CN112846198B - 一种纳米颗粒增强金属基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复合材料技术领域，公开了一种纳米颗粒增强金属基复合材料及其制备方法。所述方法为：先对纳米颗粒进行表面改性和预分散，使其在球磨前处于相对分散状态；再经球磨初期的低速球磨，充分混匀物料；在球磨中期结合金属粉末片化、纳米颗粒镶嵌机制，通过去应力退火改善和消除片状金属粉的加工硬化现象，解决纳米颗粒在片状金属粉表面脱嵌、荷载少的问题；最后降低转速，利用磨球对径厚比较大的片状粉进行机械破碎，再经压制、烧结和致密化处理获得细鳞片状纳米颗粒增强金属基复合材料粉末。本发明通过表面改性、预分散处理和在球磨过程中加入去应力退火等步骤，有效解决了金属粉末加工硬化难题，使纳米颗粒分散更均匀、荷载量更高。

Description

一种纳米颗粒增强金属基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及粉末冶金及金属基复合材料制备领域，特别是涉及一种纳米颗粒增强金属基复合材料及其制备方法。
背景技术
随着航空航天、汽车工业、装备制造等行业的发展，传统金属材料已经不能满足某些严苛服役环境的使用需求。如在某些工况下，要求金属材料同时提高强韧性、比刚度、疲劳、耐磨损性能，也可能在提高比强度的同时降低热膨胀系数，或是在长期服役过程中具有极佳的尺寸稳定性。颗粒增强金属基复合材料，尤其是以纳米颗粒作为增强体时，可以有效满足以上使用需求，因此具有广阔的应用前景。
目前纳米颗粒增强金属基复合材料的制备方法主要有两种：液相法、粉末冶金法和片状粉末冶金法和粉末冶金法。液相法，即通过传统熔炼方式，在熔体中加入增强体，通过机械搅拌、超声搅拌和熔体自身进行分散，然后通过传统方法进行铸造加工。粉末冶金法，即利用机械合金化的方式，将金属粉末与纳米颗粒增强体颗粒混合后进行球磨，通过高能球磨，使得纳米颗粒逐渐分散到基体中，最后通过固化、烧结方式制备出复合材料块体。液相法存在无法避免高温下的颗粒与基体发生界面反应、纳米颗粒分散性差和体积分数小等缺点，在工业中较少使用；粉末冶金法虽避免高温下颗粒与基体严重的界面反应，但纳米颗粒分散性差和体积分数小的难点并未完全解决，因此限制了其在纳米颗粒增强金属基复合材料制备上的大规模应用。
片状粉末冶金法，是在传统粉末冶金工艺的基础上，通过调整球磨参数、改变球磨环境，将球状、不规则状的金属粉片状化，有效增加金属粉末的比表面积和活性。由于球磨过程中磨球对金属粉的冷锻、挤压、摩擦等机械作用，纳米颗粒被嵌入片状金属粉末表面，从而获得纳米颗粒增强金属基复合材料粉末。相比传统球磨工艺，片状粉末冶金法能加入较高体积分数的纳米颗粒，同时使纳米颗粒保持较好的分散状态。但是片状粉末冶金法仍然存在以下不足之处：
第一，金属粉末的加工硬化现象突出，片状化水平低。金属在发生塑性变形时，由于位错运动，会导致加工硬化现象。此外，由于片状粉不断硬化，随着纳米颗粒嵌入金属基体，大部分片状粉末在未达到最大径厚比时已经破碎，继续球磨已经无法继续片状化，导致大部分纳米颗粒并未均匀弥散镶嵌在片状粉末中，在随后的压制、烧结过程中，纳米颗粒团聚严重，从而严重影响复合材料的性能。
第二，球磨时间长，球磨效率低，能耗高。通常球磨时间可达数十个小时，且单罐球磨金属粉的量较少(一般只有几克到几十克)。
