CN113084326A - 一种金属基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属基复合材料的制备方法，其包括步骤：(1)使用激光定向成形技术将金属粉末成型为具有孔洞的基材；(2)向所述孔洞中添加复合材料粒子；(3)对基材进行搅拌摩擦加工，以将基材与复合材料粒子进行融合，得到所述金属基复合材料。此外，本发明还公开了一种金属基复合材料，其采用上述的制备方法制得。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料及其制备方法，尤其涉及一种金属材料及其制备方法。
背景技术
金属基复合材料(Metal Matrix Composite，简称MMC)是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料。金属基复合材料所采用的增强材料大多为无机非金属，例如陶瓷、碳、石墨及硼等。金属基复合材料的特点在力学方面为横向及剪切强度较高，韧性及疲劳等综合力学性能较好，同时还具有导热、导电、耐磨、热膨胀系数小、阻尼性好等优点。金属基复合材料所采用的金属基体除金属铝、镁外，还有色金属钛、铜、锌、铅、铍超合金和金属间化合物以及黑色金属可以作为金属基体。现有的制备层状金属基材料的方法主要包括：轧制复合法、化学沉积法、堆积焊接法和喷涂法，但上述方法均存在孔洞缺陷，力学性能较差，制备效率低以及易受环境污染的问题。
例如：公开号为CN108909060A，公开日为2018年11月30日，名称为“一种层状复合材料制备方法”的中国专利文献公开了一种层状复合材料的制备方法。在该专利文献所公开的技术方案中，其通过在金属表面预先形成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形成机械互锁作用从而制备获得层状复合材料。该方法过程复杂，且应用到硫酸等化学药水，存在环保风险。并且所制备获得的有些材料仍存在大量的空洞，结合强度不高，力学性能不足。
又例如：公开号为CN107225301A，公开日为2017年10月3日，名称为“预置钎料不锈钢层状复合材料的制备及焊接方法”的中国专利文献公开了一种预置钎料不锈钢层状复合材料的制备及焊接方法。在该专利文献所公开的技术方案中，通过表面处理、冷轧复合、扩散退火等工艺步骤，最终得到用于板翅式油冷器的预置钎料不锈钢层状复合材料。然而，该工艺过程复杂，生产效率低，且需要高真空和高温处理，而且钎焊焊料环保方面存在难点。另外，所制备获得的预制钎料不锈钢层状复合材料的成膜强度低、界面可能存在空隙，结合力不够，综合力学性能差。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种金属基复合材料的制备方法，该制备方法针对现有技术中存在的不足，例如所制备的材料具有孔洞缺陷、力学性能差、制备效率低以及易受环境污染等问题，通过减少层间焊接界面，整体构建材料，并在其上形成具有孔洞的三维结构，同时在孔洞中添加复合材料粒子的方式，得到性能优异的金属基复合材料。
为了实现上述目的，本发明提出了一种金属基复合材料的制备方法，其包括步骤：
(1)使用激光定向成形技术将金属粉末成型为具有孔洞的基材；
(2)向孔洞中添加复合材料粒子；
(3)对基材进行搅拌摩擦加工，以将基材与复合材料粒子进行融合，得到金属基复合材料。
在本发明所述的金属基复合材料的制备方法中，通过激光定向成形技术将预制为金属基体的金属粉末通过3D打印技术加工成具有孔洞的基材。随后，向孔洞中添加复合材料粒子。为了使得添加了复合材料粒子实现均匀分布与整体结合，尤其是实现基材与复合材料粒子的良好结合，本案采用了搅拌摩擦加工，以使得基材与复合材料粒子进行融合。采用搅拌摩擦加工既可以避免现有技术中由于采用层间焊接界面，所导致的液态焊接的力学性能不高，恶化材料性能的缺陷，又可以实现基材与复合材料粒子之间的高效牢固结合。
