CN108909060A - 一种层状复合材料制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种层状复合材料的制备方法，包括如下步骤：步骤1、对块状的基体进行表面处理，使其表面形成密集的具有特定形貌的微细孔洞；步骤2、使金属层与所述基体层状复合。本发明的工艺简单、成本低廉、结合可靠，应用广泛，可以制备多种使用传统的层状复合工艺难以制备的金属与金属或金属与陶瓷层状复合材料，而且可以直接制备出符合设计要求规格、形状和结构的金属层状复合材料零件。
Description
技术领域
本发明属于复合材料制备方法领域，特别是是异种金属材料层之间或金属材料层与陶瓷材料层的结合。
背景技术
将物理性质和化学性质不同的异种金属材料或金属与陶瓷材料，复合成层状复合材料，既可保留每种材料层各自的性能特色，又能通过复合效应获得一些新的性能，并且可以通过对复合材料结构和组成的设计、加工工艺的选择，开发出具有特定性能的复合材料，从而满足不同应用的需要。
目前制备金属与金属－金属层状复合材料的方法有固－固相复合法、液－固相复合法和液－液相复合法，这些制备方法存在以下几个缺点：
固－固相复合需要对金属材料施加很大的压力，产生很大的变形量才能形成良好的结合，因此设备负荷很大，能耗很高，复合加工造成的加工硬化会影响金属层状复合材料的后续加工，而要消除这种加工硬化，一般需要在较高的退火温度下长时间保温(数十分钟至数十小时)，此过程中，金属组织和晶粒尺寸的变化、结合面附近金属间化合物的生成，很多情况下会使结合性能下降；
用传统液－固相复合法制备金属层状复合材料，金属间的复合依赖金属原子在结合面附近的相互扩散形成的冶金结合，结合面附近难以避免会生成金属间化合物；另外，由于不同金属熔点的差异，要控制复合过程中不产生过热区，不使晶粒组织发生不利的变化，工艺难度很大；
由于异种金属材料的熔点差异、表面氧化层的存在等原因，一些金属之间的难以形成良好的冶金结合；
液－液相复合制备金属层状复合材料工艺复杂，技术尚未成熟。
目前制备金属－陶瓷层状复合材料的方法主要为将熔融金属浸渗到多孔的陶瓷材料中，冷却凝固后，陶瓷材料的孔洞壁和孔中渗入的金属形成的机械互锁将金属层和陶瓷层结合在一起。这个方法存在两方面的缺点，一是为了保证结合强度，需要提高陶瓷材料的孔洞率，这会导致陶瓷材料的物理机械性能下降，另一方面，由于没有对陶瓷表面的孔洞形貌、密度和孔洞大小进行设计和控制，因而形成的金属－陶瓷复合材料的结合效果受到限制。
发明内容
本发明开发一种工艺简单、应用范围广泛、能使异种金属层间或金属层与陶瓷层间形成良好结合的层状复合材料制备方法，是通过如下技术方案实现的。
一种层状复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、对块状第一基体进行表面处理，使其表面形成密集的具有特定形貌的微细孔洞；
步骤2、使第二金属层与所述第一基体层状复合；
其中：所述第一基体为金属材料或陶瓷材料中的一种；
所形成的微细孔洞形貌特征是微细孔洞内局部区域的截面尺寸大于孔口尺寸，所形成的孔洞尺寸为20纳米～2000微米，孔洞密度，即孔洞面积占第一基体材料的表面总面积的比例为5％～75％。
进一步的，所述第一基体的材料是金属时，表面处理采用化学腐蚀、化学或物理沉积多孔膜、阳极氧化、通过电火花、激光、等离子或机械打孔的方法形成微细孔洞，对于陶瓷材料和粉末冶金材料，还可以采用在陶瓷坯体成型时在其表面嵌入粒径为20纳米～2000微米的颗粒，在成型或烧结后再将这些颗粒溶解掉、分解掉或挥发掉的方法形成微细孔洞。
所述颗粒物质包括无机物单质、合金、无机化合物或有机聚合物，也包括天然的矿物。
进一步的，所述第二金属层与所述第一基体层状复合的方法有液－固相复合法、粉末冶金复合法。
进一步的，所述液－固相复合法，包括铸造、热浸镀、喷射成型的方法，进一步包括如下步骤：
加热使第二金属全部或局部熔化成液态的熔化液，第二金属的熔化液在外力作用下进入并充填所述第一基体表面的微细孔洞，所述熔化液冷却凝固后留存、固定在微细孔洞中。
