CN109136611A - 一种金属基复合材料及其制备方法和用途 - Google Patents

一种金属基复合材料及其制备方法和用途 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属基复合材料及其制备方法和用途，所述金属基复合材料包括金属基体，以及分布在所述金属基体中的MoAlB颗粒，所述MoAlB颗粒表面连续包覆有过渡层。所述金属基复合材料的制备方法包括：(1)将MoAlB粉与金属粉混合，得到MoAlB‑金属混合粉料；(2)将所述MoAlB‑金属混合粉料进行加热处理，冷却后，得到金属基复合材料。本发明解决了现有技术中金属基复合材料的增强相与金属基体之间结合力差的问题，使增强效果充分发挥，提高了金属材料的力学性能，工艺方法简单，环境友好，便于规模化生产，所述复合材料应用于航空、航天、船舶、轨道交通、汽车、核工业和兵器工业。

Description

一种金属基复合材料及其制备方法和用途
技术领域
本发明设计复合材料领域，尤其设计一种金属基复合材料及其制备方法和用途。
背景技术
金属材料由于其优异的导电率、良好的延展性和较高的力学强度被人们广泛使用，但多数金属存在模量低、硬度小、耐磨性相对较差等缺点，也使其在工业应用中受到一定的限制。通在金属材料中添加高模量、高硬度的第二相形成金属基基复合材料，能够有效提高金属材料的硬度和耐磨性，但是绝大多数的第二相(SiC、Al2O3、TiC、碳纳米管等)与金属基体的润湿性较差，致使增强相颗粒不能与金属基体之间形成强的界面结合，难以充分发挥增强相的强化效果。为解决该问题，研究者们尝试利用化学镀方法在第二相颗粒表面沉积不同的金属沉积层，一定程度上改善第二相与金属基体的界面结合问题，但该方法不仅繁琐，且整个工艺过程中常使用到一些有毒有害的化学试剂，对人体和环境造成伤害和污染。
CN107604193A公开了一种纳米颗粒增强铝基复合材料的成形方法，将纳米陶瓷粉与微米级铝粉或铝合金粉复合粉末热压成预制块，将预制块在达到750℃左右熔化后，机械搅拌，然后进行高能超声振动。利用超低速层流压铸将复合材料熔体压射入模具型腔，开模取件，得到质量分数为3％～10％的纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料。所述方法利用纳米陶瓷粉增强铝基体，提高了金属材料的硬度和耐磨性，且成形工艺简单易行，但所述方法使用的陶瓷粉与铝基体的润湿性较差，无法充分发挥增强效果。
CN101418402公开了一种汽车轮毂用亚微米颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，由铝合金基体和增强颗粒组成，增强颗粒为Al2O3亚微米颗粒或者Al2O3亚微米颗粒与Al3Zr亚微米颗粒的组合。按增强颗粒占复合材料总体积的5～8％加入SiO2粉或者ZrO2粉中的一种，与铝合金熔体反应生成Al2O3颗粒或者Al2O3颗粒与Al3Zr颗粒的组合，得到汽车轮毂用亚微米颗粒增强铝基复合材料。该复合材料的热膨胀系数低，轮毂的尺寸稳定性佳，但所述增强颗粒与铝合金基体的界面结合力较弱，会使增强效果大打折扣。
因此，本领域需要开发一种金属基复合材料，使增强相与金属基体具有较高的润湿性，形成较强的结合界面，充分提高金属材料的力学性能，且工艺过程简单，环境友好，成本较低，材料成分设计方便，适合规模化生产。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种金属基复合材料，所述复合材料包括金属基体，以及分布在所述金属基体中的MoAlB颗粒，所述MoAlB颗粒表面连续包覆有过渡层。
本发明利用MoAlB颗粒作为增强相来增强金属材料的力学性能，在MoAlB增强颗粒表面原位形成连续包覆的过渡层，所述过渡层分别与MoAlB和金属基体之间具有较强的结合界面，提高了增强相与金属基体的结合特性，解决了现有技术的增强相与金属基体之间结合力差的问题，使增强效果充分发挥，提高了金属材料的力学性能。