第三，纳米颗粒大量脱嵌现象，纳米颗粒实际镶嵌率很低。根据技术文献检索发现，球磨过程是纳米颗粒不断镶嵌和脱嵌的过程，在球磨初期，由于金属粉末塑性较好，镶嵌率远高于脱嵌率，随着球磨时间的延长，伴随着粉末硬化和破碎，脱嵌率开始高于镶嵌率。脱嵌的纳米颗粒在随后的固化、烧结工艺中会迅速团聚、长大，严重影响复合材料的力学性能。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种纳米颗粒增强金属基复合材料及其制备方法，本方法结合球磨条件下金属粉末片化、纳米颗粒镶嵌机制，通过去应力退火机制改善和消除片状金属粉的加工硬化现象，充分解决片状金属粉的纳米颗粒脱嵌、荷载量少的问题，避免纳米颗粒因为团聚现象恶化复合材料的最终力学性能。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种纳米颗粒增强金属基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)纳米颗粒的表面改性及预分散：
将纳米颗粒进行表面改性处理，改性后，将改性纳米颗粒、金属粉和球磨助剂混合后在球磨介质中充分超声，去除纳米颗粒表面的杂质并充分分散团聚的纳米颗粒；
(2)球磨初期：
将步骤(1)得到的混合物加入球磨罐中，再补充加入球磨介质和球磨助剂，进行低速球磨，球磨机转速为10-250r/min，使球磨罐中的物料混匀；
(3)球磨中期：
将球磨机转速增大至20-560r/min，继续球磨；然后停止球磨，将物料从球磨罐中取出，烘干成粉末；接着将粉末进行去应力退火处理，去应力退火后，将粉末、球磨介质和球磨助剂重新加入球磨罐中，将球磨机的转速调至20-560r/min，继续球磨；
(4)球磨后期：
将球磨机转速降低至10-250r/min，继续球磨；球磨结束后，将物料从球磨罐中取出，烘干，获得混合粉末；
(5)通过对步骤(4)得到的混合粉末进行压制、烧结和致密化处理，获得纳米颗粒增强金属基复合材料，所述复合材料为细鳞片状粉末。
进一步，所述纳米颗粒选自氧化物、碳化物、硼化物、氮化物等纳米颗粒中的至少一种；优选地，所述氧化物选自Al2O3、ZrO2、TiO2、Y2O3中的至少一种，所述碳化物选自WC、TiC、ZrC、NbC、SiC中的至少一种，所述硼化物选自BN、TiB2、ZrB2、NbB2中的至少一种，所述氮化物选自Si3N4、TiN、VN、AlN中的至少一种。
进一步，所述金属粉选自铝、镁、铜、锌、镍、铁、钛、钴、铬、银及前其合金粉末中的至少一种。
进一步，所述球磨助剂选自硬脂酸、吐温80、吐温60、正庚烷中的至少一种。
进一步，所述球磨介质为无水乙醇。
进一步，所述步骤(1)中，纳米颗粒与金属粉的质量比为0.01-45∶99.99-55，优选为1-45∶99-55，更优选为1-15∶99-75。
进一步，所述步骤(1)中，纳米颗粒的表面改性处理方法为焙烧法。焙烧的目的是除去纳米颗粒表面的有机污染物，同时对于某些碳化物、硼化物、氮化物纳米颗粒，通过焙烧处理，可以在纳米颗粒表面形成复杂氧化物，增强与金属基体的润湿性。
进一步，所述焙烧法为：将纳米颗粒粉末在60-100℃下烘1-2h，然后在300-800℃保温0.5-4h。
进一步，所述步骤(1)中，超声分散时间为0.5-2h。
进一步，所述步骤(2)中，球磨时，球料比为10-120∶1，球磨时间为1-10h，优选为2-10h。
进一步，所述步骤(3)中，球磨时间为10-36h，优选为10-24h，更优选为10-20h。
进一步，所述步骤(3)中，烘干温度为50-70℃，烘干时间为1-3h。
进一步，所述步骤(3)中，去应力退火后的球磨过程中，球磨介质和球磨助剂的加入量与步骤(1)和(2)加入的球磨介质和球磨助剂的总量相同。