可以通过控制第一基体的预热温度、模具温度、第二种金属熔化液的温度、冷却方式和强度因素，调节层合面附近第二种金属熔化液的凝固时间。
进一步的，所述粉末冶金复合法，已经表面处理的第一基体预先放入粉末冶金模具的预设位置，将金属粉末与粘接剂的混合料在压力作用下注入模腔中，部分混合料进入第一基体表面的微细孔洞，固化后得到第一基体与粉末冶金坯体结合在一起的复合坯体，复合坯体经脱脂、烧结后续工序处理后，充填在微细孔洞中的金属粉末成为接近致密的金属粒，并通过孔洞口与所述粉末冶金坯体烧结层连通。
无论采用上述何种方法，第一基体与第二金属层之间的结合依靠第一基体表面的微细孔洞的孔壁与留存在微细孔洞中的第二种金属层之间形成的机械互锁作用。
优选方案是：所述第一基体为金属材料时，包括黑色金属材料和有色金属材料，或带镀层的金属材料和颗粒强化或纤维强化金属基复合材料，所述第一基体为陶瓷材料，包括氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷；
另外，层状复合材料的制备方法还包括通过改变第一基体和第二金属层的种类和层数，增加复合材料的加工次数，制备多层层状复合材料；
复合过程中利用模具直接加工出所需要形状和尺寸的层状复合材料零件。
进一步的，制备的层状复合材料可以进行后续机械加工，如冲压、切削、磨削等加工；
制备的层状复合材料可以进行后续表面处理，如喷砂、拉丝、打磨、电镀、阳极氧化、真空镀等表面处理。
本发明利用金属或陶瓷表面预先形成的具有特定形貌的微孔孔壁与充填在微孔内的第二种金属之间的机械互锁将不同材料层复合在一起，工艺简单、成本低廉、结合可靠，应用广泛，可以制备多种使用传统的层状复合工艺难以制备的金属与金属或金属与陶瓷层状复合材料，而且可以直接制备出符合设计要求规格、形状和结构的dl层状复合材料零件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种层状复合材料制备方法，包括如下步骤：
步骤1、对块状金属材料或块体陶瓷材料作为基体进行表面处理，使其表面形成密集的具有特定形貌的微细孔洞；
步骤2、使另一金属层与基体层状复合。
基体与金属层之间的结合主要依靠基体表面的微孔孔壁与留存在微孔中的金属之间形成的机械互锁作用，一些情况下，如基体是金属时，与金属层进行层状复合，两种金属间形成的冶金结合也会提供辅助连接作用。
步骤1中，所形成的微细孔洞形貌特征是微细孔洞内局部区域的截面尺寸大于孔口尺寸，即内径大于口径的多种形状的孔洞。
所形成的微细孔洞尺寸自20纳米至2000微米，孔洞密度(孔洞面积占表面总面积的比例)自5％至75％。表面处理的方法可以是采用化学腐蚀、化学或物理沉积多孔膜、阳极氧化、通过电火花、激光、等离子或机械打孔的方法形成上述微细孔洞，对于陶瓷材料和粉末冶金材料，还可以采用在陶瓷坯体成型时在其表面嵌入粒径为20纳米～2000微米的颗粒，在成型或烧结后再将这些颗粒溶解掉、分解掉或挥发掉的方法形成微细孔洞。
所述颗粒物质包括无机物单质、合金、无机化合物或有机聚合物，也包括天然的矿物。
步骤2中，使第二种金属与上述块状金属材料层状复合的方法有液－固相复合法和粉末冶金复合法。
对于液－固相复合法，加热使第二种金属全部或局部熔化成液态，部分该金属的熔化液在外力作用下进入并充填前述已进行表面处理的金属或陶瓷块块状料表面的微细孔洞，熔化液冷却凝固后留存在孔洞中。
可以通过控制块体金属材料的预热温度、模具温度、第二种金属熔化液的温度、冷却方式和强度等因素，调节层合面附近第二种金属熔化液的凝固时间，如果不希望生成金属间化合物和避免晶粒组织发生不利变化，凝固时间应缩短，反之，如需借助于冶金结合的辅助，或为了消除由于液态金属固化收缩而导致的收缩孔，凝固时间则可以延长，并在较长时间内保持比较高的压力。
液固相复合法包括铸造、热浸镀、喷射成型等方法，这里不再一一描述。
