CN103882350B

CN103882350B - 一种高体积分数颗粒增强金属基复合材料大塑性变形的方法

Info

Publication number: CN103882350B
Application number: CN201410143253.4A
Authority: CN
Inventors: 武高辉; 罗昊; 陈国钦; 张强; 姜龙涛; 康鹏超; 修子扬; 苟华松
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2014-04-10
Filing date: 2014-04-10
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2034-04-10
Also published as: CN103882350A

Abstract

一种高体积分数颗粒增强金属基复合材料大塑性变形的方法，它涉及一种复合材料大塑性变形的方法。本发明要解决高体积分数颗粒增强金属基复合材料塑性极差无法大塑性变形，及现有方法无法使该复合材料实现致密化的问题。本发明方法：一、零件、原料加工；二、加热前准备；三、加热、保温；四、加压变形；五、取料。本发明方法坯料能在约束条件下产生大的塑性变形，变形后能使复合材料坯料形成简单形状同时实现致密化，提高复合材料力学性能。本发明用于高体积分数颗粒增强金属基复合材料的大塑性形变及其成型。

Description

一种高体积分数颗粒增强金属基复合材料大塑性变形的方法

技术领域

本发明涉及一种颗粒增强金属基复合材料大塑性变形的方法。

背景技术

颗粒增强金属基复合材料是自上世纪60年代发展起来的一种崭新材料体系，在塑性良好的金属基体中加入高强度、高硬的陶瓷颗粒增强相，起到承载、阻碍裂纹扩展的作用，这样制备出的复合材料就能综合基体的低密度、导电导热等物理性能和增强相的低膨胀、高刚度等的优点，表现出比强度高、比模量高，抗疲劳、抗高温蠕变，耐热、耐磨性好，导热性好，膨胀系数低等优异性能，自诞生以来一直是材料领域关注的热点。由于基体金属和增强体颗粒种类、含量、状态等都是可以选择的，所以复合材料具备了优异的可设计性，能目标明确、思路清晰地设计出所需的材料性能以克服传统材料的不足。目前颗粒增强铝基复合材料已经被大量的商业化生产，特别是在航天、航空、电子信息、陆上交通领域用途最广。

颗粒增强金属基复合材料因其高比刚度、高比强度、低膨胀、各向同性成本较低等特性应用发展最快。国外直升机旋翼系统上已大量使用SiC_p/Al复合材料，如英国一家金属基复合材料公司已将通过粉末冶金法制备出的SiC_p/Al复合材料成功使用于某一新型直升机。美国Lockheed公司生产的飞机上的电子设备以及支架仪表支架已大量由DWA公司的25vol%SiC_p/6061Al复合材料制成。另据文献报道，美国空军C-130和C-141大型运输机已进行了用SiC_p/Al复合材料制成的替代件的试车实验，在减重同时保持零件刚度方面取得良好效果，并且此种复合材料还用于制作助推火箭发动机部分零件。SiC_p/Al复合材料由于具有很高的尺寸稳定性，甚至好于铍材，所以也是一种优良的仪表级复合材料。早在20世纪80年代美国就采用SiC_p/Al复合材料加工出导弹惯性器件仪表外壳，用来代替铝合金和铍合金质零件。随后，这种材料又迅速应用到导弹、卫星、火箭、航天飞机等航天器上，并逐渐发展成为继铝合金和铍合金之后的第三代航天惯性器件用材。颗粒增强铝基复合材料还可以作为光学材料。1987年至1988年，亚利桑拉大学所属光学研究中心和ACMC公司合作，采用颗粒增强铝基复合材料制成坦克激光反射镜。不久用同种材料制成的主镜直径为0.3m的空间望远镜小于5kg，属于超轻量化的空间望远镜。

在民用领域，颗粒增强铝基复合材料也得到了较大发展和广泛应用。高比强度、高比模量的特点以及良好的耐磨性、耐疲劳性使颗粒增强铝基复合材料成为生产汽车发动机和传动装置部分零件的理想选择。1983年日本丰田汽车公司将SiC_p/Al复合材料用于制造发动机活塞，美国Duralcan公司用SiC_p/Al复合材料生产汽车制动盘，均取得良好效果。美国Lanxide公司用SiC_p/Al复合材料生产的刹车片已与1996年大量投入生产。颗粒增强铝基复合材料热膨胀系数远远小于基体金属，而热导率又与基体接近，很适合作为电子封装类材料。日本住友电子公司将采用粉末冶金法制备的30～70vol%SiC_p/Al复合材料应用于加工电子封装件壳体；美国DWA公司将同种复合材料用于电子封装基片。我国哈尔滨工业大学已制得SiC颗粒体积分数高达50%～70%的SiC_p/Al复合材料和AlN颗粒体积分数为50%～65%的AlN_p/Al复合材料并将其成功应用于如功率模块底座的二级电子封装中。