进一步，所述步骤(3)中，粉末在真空或惰性气氛下进行去应力退火处理，退火温度为150-650℃，退火时间为1-4h。
进一步，所述步骤(4)中，球磨时间为1-10h，优选为2-10h。
进一步，所述步骤(4)中，烘干温度为50-70℃，烘干时间为1-3h。
进一步，所述步骤(5)中，压制过程压力≥5MPa。
进一步，所述步骤(5)中，烧结过程在惰性气体保护下的厢式炉中进行，烧结方式选自真空烧结、放电等离子束烧结、热等静压烧结中的一种或多种。
进一步，所述步骤(5)中，致密化处理方式选自挤压、锻造、敦粗、轧制工艺中的一种或多种。
本发明第二方面提供一种根据第一方面所述的制备方法制得的纳米颗粒增强金属基复合材料，所述复合材料包含细鳞片状金属粉及镶嵌在金属粉上的纳米颗粒。
进一步，所述细鳞片状金属粉厚度为10-3500nm，直径为0.01-500μm。
进一步，所述复合材料中纳米颗粒的质量占比为0.01-85wt％。
如上所述，本发明的纳米颗粒增强金属基复合材料及其制备方法，具有以下有益效果：
本发明的制备方法首先对纳米颗粒进行表面改性和预分散处理，保证纳米颗粒在进入球磨罐球磨前已经处于相对分散状态，有利于球磨过程中其在金属粉表面均匀弥散分布；然后经球磨初期的低速球磨，充分混匀物料；在球磨中期结合金属粉末片化与纳米颗粒镶嵌机制，通过提高球磨转速，将具有一定塑性的金属粉末扁平化，使其具有极大的径厚比，同时，利用磨球对纳米颗粒施加作用力，使纳米颗粒镶嵌在片状金属粉末的表面，并通过去应力退火机制改善和消除片状金属粉的加工硬化现象，改善了片状粉的脱嵌、荷载纳米颗粒少的情况，避免纳米颗粒团聚恶化材料的最终力学性能；在球磨后期，通过降低转速，利用磨球对径厚比较大的片状金属粉末进行机械破碎；最后通过压制、烧结和致密化处理获得呈细鳞片状的纳米颗粒增强金属基复合材料粉末。
在常规的球磨工艺中，由于金属粉末经历严重塑性变形而造成加工硬化严重，导致纳米颗粒难以镶嵌或镶嵌后极易脱嵌。本发明在球磨中期停止球磨，然后通过蒸发取粉，并对此时的粉料进行去应力退火后，再重新球磨，能有效改善金属粉末的加工硬化现象，使纳米颗粒在金属粉末表面分散更加均匀、荷载量更高，减少或消除纳米颗粒在金属粉末表面脱嵌和荷载量少的现象。
本发明的制备方法简单、高效，适用于制备高质量的纳米颗粒增强金属基复合材料，也适合在工业上进行大规模生产。
附图说明
图1为本发明的纳米颗粒增强金属基复合材料的制备工艺流程图；
图2为本发明实施例1中片厚为200nm-500nm的片状铁粉的SEM图；
图3为本发明实施例1中荷载了纳米SiC颗粒的复合材料粉末的SEM图；
图4为本发明实施例1中纳米SiC颗粒增强铁基复合材料的SEM图；
图5为本发明对比例1中制得的纳米SiC颗粒增强铁基复合材料的SEM图；
图6为本发明对比例2中制得的纳米SiC颗粒增强铁基复合材料的SEM图；
图7为本发明实施例1中纳米SiC颗粒增强铁基复合材料的铸态样品实物图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本发明提供一种纳米颗粒增强金属基复合材料，所述复合材料为细鳞片状粉末，所述复合材料包含细鳞片状金属粉及镶嵌在金属粉上的纳米颗粒，所述复合材料中纳米颗粒的质量占比为0.01-85wt％，优选为0.8-85wt％，更优选为0.8-16wt％。其中，所述细鳞片状金属粉厚度为10-3500nm，优选为500-2500nm，更优选为500-1000nm；所述细鳞片状金属粉直径为0.01-500μm，优选为20-100μm，更优选为20-60μm。
