₂O₃、AlN等陶瓷颗粒中的一种或一种以上在铝合金、镁合金等金属材料中实现弥散分布，制备出致密性好、性能均匀的高品质微纳米颗粒增强金属基复合材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在制备铝合金、镁合金等金属基复合材料过程中微纳米颗粒增强相在基体中弥散分布的方法，旨在克服微纳米颗粒增强金属基复合材料制备过程中微纳米颗粒增强相的润湿性差、分布不均匀和易于界面发生反应等问题，本发明可以实现SiC、WC、Al₄C₃、B₄C、ZrB₂、TiB₂、Al₂O₃、AlN等陶瓷颗粒中的一种或一种以上的颗粒在铝合金、镁合金等金属材料中实现弥散分布，利用该方法制备出致密性好、性能均匀的高品质微纳米颗粒增强金属基复合材料。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种复合材料中微纳米颗粒增强相的弥散分布方法，其特征在于步骤依次为：

（1）首先将微纳米颗粒增强相与基体金属粉体采用机械球磨法进行球磨，以提高微纳米颗粒增强相与合金金属熔体的润湿性；

（2）将对应于基体金属的合金金属熔体熔化后加入球磨后的混合粉体，待粉体和合金金属熔体混合后利用超声场或超声和电磁的复合场对熔体进行处理；

（3）然后冷却成型或浇注成型，制备出微纳米颗粒增强相弥散分布的金属基复合材料。

作为改进，本发明中微纳米颗粒增强相和基体金属粉体的混合工艺如下，选择SiC、WC、Al₄C₃、B₄C、ZrB₂、TiB、Al₂O₃、AlN等陶瓷颗粒中的一种或多种，与基体金属粉末铝粉或镁粉进行混合，颗粒增强相与基体金属粉末铝粉或镁粉的混合比例为1:3～2:1，然后将混合粉体与刚玉球磨球一起装入刚玉球磨罐中，将刚玉罐抽真空后反充氩气，随后放入行星球磨机中进行球磨，开始球磨速度选择低速，速度范围为20rev min^-1～60revmin^-1，球磨时间0.5h～3h，此阶段主要使粉体能够均匀混合，然后高速球磨，球磨速度为100 rev min^-1～300rev min^-1，球磨时间3h～10h，此阶段主要利用球磨过程的机械撞击效应，利用基体金属粉末铝粉或镁粉对微纳米颗粒的微焊合效应实现包覆，待混合粉体冷却后在真空手套箱中取出待用。

作为再改进，本发明中将合金金属熔化后，将球磨后的微纳米颗粒增强相和基体金属粉体的混合体用锡箔纸包裹后压入合金金属熔体，待自然混合后浇入铸型，然后施加超声场或超声和电磁复合场进行处理，对于小型铸件，仅施加频率10kHz～30kHz，功率300W～2000W的超声场，对于较大型铸件，施加频率10kHz～30kHz，功率300W～2000W的超声场，同时施加频率20Hz～100Hz的旋转磁场，金属熔体随后随铸型冷却，制备出微纳米颗粒增强的金属基复合材料铸件。

与现有技术相比，本发明微纳米颗粒增强相在复合材料中的弥散分布技术的优点在于以下几个方面：

1.微纳米颗粒增强相的润湿性提高，微纳米颗粒增强相和金属粉体的低速球磨使二者均匀混合，随后高速球磨的强烈机械撞击促使金属粉体和微纳米颗粒增强相产生焊合效应，从而使微纳米颗粒增强相包裹一层金属粉体，提高了微纳米颗粒增强相的润湿性。

2.微纳米颗粒增强相不易与熔体界面的反应，由于微纳米颗粒增强相通过球磨处理，表面包裹的金属粉体优先与熔体进行作用，降低了微纳米颗粒增强相与熔体反应几率，减少了界面脆性层或脆性相的形成。

3.微纳米颗粒增强相在基体中弥散分布，超声波在金属液中传播时，液体分子受到周期交变应力场的作用，产生的声流、声空化、超声细化等特殊效应，施加超声场能够在极短的时间内使微纳米颗粒增强相在熔体中润湿和分散，对于大型铸件，同时施加电磁场，电磁场产生的洛伦磁力的搅拌作用能够更好地改善颗粒增强复合材料中颗粒的空间分布，达到微纳米颗粒增强相在金属基体中呈弥散分布。