高体积分数颗粒增强金属基复合材料能满足高端装备对材料性能的要求，但必须加工成一定形状的构件才能使用。在金属基体中加入增强相陶瓷颗粒后，随之带来的问题就是复合材料的塑性变差，使得二次加工困难，这在很大程度上阻碍了颗粒增强铝基复合材料的成型，限制了它的发展，造成极大浪费。增强体颗粒高体积分数的复合材料是目前需求较为旺盛的优质结构材料，但由于其塑性太差、硬度很高，一般的塑性成型方法和切削加工方法已很难实现，近不可成型性在应用中造成了很大的问题。传统的工艺已经不能满足高体积分数颗粒增强金属基复合材料的成型加工，所以必须开拓一个新的思路，以让其物尽其用，充分发挥潜力。

目前制备高体积分数颗粒增强金属基复合材料的主要方法有挤压铸造法和粉末冶金法以及无压浸渗法等，材料内部不可避免地会产生孔隙缺陷，对材料的力学性能有很大的影响，制约了材料优良性能的充分发挥。对于颗粒体积分数低于25%的低体积分数颗粒增强金属基复合材料来说，可以通过热挤压、热等静压等方式实现致密化，但颗粒体积分数很高时，复合材料硬而脆，任何传统的加压方式都会对材料造成破坏，因此要设计一种新的方法在加压致密化的过程中保护材料不产生其它缺陷。

发明内容

本发明的目的是为了解决高体积分数颗粒增强金属基复合材料塑性差无法大塑性变形，及现有方法无法使该复合材料实现致密化的问题，提供一种高体积分数颗粒增强金属基复合材料大塑性变形的方法。

本发明的高体积分数颗粒增强金属基复合材料大塑性变形的方法，通过以下步骤实现的：

一、零件、原料加工：加工圆柱状复合材料坯料和金属包套；

二、加热前准备：将复合材料坯料、压头、模具和包套涂上润滑剂；

三、加热、保温：将复合材料坯料、包套预热至基体合金固相线的正负100℃内，保温0.5h～3h，模具和压头保温温度为复合材料坯料预热温度或低于预热温度的100℃以内；

四、加压变形：将步骤三中预热好的复合材料坯料及包套置于模具中，保证压头直径大于复合材料直径，小于模具内径，压头借助压力机以5mm/min～20mm/min的速率加压使坯料和包套变形；

五、取料：将变形后的坯料和包套从模具中取出，去掉包套，得到复合材料变形致密化之后的坯料，即完成高体积分数颗粒增强金属基复合材料大塑性变形。

本发明中的润滑剂为市售高温润滑剂，通过购买得到。

本发明中包套材质为高温变形抗力为复合材料坯料20%～30%的塑性的材料，以保证复合材料坯料在变形过程中处于三向压应力状态且轴向应力大于径向应力；压头与模具之间有1～5mm的间隙，供包套反挤压变形流动；变形工艺分为两种：固相区变形和固—液两相区变形，固相区变形温度为坯料固相线至其固相线以下的100℃的范围内，固—液两相区变形温度为坯料固相线至其固相线以上的100℃的范围内。

本发明的有益效果：

1、本发明提供了一种高体积分数颗粒增强金属基复合材料高温下约束大变形与致密化的方法，由于施加了柔性约束，坯料在变形过程中处于三向压应力状态，应力状态软性系数最大，最利于塑性变形，同时约束力限制了坯料基体合金的变形流动方向，在微观上使其出于接近等静压状态填补制备产生的孔隙，宏观上由于坯料轴向应力大于径向应力，坯料能在约束条件下产生大的塑性变形；