本发明提供的纳米颗粒增强金属基复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)纳米颗粒的表面改性及预分散：
将纳米颗粒进行表面改性处理，改性后，将改性纳米颗粒、金属粉和球磨助剂混合后在球磨介质中充分超声，去除纳米颗粒表面的杂质并充分分散团聚的纳米颗粒；
(2)球磨初期：
将步骤(1)得到的混合物加入球磨罐中，再补充加入球磨介质和球磨助剂，进行低速球磨，球磨机转速为10-250r/min，使球磨罐中的物料混匀；
(3)球磨中期：
将球磨机转速增大至20-560r/min，继续球磨；然后停止球磨，将物料从球磨罐中取出，烘干成粉末；接着将粉末进行去应力退火处理，去应力退火后，将粉末、球磨介质和球磨助剂重新加入球磨罐中，将球磨机的转速调至20-560r/min，继续球磨，球磨介质和球磨助剂的加入量与步骤(1)和(2)加入的球磨介质和球磨助剂的总量相同；
(4)球磨后期：
将球磨机转速降低至10-250r/min，继续球磨；球磨结束后，将物料从球磨罐中取出，烘干，获得混合粉末；
(5)通过对步骤(4)得到的混合粉末进行压制、烧结和致密化处理，获得纳米颗粒增强金属基复合材料。
具体地，所述纳米颗粒选自氧化物、碳化物、硼化物、氮化物等纳米颗粒中的至少一种；优选地，所述氧化物选自Al2O3、ZrO2、TiO2、Y2O3中的至少一种，所述碳化物选自WC、TiC、ZrC、NbC、SiC中的至少一种，所述硼化物选自BN、TiB2、ZrB2、NbB2中的至少一种，所述氮化物选自Si3N4、TiN、VN、AlN中的至少一种。
具体地，所述金属粉选自铝、镁、铜、锌、镍、铁、钛、钴、铬、银及前其合金粉末中的至少一种。
具体地，所述球磨助剂选自硬脂酸、吐温80、吐温60、正庚烷中的至少一种。球磨助剂可在在纳米颗粒表面形成油膜，阻止纳米颗粒的再次团聚。
具体地，所述球磨介质为无水乙醇。
具体地，步骤(1)中，纳米颗粒与金属粉的质量比为0.01-45∶99.99-55，优选为1-45∶99-55，更优选为1-15∶99-75。
具体地，步骤(1)中，纳米颗粒的表面改性处理方法为焙烧法，具体操作方法为：将纳米颗粒粉末在60-100℃下烘1-2h，然后在300-800℃保温0.5-4h。焙烧的目的是除去纳米颗粒表面的有机污染物，同时，对于某些碳化物、硼化物、氮化物纳米颗粒，通过焙烧处理，可以在纳米颗粒表面形成复杂氧化物，增强与金属基体的润湿性。
具体地，步骤(1)中，超声分散时间为0.5-2h。
具体地，步骤(2)中，球磨时间为1-10h，优选为2-10h。
具体地，步骤(3)中，球磨时间为10-36h，优选为10-24h，更优选为10-20h。
具体地，步骤(4)中，球磨时间为1-10h，优选为2-10h。
具体地，步骤(3)、(4)中，烘干温度为50-70℃，烘干时间为1-3h。
具体地，步骤(3)中，粉末在真空或惰性气氛下进行去应力退火处理，退火温度为150-650℃，退火时间为1-4h。
具体地，步骤(5)中，压制过程压力≥5MPa。
具体地，步骤(5)中，烧结过程在惰性气体保护下的厢式炉中进行，烧结温度为1000-1200℃，烧结时间为1-3h，烧结方式选自真空烧结、放电等离子束烧结、热等静压烧结中的一种或多种；惰性气体选自氮气、氦气、氩气中的至少一种。
具体地，步骤(5)中，致密化处理方式选自挤压、锻造、敦粗、轧制工艺中的一种或多种。
下面通过具体的实施例来对本发明的方案进行进一步说明。
实施例1
一种纳米SiC颗粒增强铁基复合材料，其制备方法包括如下步骤：
(1)纳米颗粒的表面改性及预分散：