优选地，所述金属基体包括金属单质基体或金属合金基体。
优选地，所述金属基体包括铝单质基体、铁单质基体、镍单质基体、铜单质基体、铝合金基体、铁合金基体、镍合金基体和铜合金基体中的任意一种。
优选地，所述MoAlB颗粒的含量≥1wt.％，例如2wt.％、6wt.％、10wt.％等。
优选地，所述金属基体包括铝单质基体或铝合金基体。
所述金属基底为铝单质基体或铝合金基体时，加入MoAlB颗粒后，其表面形成Al12Mo，提高了铝金属基底和MoAlB颗粒的结合力。
优选地，所述铝合金基体中铝的质量分数≥90wt.％。
优选地，所述铝合金基体的合金元素包括Si、Cu、Mg、Zn和Mn中的任意一种或两种以上组合。
优选地，所述金属基体为铝单质基体或铝合金基体，所述MoAlB颗粒的含量为1～50wt.％，例如5wt.％、25wt.％、45wt.％等。
优选地，所述金属基体包括铝单质基体或铝合金基体，所述过渡层为Al12Mo层。
优选地，所述复合材料包括铝单质基体或铝合金基体，以及分布在所述铝单质基体或铝合金基体中的MoAlB颗粒，所述MoAlB颗粒表面连续包覆有Al12Mo层，所述MoAlB颗粒的含量为1～50wt.％，例如5wt.％、25wt.％、45wt.％等。
当MoAlB颗粒的含量为1～50wt.％时增强效果最好，MoAlB颗粒含量过低，增强效果效果不明显，而MoAlB颗粒的含量过高，材料的脆性增大，掩盖金属基体本身的优良性质。
本发明的目的之二是提供一种金属基复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)将MoAlB粉与金属粉混合，得到MoAlB-金属混合粉料；
(2)将所述MoAlB-金属混合粉料进行加热处理，冷却后，得到金属基复合材料。
本发明所提供的金属基复合材料的制备方法中采用MoAlB与金属的粉末进行混合，能够使两者混合更加均匀，无需严苛的工艺条件，通过加热处理使MoAlB表面与金属基体之间生成过渡层，加强了增强相与金属基体的结合特性，使得到的金属基复合材料力学性能佳，使金属基复合材料的硬度高达140～150HV，拉伸强度高达130～170MPa，该方法操作简单，材料成分设计方便，且无需用到对身体和环境有害的化学试剂，环境友好，适合规模化生产。
优选地，所述金属粉包括金属单质粉或金属合金粉。
优选地，所述金属单质或金属合金的熔点为T，所述加热处理的温度≥T-50℃，例如当铝单质加热至660℃时，铝单质开始熔融，T为660℃，所述加热处理的温度≥610℃，所述加热处理的时间≥30min，例如30min、40min、50min、60min、70min、80min等。
加热处理温度≥T-50℃时，才能够在所述MoAlB颗粒表面形成过渡层，温度过低，过渡层质量不好，或者无法形成。
优选地，所述加热处理的温度≤800℃，例如500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、780℃等。
优选地，所述金属粉包括铝单质粉、铁单质粉、镍单质粉、铜单质粉、铝合金粉、铜合金粉、镍合金粉和铁合金粉中的任意一种，优选铝单质粉或铝合金粉。
优选地，所述金属粉为铝单质粉，所述加热处理的温度为550～760℃，例如580℃、600℃、680℃、750℃等。
优选地，所述金属粉为铝合金粉，所述加热处理的温度为550～740℃，例如570℃、600℃、680℃、730℃等。
优选地，所述MoAlB-金属混合粉料中MoAlB粉含量≥1wt.％，例如2wt.％、6wt.％、10wt.％等。
优选地，所述金属粉为纯铝粉或铝合金粉，所述MoAlB-金属混合粉料中MoAlB粉的含量为1～50wt.％，例如5wt.％、25wt.％、45wt.％等。
优选地，步骤(1)所述混合的方式包括球磨。
优选地，所述球磨包括干法球磨或湿法球磨。
优选地，所述球磨过程中加入玛瑙球作为磨料。
优选地，所述玛瑙球的加入量为所述MoAlB粉与金属粉总质量的2～4倍，例如2.5倍、3倍、3.5倍等。