2、利用流动性较好的软质材料作为压力传输介质，间接传递模具的约束力，避免了坯料表面与模具的摩擦产生的拉应力；

3、坯料变形过程中一直受到约束力的作用，所处应力状态软性系数大，能使脆性材料产生大的塑性变形和不至于失效，填补了传统脆性材料变形方法方面的空白；

4、有效保护坯料表面和内部在变形过程中不开裂；

5、变形后能使复合材料坯料形成简单形状同时实现致密化，同时产生其他微观组织的变化，提高复合材料力学性能。

附图说明

图1是本发明约束形变器的剖面图；

图2是实施例一变形前复合材料坯料图；

图3是实施例一变形后复合材料坯料图；

图4是实施例一变形前复合材料金相图；

图5是实施例一变形后复合材料金相图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式高体积分数颗粒增强金属基复合材料大塑性变形的方法，按以下步骤进行：

本实施方式中的润滑剂为市售高温润滑剂，通过购买得到。

本实施方式的有益效果：

1、本实施方式提供了一种高体积分数颗粒增强金属基复合材料高温下柔性约束大变形与致密化改性的方法，由于施加了柔性约束，坯料在变形过程中处于三向压应力状态，应力状态软性系数最大，最利于塑性变形，同时约束力限制了坯料基体合金的流动方向，在微观上接近等静压状态使微观孔隙闭合，宏观上由于坯料轴向应力大于径向应力，使得坯料可以按照预定方向大变形，宏观上由于坯料始终处于压应力的约束条件下所以变形过程中不会开裂，可以产生大的塑性变形；

4、在三方向的压应力作用下，有效保护坯料表面和内部在变形过程中不开裂；

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的复合材料坯料中颗粒的体积分数为30%～65%，颗粒为陶瓷颗粒，复合材料坯料中基体合金为铝及其铝合金或镁及其镁合金。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的复合材料坯料中颗粒为金属氧化物、金属碳化物、金属氮化物或金属硼化物。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的复合材料坯料中颗粒为SiC、Al₂O₃、AlN、B₄C或TiB₂陶瓷颗粒。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的步骤一至五的操作是通过约束形变器完成的，所述的约束形变器由上压头1、模具2、约束包套3、复合材料坯料4和下压头5构成，其中上压头1和下压头5分别位于约束包套3和复合材料坯料4的上部和下部，复合材料坯料4位于约束包套3内，约束包套3位于模具2内。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤一中所述的包套材质为高温变形抗力为复合材料坯料20%～30%的塑性良好的金属材料。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述的包套材质为铝、铝合金、铜或铜合金。其它与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中所述的压头与模具之间的间隙为1mm～5mm。其它与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤四中所述的加压变形：将步骤三中预热好的复合材料坯料及包套置于模具中，保证压头直径大于复合材料直径，小于模具内径，并使包套处于反挤压状态，复合材料坯料处于三向压应力状态，轴向压力大于周向压力，压头借助压力机以5mm/min～20mm/min的速率加压使坯料和包套变形。其它与具体实施方式一至八之一相同。

通过以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例高体积分数颗粒增强金属基复合材料大塑性变形的方法，按以下步骤进行：

在复合材料基体合金固相区变形：

采用45vol%SiC_p/2024Al仪表级复合材料作为变形坯料，2024Al作约束体包套材料。

一、零件、原料加工：车削圆柱状复合材料坯料和与其配合的软质材料铝合金包套，模具与包套为松配合，压头与模具之间有1mm间隙；

二、加热前准备：将复合材料坯料和压头、模具、包套都涂上BN；

三、加热、保温：将复合材料坯料和包套加热至500℃，保温1h，压头、模具预热至500℃；

四、加压变形：将坯料、压头、模具和包套如图1所示组装好，在压力机上以20mm/min的速率加压变形，变形量为70%；

五、取料：变形后的坯料和包套扣合在一起，将其共同取出，去掉外面的包套，得到中间的复合材料坯料，即完成高体积分数颗粒增强金属基复合材料大塑性变形。

表1变形前后复合材料性能指标（T6态）

性能指标	致密度/%	E_f/GPa	σ_f/MPa	K_IC/MPa·m^1/2
					变形前	97.9	142	628	10.8
变形后	99.7	167	919	12.1

本实施例变形前后复合材料性能指标如表1所示，变形能使复合材料致密化，同时提高其力学性能。

实施例二：

本实施例与实施例一不同之处在于包套材料为纯铝。变形后的材料性能如表2所示。

表2变形前后复合材料性能指标（T6态）

性能指标	致密度/%	E_f/GPa	σ_f/MPa	K_IC/MPa·m^1/2
					变形前	97.9	142	628	10.8
变形后	98.3	155	757	10.6