选择粒径为100nm的球形纳米SiC颗粒粉末，将纳米粉末在80℃下烘干1-2h，随后在500℃焙烧2h，获得改性后的纳米SiC。称取质量比为1∶5的改性纳米SiC和超细铁粉，再加入0.5wt％硬脂酸，混合后在无水乙醇中超声0.5h。
(2)球磨初期：
将步骤(1)制备得到的混合物加入球磨罐中，再补充适量的无水乙醇和硬脂酸，进行球磨，球料比为10∶1，球磨机转速为80rpm，球磨2h，将球磨罐的物料充分混匀。
(3)球磨中期：
随后将球磨机转速增至180rpm，球磨5h后，取出物料，在60℃下烘干2h得到粉末。随即在真空管式炉中进行去应力退火，退火温度250℃，退火时间1h。退火后重新加入相同比例的无水乙醇和硬脂酸，继续球磨，球磨转速180rpm，球磨时间5h。
(4)球磨后期：
降低转速至120rpm，球磨时间2h，球磨结束后，静置一段时间，然后蒸发取粉，烘干温度为60℃，烘干时间为2h，获得混合粉末。
(5)将步骤(4)获得的混合粉末在30MPa压力下冷压成型直径为40mm、厚度为40mm的坯体，将坯体放入氮气保护的厢式炉中，在1050℃下真空烧结2h，然后在900℃下热轧两道次，厚度方向减薄至10mm，得到纳米SiC颗粒增强铁基复合材料，其组成及室温力学性能列于表1，其铸态样品实物图如图7所示。
图2、3、4分别显示为片状铁粉、荷载了纳米SiC颗粒的复合材料粉末、纳米SiC颗粒增强铁基复合材料的SEM图。
本实施例制得的纳米SiC颗粒增强铁基复合材料中，纳米颗粒的质量占比为15-16wt％，细鳞片状铁粉厚度为500nm，直径为50-60μm，径厚比为100-120。
实施例2
一种纳米Al2O3颗粒增强镍基复合材料，其制备方法包括如下步骤：
(1)纳米颗粒的表面改性及预分散：
选择粒径为30nm的球形纳米Al2O3颗粒粉末，将纳米粉末在100℃下烘干1h，随后在800℃焙烧0.5h，获得改性后的纳米Al2O3。称取质量比为1∶99的改性纳米Al2O3和超细镍粉，再加入0.5wt％硬脂酸，混合后在无水乙醇中超声1h。
(2)球磨初期：
将步骤(1)制备得到的混合物加入球磨罐中，再补充适量的无水乙醇和吐温80，进行球磨，球料比为30：1，球磨机转速为250r/min，球磨2h，将球磨罐的物料充分。
(3)球磨中期：
随后将球磨机转速增至560r/min，球磨12h后，取出物料，在70℃下烘干1h得到粉末。随即在真空管式炉中进行去应力退火，退火温度650℃，退火时间2h。退火后重新加入相同比例的无水乙醇和吐温80，继续球磨，球磨转速560r/min，球磨时间12h。
(4)球磨后期：
降低转速至250r/min，球磨时间2h，球磨结束后，静置一段时间，然后蒸发取粉，烘干温度为70℃，烘干时间为1h，混合混合粉末。
(5)将步骤(4)获得的混合粉末在100MPa压力下冷压成型直径为40mm、厚度为40mm的坯体，将坯体放入氮气保护的厢式炉中，在1000℃下真空烧结3h，然后在900℃下反复锻压，得到纳米Al2O3颗粒增强镍基复合材料，其室温力学性能列于表1。
本实施例制得的纳米Al2O3颗粒增强镍基复合材料中，纳米颗粒的质量占比为0.8-1.0wt％，细鳞片状镍粉厚度为900nm，直径为20-30μm，径厚比为22.2-33.3。
实施例3
一种纳米氮化硼颗粒增强铁基复合材料，其制备方法包括如下步骤：
(1)纳米颗粒的表面改性及预分散：
选择粒径为100nm的球形纳米氮化硼颗粒粉末，将纳米粉末在60℃下烘干2h，随后在300℃焙烧4h，获得改性后的纳米氮化硼。称取质量比为1：49的改性纳米氮化硼和超细铁粉，再加入0.6wt％硬脂酸，混合后在无水乙醇中超声0.5h。
(2)球磨初期：