优选地，所述球磨时间为5～10h，例如6h、8h、9h等。
优选地，在所述混合后进行过筛处理。
优选地，所述过筛处理的筛网为80～200目筛，例如90目、150目、190目等。
优选地，所述加热处理包括烧结。
优选地，所述烧结方法包括热压烧结、放电等离子烧结或热等静压烧结。
优选地，所述烧结为热压烧结，步骤(2)具体包括：将所述MoAlB-金属混合粉料加入到模具内，在保护性气氛下，升温至烧结温度，烧结同时加压，冷却后，得到金属基复合材料。
或者，所述烧结为热压烧结，步骤(2)具体包括：将所述MoAlB-金属混合粉料加入到模具内，在保护性气氛下，先升温至第一温度，保温，再降温至烧结温度，烧结同时加压，冷却后，得到金属基复合材料。
优选地，所述第一温度≥T+50℃。
优选地，T-50℃≤所述烧结温度≤T+50℃，所述加压的压力为0～30MPa，例如8MPa、20MPa、28MPa等，所述烧结的时间为30～120min，例如40min、80min、110min。
满足T-50℃≤所述烧结温度≤T+50℃，烧结时间为30～120min时，才能在MoAlB表面形成连续、均匀的过渡层，当烧结时间少于30min时，由于MoAlB与金属基底反应不充分，形成的过渡层不连续，当烧结时间多与120min时，反应过度，会导致过渡层不均匀。
优选地，所述保温时间为50～70min，例如52min、60min、68min等。
优选地，所述模具包括石墨模具。
优选地，所述保护性气氛包括惰性气氛和真空气氛。
优选地，所述惰性气氛优选包括氩气、氦气和氖气中的任意一种或至少两种组合，优选氩气。
优选地，所述真空气氛的真空度为≤10Pa。
优选地，所述升温速率为5～30℃/min，例如6℃/min、18℃/min、28℃/min等。
作为优选技术方案之一，本发明所述的金属基复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)将MoAlB粉与金属粉混合，加入质量为MoAlB粉与金属粉总质量的2～4倍的玛瑙球，进行球磨5～10h，随后将球磨后的混合粉体过80～200目筛，得到MoAlB-金属混合粉料；所述MoAlB-金属混合粉料中MoAlB粉的含量为1～50wt.％，所述金属粉为铝单质粉或铝合金粉；
(2)将MoAlB-金属混合粉料加入到石墨模具内，在氩气氛围下，以5～30℃/min的速度升温至T+50℃以上，保温50～70min，降温至T-50℃～T+50℃，烧结同时加压，所述烧结时间为30～120min，所述加压的压力为0～30MPa，冷却后，得到金属基复合材料。
作为优选技术方案之二，本发明所述的金属基复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)将MoAlB粉与金属粉混合，加入质量为MoAlB粉与金属粉总质量的2～4倍的玛瑙球，进行球磨5～10h，随后将球磨后的混合粉体过80～200目筛，得到MoAlB-金属混合粉料；所述MoAlB-金属混合粉料中MoAlB粉的含量为1～50wt.％，所述金属粉为铝单质粉或铝合金粉；
(2)将MoAlB-金属混合粉料加入到石墨模具内，在氩气氛围下，以5～30℃/min的速度升温T-50℃～T+50℃，烧结同时加压，所述烧结时间为30～120min，所述加压的压力为0～30MPa，冷却后，得到金属基复合材料。
本发明的目的之三是提供一种如目的之一所述的金属基复合材料的用途，所述金属基复合材料用于航空、航天、船舶、轨道交通、汽车、核工业和兵器工业。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供了一种MoAlB陶瓷粉作为增强相的金属基复合材料，所述MoAlB颗粒表面包覆过渡层提高了所述增强相与金属基体之间的界面结合程度，能够充分发挥MoAlB粉体的增强效果，提高所述金属基复合材料的模量、硬度、耐磨等性能。尤其是当所述金属基体选择铝基体时，所述MoAlB陶瓷粉与铝基体只需要混合后高温处理即可以形成过渡层，使得MoAlB陶瓷粉增强金属基复合材料的硬度高达140～150HV，拉伸强度高达130～170MPa。