具体实施方式

下面用实例对本发明作进一步的说明，旨在有助于对本发明微纳米颗粒增强相在复合材料中的弥散分布方法及其优点作进一步的理解，本发明的保护范围不受实施例的限定，本发明的保护范围由权利要求书来限定。

实施例1

本实施例为ZrB₂增强AZ31镁基复合材料，其中ZrB₂为粒度在3μm～10μm的球形颗粒，弥散分布于AZ31镁基复合材料中，ZrB₂质量百分数为10%。

按照质量比为1:1的比例称出ZrB₂颗粒和镁粉各200g，镁粉的粒度在30μm左右，将二者混合后加入刚玉罐，同时加入刚玉球磨球，封好装料口，抽真空值5×10^-1Pa，充入惰性气体氩气，所充入的氩气压力为1.02×10⁵Pa，放入行星球磨机中进行球磨，在30rev min^-1的速度下球磨2h后停止，然后将球磨速度提高到120rev min^-1，球磨5h后停止，待完全冷却后在真空手套箱中取出备用。

AZ31镁合金按照计算熔炼2Kg，AZ31镁合金熔炼采用纯Mg、纯Al、Al-10%Mn中间合金熔炼而成，镁合金熔炼过程中采用CO₂+2%SF₆的混合气体进行保护熔炼。当熔体温度达到730℃时通入惰性气体Ar进行除气处理，然后将球磨后ZrB₂和镁粉混合体用锡箔纸包裹后压入AZ31镁合金熔体，待ZrB₂和镁粉混合体在合金熔体中自然混合后浇入预热好的金属铸型，同时施加超声场，频率为15kHz，功率为1200W，30s后停止施加超声场，铸型凝固后即制得质量百分数为10%ZrB₂增强AZ31镁基复合材料。

实施例2

本实施例为B₄C增强6061铝基复合材料，其中B₄C为粒度在20nm～50nm的球形颗粒，弥散分布于6061铝基复合材料中，B₄C质量百分数为5%。

按照质量比为1:2的比例称出B₄C颗粒和铝粉各1Kg和2Kg，铝粉的粒度小于10μm，将二者混合后加入刚玉罐，同时加入刚玉球磨球，封好装料口，抽真空值5×10^-1Pa，充入惰性气体氩气，所充入的氩气压力为1.02×10⁵Pa，放入行星球磨机中进行球磨，在20rev min^-1的速度下球磨3h后停止，然后将球磨速度提高到100rev min^-1，球磨8h后停止，待完全冷却后在真空手套箱中取出备用。

6061铝合金按照计算熔炼20Kg，6061合金熔炼采用纯Al，Al-10%Mn、Al-20%Si、Al-50%Cu和Al-10Ti中间合金、纯Mg熔炼而成，在合金加入炉体之前，对配料进行预热处理，防止合金配料时吸收的水汽以及沾染的油污等杂质。同时对合金熔炼过程中使用的搅拌棒、扒渣勺、钟罩等工具涂抹涂料并进行烘烤，防止铁含量的增加和水分随熔炼工具带入熔体。为了避免添加镁块时镁合金的氧化燃烧，在添加镁元素的时候采用钟罩将镁块压入铝液以下，待镁块完全熔化后再将钟罩取出。待合金熔化后升高到750℃进行净化处理，然后将球磨后B₄C颗粒和铝粉混合体用锡箔纸包裹后压入6061铝合金熔体，待B₄C颗粒和铝粉混合体在合金熔体中自然混合后浇入预热好的金属铸型，同时施加超声场和电磁场，超声场的频率为15kHz，功率为1500W，电磁场的频率为30Hz，功率为2000W，180s后停止施加超声场和电磁场，铸型凝固后即制得质量百分数为5%B₄C颗粒增强6061铝基复合材料。

实施例3

本实施例为SiC和AlN增强6061铝基复合材料，其中SiC为粒度在50nm～80nm的球形颗粒，AlN为粒度在0.1μm～5μm的球形颗粒，弥散分布于6061铝基复合材料中，SiC质量百分数为3%，AlN质量百分数为2%。