将步骤(1)制备得到的混合物加入球磨罐中，再补充适量的无水乙醇和硬脂酸，进行球磨，球料比为50∶1，球磨机转速为50r/min，球磨8h，将球磨罐的物料充分。
(3)球磨中期：
随后将球磨机转速增至400r/min，球磨8h后，取出物料，在50℃下烘干3h得到粉末。随即在真空管式炉中进行去应力退火，退火温度150℃，退火时间3h。退火后重新加入相同比例的无水乙醇和硬脂酸，继续球磨，球磨转速400r/min，球磨时间8h。
(4)球磨后期：
降低转速至50r/min，球磨时间10h，球磨结束后，静置一段时间，然后蒸发取粉，烘干温度为50℃，烘干时间为3h，获得混合粉末。
(5)将步骤(4)获得的混合粉末在200MPa压力下冷压成型直径为40mm、厚度为40mm的坯体，将坯体放入氮气保护的厢式炉中，在1200℃下真空烧结1h，然后在800℃下反复锻压，得到纳米氮化硼颗粒增强铁基复合材料，其室温力学性能列于表1。
本实施例制得的纳米氮化硼颗粒增强铁基复合材料中，纳米颗粒的质量占比为1.8-2.1wt％，细鳞片状铁粉厚度为800nm，直径为30-50μm，径厚比为37.5-62.5。
实施例4
一种纳米SiO2颗粒增强铝基复合材料，其制备方法包括如下步骤：
(1)纳米颗粒的表面改性及预分散：
选择粒径为100nm的球形纳米SiO2颗粒粉末，将纳米粉末在90℃下烘干1h，随后在4℃焙烧3h，获得改性后的纳米SiO2。称取质量比为1∶79的改性纳米SiO2和超细铝粉，再加入0.5wt％硬脂酸，混合后在无水乙醇中超声2h。
(2)球磨初期：
将步骤(1)制备得到的混合物加入球磨罐中，再补充适量的无水乙醇和硬脂酸，进行球磨，球料比为80∶1，球磨机转速为100r/min，球磨5h，将球磨罐的物料充分。
(3)球磨中期：
随后将球磨机转速增至300r/min，球磨10h后，取出物料，在60℃下烘干2h得到粉末。随即在真空管式炉中进行去应力退火，退火温度200℃，退火时间1h。退火后重新加入相同比例的无水乙醇和硬脂酸，继续球磨，球磨转速300r/min，球磨时间10h。
(4)球磨后期：
降低转速至120r/min，球磨时间6h，球磨结束后，静置一段时间，然后蒸发取粉，烘干温度为60℃，烘干时间为2h，获得混合粉末。
(5)将步骤(4)获得的混合粉末在300MPa压力下冷压成型直径为40mm、厚度为40mm的坯体，将坯体放入氮气保护的厢式炉中，在1150℃下真空烧结2h，然后在400℃真空挤压炉中保温1小时后，以30∶1的挤压比、1.5mm/min的挤压速率挤压为直径6mm的圆棒，其室温力学性能列于表1。
本实施例制得的纳米SiO2颗粒增强铝基复合材料中，纳米颗粒的质量占比为1.15-1.25wt％，细鳞片状铝粉厚度为1000nm，直径为20-30μm，径厚比为20-30。
对比例1
一种纳米SiC颗粒增强铁基复合材料，其制备方法包括如下步骤：
(1)纳米颗粒的表面改性及预分散：
选择粒径为100nm的球形纳米SiC颗粒粉末，将纳米粉末在80℃下烘干1-2h，随后在500℃焙烧2h，获得改性后的纳米SiC。称取质量比为1∶5的改性纳米SiC和超细铁粉，再加入0.5wt％硬脂酸，混合后在无水乙醇中超声0.5h。
(2)球磨初期：
将步骤(1)制备得到的混合物加入球磨罐中，再补充适量的无水乙醇和硬脂酸，进行球磨，球料比为10∶1，球磨机转速为80rpm，球磨2h，将球磨罐的物料充分混匀。
(3)球磨中期：
随后将球磨机转速增至180rpm，球磨10h后，停机3h，不进行去应力退火。
(4)球磨后期：