(2)本发明提出的制备金属基复合材料的制备方法，省略了对增强相颗粒复杂的预处理过程，直接将MoAlB陶瓷粉和金属混合后进行加热处理既可以获得过渡层，工艺方法简单，环境友好，便于规模化生产。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
一种金属基复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)将37gMoAlB粉与63g铝单质粉混合，加入200g玛瑙球，进行球磨8h，随后将球磨后的混合粉体过200目筛，得到MoAlB粉含量为37wt.％的MoAlB-铝混合粉料；
(2)将MoAlB-金属混合粉料加入到石墨模具内，在氩气氛围下，以18℃/min的速度升温至760℃，保温60min，随后降温至700℃，烧结同时施加25MPa压力，保压60min，随后冷却至室温，得到铝基复合材料。
实施例2
与实施例1的区别在于，步骤(2)具体包括：将MoAlB-金属混合粉料加入到石墨模具内，在氩气氛围下，以18℃/min的速度升温至610℃，施加25MPa压力，烧结60min，随后冷却至室温，得到铝基复合材料。
实施例3
与实施例1的区别在于，步骤(2)具体包括：将MoAlB-金属混合粉料加入到石墨模具内，在氩气氛围下，以18℃/min的速度升温至820℃，保温60min，随后降温至710℃，烧结同时施加25MPa压力，保压60min，随后冷却至室温，得到铝基复合材料。
实施例4
与实施例2的区别在于，所述烧结的温度为590℃。
实施例5
与实施例1的区别在于，1g的MoAlB粉加入到99g铝单质粉中，最终得到MoAlB粉含量为1wt.％的MoAlB-铝混合粉料。
实施例6
与实施例1的区别在于，50g的MoAlB粉加入到50g铝单质粉中，最终得到MoAlB粉含量为50wt.％的MoAlB-铝混合粉料。
实施例7
与实施例1的区别在于，20g的MoAlB粉加入到80g铝单质粉中，最终得到MoAlB粉含量为20wt.％的MoAlB-铝混合粉料。
实施例8
与实施例1的区别在于，0.5g的MoAlB粉加入到99.5g铝单质粉中，最终得到MoAlB粉含量为0.5wt.％的MoAlB-铝混合粉料。
实施例9
与实施例1的区别在于，55g的MoAlB粉加入到45g铝单质粉中，最终得到MoAlB粉含量为55wt.％的MoAlB-铝混合粉料。
实施例10
与实施例1的区别在于，将铝单质粉替换为铝合金粉，铝合金中的合金元素及含量如下：7wt.％的Si，0.3wt.％的Mg和0.1wt.％的Ti，烧结温度为680℃，烧结60min。
实施例11
与实施例1的区别在于，烧结的时间为30min。
实施例12
与实施例1的区别在于，烧结的时间为25min。
实施例13
一种金属基复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)将37gMoAlB粉与63g铝单质粉混合，加入200g玛瑙球，进行球磨5h，随后将球磨后的混合粉体过80目筛，得到MoAlB粉含量为37wt.％的MoAlB-铝混合粉料；
(2)将MoAlB-金属混合粉料加入到石墨模具内，在氩气氛围下，以5℃/min的速度升温至760℃，保温50min，随后降温至700℃，烧结60min，随后冷却至室温，得到铝基复合材料。
实施例14
一种金属基复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)将37gMoAlB粉与63g铝单质粉混合，加入400g玛瑙球，进行球磨5h，随后将球磨后的混合粉体过200目筛，得到MoAlB粉含量为37wt.％的MoAlB-铝混合粉料；
(2)将MoAlB-金属混合粉料加入到石墨模具内，在氩气氛围下，以30℃/min的速度升温至760℃，保温50min，随后降温至700℃，施加30MPa压力保温60min，随后冷却至室温，得到铝基复合材料。