对于粉末冶金复合法，上述已经表面处理造孔的金属或陶瓷块状材料预先放入粉末冶金模具的预设位置，第二种金属的粉末与粘接剂的混合料在压力作用下注入模腔中，部分金属粉末和粘接剂进入并充填上述块状材料表面的孔洞，固化后得到块体金属或陶瓷材料与粉末冶金坯体结合在一起的复合坯体，复合坯体经脱脂、烧结等后续工序处理后，充填在孔洞中的金属粉末成为接近致密的金属粒，并通过孔洞口与该金属粉末的dl成型坯体烧结层连通。
复合坯体的成型方法包括传统的粉末冶金成型方法，如模压成型、注浆成型、等静压成型等，也包括新的粉末冶金成型技术，如粉末注射成型、流延成型等，这里不再一一描述。
基体所选的材料有：基体为金属材料包括黑色金属材料和有色金属材料，也包括带镀层的金属材料和颗粒强化或纤维强化金属基复合材料，基体还可以是陶瓷材料，包括氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷(如碳化物、硼化物、氮化物、硅化物等陶瓷)。
除制备上述双层层状复合材料之外，通过改块状材料和熔化金属材料的种类和层数，增加层合加工次数，还可以制备金属与金属或金属与陶瓷的多层层状复合材料；如第一基体、第二金属层、第二基体、第四金属层，第一基体、第二基体为块状金属时，此时有四层金属。根据需要可以有更多的层数。
上述复合过程中可以利用模具直接加工出所需要形状和尺寸的层状复合材料零件。
所形成的层状复合材料及零件可以进行后续机械加工，如冲压、切削、磨削等；所形成的层状复合材料及零件可以进行后续表面处理，如喷砂、拉丝、打磨、电镀、阳极氧化、真空镀等，满足工业化的需求。
以下通过具体实施例来说明。
实施例一：
本实施例采用压铸方法制备铝－不锈钢层状复合材料零件，在压铸模具中铝以液态进入不锈钢表面预先形成的密集的具有特定形貌的微细孔洞中，冷却凝固后，利用微孔壁与微孔中的铝之间的机械互锁，使铝层与不锈钢层牢牢地结合在一起，形成铝－不锈钢层状复合材料零件。
本实施例中，不锈钢层为基体，铝合金层为第二金属。
在本实施例中，在商品纳米微蚀液RTs915C水溶液中，对尺寸为 50*25*3.5mm的316L不锈钢片进行微孔腐蚀，腐蚀条件是：RTs915C浓度75％ (质量比)，温度90℃，时间600秒，所形成的微孔直径50微米，孔密度25％，微孔的立剖面呈不规则口袋型。
采用模内压铸方法复合铝层和不锈钢层：根据层状复合材料试件的形状和尺寸设计制作压铸模具，上述已处理好的不锈钢片预先放进压铸钢模中预设的位置，铝合金牌号为ADC12，压铸机为东芝DC350J-SX，浇铸温度680℃，保压时间6秒。
压铸后，铝合金层与不锈钢层结合牢固，不经过任何后续退火处理，试块直接在拉伸试验机测试，结合强度最高达到70MPa。
具体工艺条件如下面三表所示：
表一、不锈钢微孔腐蚀工艺条件：
表二、压铸工艺条件表：
表三、铝合金—不锈钢层状复合材料试块拉伸测试结果：
实施例二：
本实施例以金属注射成型的方法制备不锈钢－氧化锆陶瓷层状复合材料试件，其中氧化锆陶瓷层为基体，不锈钢为第二金属。
首先，采用陶瓷注射成型工艺制备结合面位置分布有密集的具有特定形貌孔洞的氧化锆陶瓷试片：选用市售的氧化钇稳定氧化锆陶瓷喂料，在 BOY50T2注射机上成型试片坯体，试片规格50*25*3.5mm，成型前在成型模具表面粘附单层球形碳酸钙颗粒，颗粒直径在100-180微米范围内，成型时球形碳酸钙颗粒嵌入坯体表面，试片坯体经脱脂后在高温电炉中烧结，烧结温度1610℃，烧结后的试片在10－20％的盐酸溶液中浸泡，将碳酸钙的灼烧产物氧化钙溶出，得到表面分布有密集的近球形孔洞的陶瓷试片。
其次，采用金属模内注射成型工艺制备不锈钢－氧化锆陶瓷层状复合材料试件：根据附件“层状复合材料试件示图”的形状和尺寸设计制作注射成型模具，按上述方法制备的表面多孔的氧化锆陶瓷试片预先放进注射成型模具内预设位置，选用市售的SUS316L不锈钢喂料，注射成型机为海天SA600 卧式螺杆注塑机，注射温度模温，试件坯体经脱脂后在真空烧结炉中烧结，烧结温度1350℃。
试件烧结后，直接在拉伸试验机测试，结合强度达到30-90MPa.