降低转速至120rpm，球磨时间2h，球磨结束后，静置一段时间，然后蒸发取粉，烘干温度为60℃，烘干时间为2h，获得混合粉末。
(5)将步骤(4)获得的混合粉末在30MPa压力下冷压成型直径为40mm、厚度为40mm的坯体，在1050℃下真空烧结2h，然后在900℃下热轧两道次，厚度方向减薄至10mm，得到纳米SiC颗粒增强铁基复合材料，其室温力学性能列于表1，其SEM图如图5所示。
本对比例制得的纳米SiC颗粒增强铁基复合材料中，纳米颗粒的质量占比为15-16wt％，细鳞片状铁粉厚度为2.5μm，直径为30-50μm，径厚比为12-20。
对比例2
一种纳米SiC颗粒增强铁基复合材料，其制备方法包括如下步骤：
(1)球磨初期：
根据比例称取质量比为1∶5的纳米SiC和超细铁粉，加入球磨罐中，再加入一定量的无水乙醇和硬脂酸，进行球磨，球料比为10∶1，球磨机转速为80rpm，球磨1h，将球磨罐的物料充分。
(2)球磨中期：
随后将球磨机转速增至180rpm，球磨5h后，取出物料，在60℃下烘干2h得到粉末。随即在真空管式炉中进行去应力退火，退火温度250℃，退火时间1h。退火后重新加入无水乙醇和硬脂酸，继续球磨，球磨转速180rpm，球磨时间5h。
(3)球磨后期：
降低转速至120rpm，球磨时间2h，球磨结束后，静置一段时间，然后蒸发取粉，烘干温度为60℃，烘干时间为2h，获得混合粉末。
(4)将步骤(4)获得的混合粉末在30MPa压力下冷压成型直径为40mm、厚度为40mm的坯体，在1050℃下真空烧结2h，然后在900℃下热轧两道次，厚度方向减薄至10mm，得到纳米SiC颗粒增强铁基复合材料，其室温力学性能列于表1，其SEM图如图6所示。
本对比例制得的纳米SiC颗粒增强铁基复合材料中，纳米颗粒的质量占比为13-14wt％，细鳞片状铁粉厚度为900nm，直径为40-50μm，径厚比为44.4-55.5。
对实施例1-4、对比例1-2中的复合材料力学性能进行检测，结果如表1所示。
表1复合材料组成及其室温力学性能
Figure BDA0002884551780000111
由表1可知，实施例1-4中的复合材料均有良好的力学性能。实施例1与对比例1相比，复合材料的力学性能更好，且经过多次重复实验发现，实施例1的结果重复性好，而对比例1的结果波动较大，且对比例1的试样在拉伸过程中常常发生异常断裂，这可能是由于未经过中间应力退火的复合材料中，纳米颗粒分布并不均匀，导致材料组织并不均匀，在拉伸实验中容易发生异常断裂。
同时，从图4和图5对比分析可以知晓，实施例1的纳米SiC颗粒增强铁基复合材料中，纳米颗粒在基体中分布更为均匀、弥散；对比例1的复合材料制备过程中没有进行去应力退火，从其复合材料SEM图中可以明显看到纳米颗粒更少、出现很多微米级颗粒，说明在烧结过程中纳米颗粒发生了团聚、烧结，严重影响了材料的性能，因此去应力退火这一步步骤非常关键，在球磨中期进行去应力退火能够显著地提升复合材料的性能。
将实施例1和对比例2、图4和图6对比可知，实施例1的纳米SiC颗粒增强铁基复合材料中，纳米颗粒在基体中分布更为均匀、弥散，这表明对纳米颗粒进行表面改性和预分散处理，使纳米颗粒在进入球磨罐球磨前已经处于相对分散状态，有利于球磨过程中纳米颗粒在金属粉表面均匀弥散分布，并提高纳米颗粒在金属基体上的的荷载量。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种纳米颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）纳米颗粒的表面改性及预分散：