实施例三：

本实施例与实施例一不同之处在于压头与模具之间间隙为5mm；变形温度为400℃。变形后的复合材料性能如表3所示。

表3变形前后复合材料性能指标（T6态）

性能指标	致密度/%	E_f/GPa	σ_f/MPa	K_IC/MPa·m^1/2
					变形前	97.9	142	628	10.8
变形后	99.1	161	887	11.8

实施例四：

在复合材料基体合金固相区变形：

采用30vol%Al₂O_3p/2024Al复合材料作为变形坯料，纯Al作约束体包套材料。

三、加热、保温：将复合材料坯料和包套预热至400℃保温3h，压头、模具加热到300℃；

四、加压变形：如图1所示将坯料、压头、模具和包套组装好，在压力机上以10mm/min的速率加压变形，变形量为50%；

实施例五：

基体合金固—液两相区变形：

采用65vol%B₄C_p/1099Al复合材料作为变形坯料，6061Al作约束体包套材料。

一、零件、原料加工：车削圆柱状复合材料坯料和与其配合的软质材料铝合金包套，模具与包套为松配合，压头与模具之间有4mm间隙；

二、加热前准备：将复合材料坯料和压头、模具、包套都涂上石墨；

三、加热、保温：将复合材料坯料和包套在600℃保温3h，压头、模具加热至550℃；

四、加压变形：将坯料、压头、模具和包套取出，如图1所示组装好，在压力机上以20mm/min的速率加压变形，变形量为20%；

实施例六：

复合材料基体合金固—液两相区变形：

采用65vol%TiB_2p/6063Al复合材料作为变形坯料，纯Cu作约束体包套材料。

一、零件、原料加工：车削圆柱状复合材料坯料和与其配合的软质材料铝合金包套，模具与包套为松配合，压头与模具之间有2mm间隙；

三、加热、保温：将复合材料坯料和包套预热至600℃保温0.5h，压头、模具加热至550℃；

四、加压变形：将坯料、压头、模具和包套如图1所示组装好，在压力机上以5mm/min的速率加压变形，变形量为60%；

实施例七：

复合材料基体合金固—液两相区变形：

采用65vol%AlN/6061Al复合材料作为变形坯料，纯Cu作约束体包套材料。

一、零件、原料加工：车削圆柱状复合材料坯料和与其配合的Cu包套，模具与包套为松配合，压头与模具之间有3mm间隙；

三、加热、保温：将复合材料坯料和包套预热至650℃保温0.5h，压头、模具加热至500℃；

四、加压变形：将坯料、压头、模具和包套如图1所示组装好，在压力机上以20mm/min的速率加压变形，变形量为60%；

Claims

1.一种高体积分数颗粒增强金属基复合材料大塑性变形的方法，其特征在于它包括以下步骤：

四、加压变形：将步骤三中预热好的复合材料坯料及包套置于模具中，保证压头直径大于复合材料直径，小于模具内径，并使包套处于反挤压状态，复合材料坯料处于三向压应力状态，轴向压力大于周向压力，压头借助压力机以5mm/min～20mm/min的速率加压使坯料和包套变形；

五、取料：将变形后的坯料和包套从模具中取出，去掉包套，得到复合材料变形致密化之后的坯料，即完成高体积分数颗粒增强金属基复合材料大塑性变形；

其中步骤一中所述复合材料坯料为45vol％SiC_p/2024Al、65vol％B₄C_p/1099Al、65vol％TiB_2p/6063Al或65vol％AlN/6061Al。

2.根据权利要求1所述的一种高体积分数颗粒增强金属基复合材料大塑性变形的方法，其特征在于所述的步骤一至五的操作是通过约束形变器完成的，所述的约束形变器由上压头(1)、模具(2)、约束包套(3)、复合材料坯料(4)和下压头(5)构成，其中上压头(1)和下压头(5)分别位于约束包套(3)和复合材料坯料(4)的上部和下部，复合材料坯料(4)位于约束包套(3)内，约束包套(3)位于模具(2)内。

3.根据权利要求1所述的一种高体积分数颗粒增强金属基复合材料大塑性变形的方法，其特征在于步骤一中所述的包套材质为高温变形抗力为复合材料坯料20％～30％的塑性良好的金属材料。

4.根据权利要求3所述的一种高体积分数颗粒增强金属基复合材料大塑性变形的方法，其特征在于所述的包套材质为铝、铝合金、铜或铜合金。

5.根据权利要求1所述的一种高体积分数颗粒增强金属基复合材料大塑性变形的方法，其特征在于步骤二中所述的压头与模具之间的间隙为1mm～5mm。