对比例1
与实施例1的区别在于，MoAlB粉的添加量为零。
性能测试：
将制备得到的铝基复合材料进行如下性能测试：
(1)维氏硬度，测试方法依据国标GB/T 4340.1-2009《金属材料.维氏硬度试验.第一部分：试验方法》中规定的操作，进行维氏硬度试验(HV5)。
(2)室温下的拉伸强度，测试方法依据国标GB/T 228-2002《金属材料.室温拉伸试验方法》中规定的操作。
性能测试结果如表1所示：
表1
硬度/HV 拉伸强度/MPa
实施例1 70 178
实施例2 56 148
实施例3 68 170
实施例4 54 138
实施例5 28 89
实施例6 140 99
实施例7 46 133
实施例8 26 81
实施例9 152 86
实施例10 68 169
实施例11 67 170
实施例12 63 152
实施例13 50 124
实施例14 70 176
对比例1 24 79
通过表1可以看出，实施例1～14提供的MoAlB增强的铝基复合材料的硬度在26～152HV范围内，大部分在50～70HV范围内，拉伸强度在81～178MPa范围内，大部分在150～170MPa范围内，与对比例1相比，体现出了较强的力学性能，这是由于MoAlB颗粒表面连续的包覆有Al12Mo过渡层，所述过渡层与MoAlB颗粒和Al基体均有较强的结合性，有利于提高所述复合材料的力学性能。
从实施例1～3和实施例4的结果可知，当烧结温度在T-50℃以上时，复合材料的硬度和拉伸强度较高，我们推测当温度低于T-50℃时，MoAlB与Al基体反应不充分，得到的Al12Mo过渡层不连续，减弱了对于复合材料的增强效果；对比实施例1、5～7与实施例8、9可知，当复合材料中MoAlB的含量在1％～50％范围内时，复合材料的硬度和拉伸强度在适于应用的范围内，当MoAlB含量小于1％时，增强效果不明显，MoAlB含量高于50％时，增强作用过度，会导致复合材料过脆，不利于实际应用；从实施例1、11与实施例12的结果可知，当烧结时间大于30min时，得到的复合材料具有较高的硬度和拉伸强度，我们推测，当烧结时间小于30min，MoAlB与Al基体不能充分的融合，得到的过渡层不连续，使得增强效果较差。
本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种金属基复合材料，其特征在于，所述复合材料包括金属基体，以及分布在所述金属基体中的MoAlB颗粒，所述MoAlB颗粒表面连续包覆有过渡层。
2.根据权利要求1所述的金属基复合材料，其特征在于，所述金属基体包括金属单质基体或金属合金基体；
优选地，所述金属基体包括铝单质基体、铁单质基体、镍单质基体、铜单质基体、铝合金基体、铁合金基体、镍合金基体和铜合金基体中的任意一种；
优选地，所述MoAlB颗粒的含量≥1wt.％。
3.根据权利要求1或2所述的金属基复合材料，其特征在于，所述金属基体包括铝单质基体或铝合金基体；
优选地，所述铝合金基体中铝的质量分数≥90wt.％；
优选地，所述铝合金基体的合金元素包括Si、Cu、Mg、Ti、Zn和Mn中的任意一种或两种以上组合；
优选地，所述金属基体为铝单质基体或铝合金基体，所述MoAlB颗粒的含量为1～50wt.％。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的金属基复合材料，其特征在于，所述金属基体包括铝单质基体或铝合金基体，所述过渡层为Al12Mo层；
优选地，所述复合材料包括铝单质基体或铝合金基体，以及分布在所述铝单质基体或铝合金基体中的MoAlB颗粒，所述MoAlB颗粒表面连续包覆有Al12Mo层，所述MoAlB颗粒的含量为1～50wt.％。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将MoAlB粉与金属粉混合，得到MoAlB-金属混合粉料；