表四、316L不锈钢—氧化锆陶瓷层状复合材料试块拉伸测试结果：
上述实施例一和实施例二中，依靠陶瓷材料层或金属材料层表面预先形成的具有特定形貌的微孔孔壁和进入微孔中的另一种金属材料(以下简称第二种金属)形成的机械互锁作用。微孔是用化学的、物理的或机械的表面处理方法加工而成，其形貌特征是微孔内的局部区域截面(平行于孔口)尺寸大于孔口尺寸，孔洞直径为20纳米至2000微米。用此方法可以制备金属与金属，或金属与陶瓷材料的两层或多层复合材料，或者是通过后期处理，将两层或多层复合材料加工成不同形状的零件，加工成满足工业需求的不同形状的零件。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种层状复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、对块状第一基体进行表面处理，使其表面形成密集的具有特定形貌的微细孔洞；
步骤2、使第二金属层与所述第一基体层状复合；
其中：所述第一基体为金属材料或陶瓷材料中的一种；
所形成的微细孔洞形貌特征是微细孔洞内局部区域的截面尺寸大于孔口尺寸，所形成的微细孔洞尺寸为20纳米～2000微米，孔洞密度，即孔洞面积占第一基体材料的表面总面积的比例为5％～75％。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一基体为金属材料时，表面处理的是采用化学腐蚀、化学或物理沉积多孔膜、阳极氧化和通过电火花、激光、等离子或机械打孔的方法形成微细孔洞，
所述第一基体为陶瓷材料时，采用在陶瓷坯体成型时在其表面嵌入粒径为20纳米～2000微米的颗粒，在成型或烧结后再将这些颗粒溶解掉、分解掉或挥发掉的方法形成微细孔洞；
所述颗粒物质组成包括无机物单质、合金、无机化合物或有机聚合物，也包括天然的矿物。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二金属层与所述第一基体层状复合的方法有液－固相复合法、粉末冶金复合法。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，对于液－固相复合法，包括铸造、热浸镀、喷射成型的方法，进一步包括如下步骤：
加热使第二金属全部或局部熔化成液态的熔化液，第二金属的熔化液在外力作用下进入并充填所述第一基体表面的微细孔洞，所述熔化液冷却凝固后留存、固定在微细孔洞中。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，可以通过控制第一基体的预热温度、模具温度、第二种金属熔化液的温度、冷却方式和冷却速度因素，调节层合面附近第二种金属熔化液的凝固时间。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述粉末冶金复合法，已经表面处理的第一基体预先放入粉末冶金模具的预设位置，将金属粉末与粘接剂的混合料在压力作用下注入模腔中，部分混合料进入第一基体表面的微细孔洞，固化后得到第一基体与粉末冶金坯体结合在一起的复合坯体，复合坯体经脱脂、烧结后续工序处理后，充填在微细孔洞中的金属粉末成为接近致密的金属粒，并通过孔洞口与所述粉末冶金坯体烧结层连通。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，第一基体与第二金属层之间的结合依靠第一基体表面的微细孔洞的孔壁与留存在微细孔洞中的第二种金属层之间形成的机械互锁作用。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一基体为金属材料时，包括黑色金属材料和有色金属材料，或带镀层的金属材料和颗粒强化或纤维强化金属基复合材料，所述第一基体为陶瓷材料，包括氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，层状复合材料的制备方法还包括通过改变第一基体和第二金属层的种类和层数，增加复合材料的加工次数，制备多层层状复合材料；
复合过程中利用模具直接加工出所需要形状和尺寸的层状复合材料零件。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，制备的层状复合材料可以进行后续机械加工，包括冲压、切削、磨削加工；
制备的层状复合材料可以进行后续表面处理，包括喷砂、拉丝、打磨、电镀、阳极氧化、真空镀。
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