将纳米颗粒进行表面改性处理，纳米颗粒的表面改性处理方法为焙烧法，所述焙烧法为：将纳米颗粒粉末在60-100℃下烘1-2h，然后在300-800℃保温0.5-4h；改性后，将改性纳米颗粒、金属粉和球磨助剂混合后在球磨介质中充分超声，去除纳米颗粒表面的杂质并充分分散团聚的纳米颗粒；
（2）球磨初期：
将步骤（1）得到的混合物加入球磨罐中，再补充加入球磨介质和球磨助剂，进行低速球磨，球磨机转速为10-250 r/min，使球磨罐中的物料混匀；
（3）球磨中期：
将球磨机转速增大至20-560r/min，继续球磨；然后停止球磨，将物料从球磨罐中取出，烘干成粉末；接着将粉末进行去应力退火处理，去应力退火后，将粉末、球磨介质和球磨助剂重新加入球磨罐中，将球磨机的转速调至20-560r/min，继续球磨；
（4）球磨后期：
将球磨机转速降低至10-250 r/min ，继续球磨；球磨结束后，将物料从球磨罐中取出，烘干，获得混合粉末；
（5）通过对步骤（4）得到的混合粉末进行压制、烧结和致密化处理，获得纳米颗粒增强金属基复合材料，所述复合材料包含细鳞片状金属粉及镶嵌在金属粉上的纳米颗粒。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述纳米颗粒选自氧化物、碳化物、硼化物、氮化物纳米颗粒中的至少一种；
和/或，所述金属粉选自铝、镁、铜、锌、镍、铁、钛、钴、铬、银及其合金粉末中的至少一种；
所述球磨助剂选自硬脂酸、吐温80、吐温60、正庚烷中的至少一种；
所述球磨介质为无水乙醇。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，纳米颗粒与金属粉的质量比为0.01-45:99.99-55；
和/或，所述步骤（1）中，超声分散时间为0.5-2h。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，球磨时，球料比为10-120:1，球磨时间为1-10h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，球磨时间为10-36h；
和/或，所述步骤（4）中，球磨时间为1-10h；
和/或，所述步骤（3）和（4）中，烘干温度为50-70℃，烘干时间为1-3h；
和/或，所述步骤（3）中，去应力退火后的球磨过程中，球磨介质和球磨助剂的加入量与步骤（1）和（2）加入的球磨介质和球磨助剂的总量相同。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，粉末在真空或惰性气氛下进行去应力退火处理，退火温度为150-650℃，退火时间为1-4h。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中，压制过程压力≥5MPa；
和/或，所述步骤（5）中，烧结过程在惰性气体保护下的厢式炉中进行，烧结方式选自真空烧结、放电等离子束烧结、热等静压烧结中的一种或多种；
和/或，所述步骤（5）中，致密化处理方式选自挤压、锻造、敦粗、轧制工艺中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述细鳞片状金属粉厚度为10-3500nm，直径为0.01 -500μm。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述复合材料中纳米颗粒的质量占比为0.01-85 wt%。
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