(2)将所述MoAlB-金属混合粉料进行加热处理，冷却后，得到金属基复合材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述金属粉包括金属单质粉或金属合金粉；
优选地，所述金属单质或金属合金的熔点为T，所述加热处理的温度≥T-50℃，所述加热处理的时间≥30min；
优选地，所述加热处理的温度≤800℃；
优选地，所述金属粉包括铝单质粉、铁单质粉、镍单质粉、铜单质粉、铝合金粉、铜合金粉、镍合金粉和铁合金粉中的任意一种，优选铝单质粉或铝合金粉；
优选地，所述金属粉为铝单质粉，所述加热处理的温度为760℃；
优选地，所述金属粉为铝合金粉，所述加热处理的温度为740℃；
优选地，所述MoAlB-金属混合粉料中MoAlB粉含量≥1wt.％；
优选地，所述金属粉为纯铝粉或铝合金粉，所述MoAlB-金属混合粉料中MoAlB粉的含量为1～50wt.％。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述混合的方式包括球磨；
优选地，所述球磨包括干法球磨或湿法球磨；
优选地，所述球磨过程中加入玛瑙球作为磨料；
优选地，所述玛瑙球的加入量为所述MoAlB粉与金属粉总质量的2～4倍；
优选地，所述球磨时间为5～10h；
优选地，在所述混合后进行过筛处理；
优选地，所述过筛处理的筛网为80～200目筛。
8.根据权利要求5～7中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述加热处理包括烧结；
优选地，所述烧结方法包括热压烧结、放电等离子烧结或热等静压烧结；
优选地，所述烧结为热压烧结，步骤(2)具体包括：将所述MoAlB-金属混合粉料加入到模具内，在保护性气氛下，升温至烧结温度，烧结同时加压，冷却后，得到金属基复合材料；
或者，所述烧结为热压烧结，步骤(2)具体包括：将所述MoAlB-金属混合粉料加入到模具内，在保护性气氛下，先升温至第一温度，保温，再降温至烧结温度，烧结同时加压，冷却后，得到金属基复合材料；
优选地，所述第一温度≥T+50℃；
优选地，T-50℃≤所述烧结温度≤T+50℃，所述加压的压力为0～30MPa，所述烧结的时间为30～120min；
优选地，所述保温时间为50～70min；
优选地，所述模具包括石墨模具；
优选地，所述保护性气氛包括惰性气氛或真空气氛；
优选地，所述惰性气氛优选包括氩气、氦气和氖气中的任意一种或至少两种组合，优选氩气；
优选地，所述真空气氛的真空度为≤10Pa；
优选地，所述升温速率为5～30℃/min。
9.根据权利要求5～8中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将MoAlB粉与金属粉混合，加入质量为MoAlB粉与金属粉总质量的2～4倍的玛瑙球，进行球磨5～10h，随后将球磨后的混合粉体过80～200目筛，得到MoAlB-金属混合粉料；
所述MoAlB-金属混合粉料中MoAlB粉的含量为1～50wt.％；
所述金属粉为铝单质粉或铝合金粉；
(2)将MoAlB-金属混合粉料加入到石墨模具内，在氩气氛围下，以5～30℃/min的速度升温至T+50℃以上，保温50～70min，降温至T-50℃～T+50℃，烧结同时加压，所述烧结时间为30～120min，所述加压的压力为0～30MPa，冷却后，得到金属基复合材料；
可选的，步骤(2)具体包括：将MoAlB-金属混合粉料加入到石墨模具内，在氩气氛围下，以5～30℃/min的速度升温T-50℃～T+50℃，烧结同时加压，所述烧结时间为30～120min，所述加压的压力为0～30MPa，冷却后，得到金属基复合材料。
10.根据权利要求1～4中任一项所述的金属基复合材料的用途，其特征在于，所述金属基复合材料用于航空、航天、船舶、轨道交通、汽车、核工业或兵器工业。
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