按照设计称出SiC颗粒、AlN颗粒和铝粉各0.6Kg、0.4Kg和2Kg，铝粉的粒度小于10μm，将二者混合后加入刚玉罐，同时加入刚玉球磨球，封好装料口，抽真空值5×10^-1Pa，充入惰性气体氩气，所充入的氩气压力为1.02×10⁵Pa，放入行星球磨机中进行球磨，在25rev min^-1的速度下球磨4h后停止，然后将球磨速度提高到100rev min^-1，球磨10h后停止，待完全冷却后在真空手套箱中取出备用。

6061铝合金按照计算熔炼20Kg，6061合金熔炼采用纯Al，Al-10%Mn、Al-20%Si、Al-50%Cu和Al-10Ti中间合金、纯Mg熔炼而成，在合金加入炉体之前，对配料进行预热处理，防止合金配料时吸收的水汽以及沾染的油污等杂质。同时对合金熔炼过程中使用的搅拌棒、扒渣勺、钟罩等工具涂抹涂料并进行烘烤，防止铁含量的增加和水分随熔炼工具带入熔体。为了避免添加镁块时镁合金的氧化燃烧，在添加镁元素的时候采用钟罩将镁块压入铝液以下，待镁块完全熔化后再将钟罩取出。待合金熔化后升高到750℃进行净化处理，然后将球磨后SiC颗粒、AlN颗粒和铝粉混合体用锡箔纸包裹后压入6061铝合金熔体，SiC颗粒、AlN颗粒和铝粉混合体在合金熔体中自然混合后浇入预热好的金属铸型，同时施加超声场和电磁场，超声场的频率为15kHz，功率为1500W，电磁场的频率为30Hz，功率为2000W，180s后停止施加超声场和电磁场，铸型凝固后即制得SiC质量百分数为3%，AlN质量百分数为2%颗粒增强6061铝基复合材料。

对于铸件的大小的区分问题，其实没有严格的概念，只是对于较大铸件，超声场无法全部作用，需要同时施加电磁场使微纳米颗粒分布更加均匀弥散，一般认为20公斤以上的铸件为大型铸件。

Claims (3)

1.一种复合材料中微纳米颗粒增强相的弥散分布方法，其特征在于步骤依次为：

（1）首先将微纳米颗粒增强相与基体金属粉体采用机械球磨法进行球磨，以提高微纳米颗粒增强相与合金金属熔体的润湿性；

（2）将对应于基体金属的合金金属熔体熔化后加入球磨后的混合粉体，待粉体和合金金属熔体混合后利用超声场或超声和电磁的复合场对熔体进行处理；

（3）然后冷却成型或浇注成型，制备出微纳米颗粒增强相弥散分布的金属基复合材料。

2.根据权利要求1所述的弥散分布方法，其特征在于：所述步骤（1）中微纳米颗粒增强相和基体金属粉体的混合方法如下，选择SiC、WC、Al₄C₃、B₄C、ZrB₂、TiB₂、Al₂O₃、AlN等陶瓷颗粒中的一种或多种，与基体金属粉末铝粉或镁粉进行混合，颗粒增强相与基体金属粉末铝粉或镁粉的混合比例为1:3～2:1，然后将混合粉体与刚玉球磨球一起装入刚玉球磨罐中，将刚玉罐抽真空后反充氩气，随后放入行星球磨机中进行球磨，开始球磨速度选择低速，速度范围为20rev min-1～60rev min-1，球磨时间0.5h～3h，此阶段主要使粉体能够均匀混合，然后高速球磨，球磨速度为100rev min-1～300revmin-1，球磨时间3h～10h，此阶段主要利用球磨过程的机械撞击效应，利用基体金属粉末铝粉或镁粉对微纳米颗粒的微焊合效应实现包覆,待混合粉体冷却后在真空手套箱中取出待用。

3.根据权利要求1所述的弥散分布方法，其特征在于：所述的步骤（2）中将合金金属熔化后，将球磨后的微纳米颗粒增强相和基体金属粉体的混合体用锡箔纸包裹后压入合金金属熔体，待自然混合后浇入铸型，然后施加超声场或超声和电磁复合场进行处理，对于小型铸件，仅施加频率10kHz～30kHz，功率300W～2000W的超声场，对于较大型铸件，施加频率10kHz～30kHz，功率300W～2000W的超声场，同时施加频率20Hz～100Hz的旋转磁场，合金金属熔体随后随铸型冷却，制备出微纳米颗粒增强的金属基复合材料铸件。