在本技术方案中，基材可以根据需要选择各种金属材料，例如钢，又例如钛等。
进一步地，在本发明所述的制备方法中，其中金属基复合材料的孔隙率为10％-50％。
进一步地，在本发明所述的制备方法中，其中孔洞为形状不规则的孔洞，孔洞的外接圆的直径为0.3-1.5mm。
进一步地，在本发明所述的制备方法中，其中孔洞为立方体孔洞，其口径为0.5-1mm。
进一步地，在本发明所述的制备方法中，其中复合材料粒子选自下述各项的至少其中之一：WC、Al2O3、SiC、SiO2、ZrO2、BN、磷酸三钙的单晶体或非晶体。
进一步地，在本发明所述的制备方法中，其中复合材料粒子的平均颗粒尺寸小于孔洞孔径的1/2。
进一步地，在本发明所述的制备方法中，其中金属粉末的粒径为0.05-0.5mm。
进一步地，在本发明所述的制备方法中，搅拌摩擦加工的工艺参数选自下述各项的至少其中之一：
搅拌摩擦加工的前进速度为50-500mm/min；
搅拌摩擦加工的旋转速度为300-1800rpm；
搅拌摩擦加工每一道次的压下量为0.2-0.5mm；
加工道次为1-4次道。
进一步地，在本发明所述的制备方法，搅拌摩擦加工的搅拌头满足下列各项的至少其中之一：
搅拌头材质为马氏体不锈钢、中碳钢、高碳钢或钨基合金；
搅拌头的轴肩为圆锥形、圆柱形或圆台形；
搅拌头的长度为2-8mm。
进一步地，在本发明所述的制备方法中，当搅拌头的轴肩为圆台形时，搅拌头的底部直径为3-20mm，顶部直径为1-10mm；当搅拌头的轴肩为圆柱形时，搅拌头的直径为3-8mm。
进一步地，在本发明所述的制备方法中，基材包括至少两层具有孔洞的镂空层和设于该两层镂空层之间的实心层。
进一步地，在本发明所述的制备方法中，实心层的厚度为0.5-1mm。
进一步地，在本发明所述的制备方法中，镂空层的厚度为2-3mm。
进一步地，各所述镂空层的孔洞内添加的复合材料粒子可以为同种复合材料粒子或异种复合材料粒子。
相应地，本发明的另一目的在于提供一种金属基复合材料，该金属基复合材料的层间结合性能好，综合性能表现良好。
为了实现上述目的，本发明提出了一种金属基复合材料，其采用上述的制备方法制得。
本发明所述的金属基复合材料及其制备方法相较于现有技术具有如下所述的优点以及有益效果：
本发明所述的金属基复合材料的制备方法利用激光定向成形技术制备得到具有孔洞的基材，利用孔洞结构可以精确控制添加的复合材料粒子分布的区域和含量，从而提升材料的利用效率。
此外，本发明所述的金属基复合材料的制备方法通过搅拌摩擦加工对基材进行搅拌摩擦加工，可以消除孔洞或是裂纹等缺陷，使得基材的组织发生动态再结晶，同时复合材料粒子均匀分布在基材内，从而可以有效改善基材的性能，尤其是材料的塑韧性，从而提升材料服役寿命。
另外，本发明所述的金属基复合材料的制备方法的制备过程绿色环保，不会对环境造成污染。
本发明所述的金属基复合材料除了同样具有上述的优点以及有益效果外，其还具有材料间结合性能高的优点。
附图说明
图1示意性地显示了本发明所述的金属基复合材料在一些实施方式中的具有孔洞的基材的结构。
图2以局部剖开的形式示意性地显示了本发明所述的金属基复合材料在一些实施方式中的基材结构。
图3为本发明所述的金属基复合材料的制备方法在一些实施方式中的工艺流程图。
图4显示了实施例1的金属基复合材料的微观结构。
图5进一步放大地显示了实施例1的金属基复合材料的微观结构。
图6显示了实施例1的金属基复合材料与不添加复合材料粒子的基材的拉伸性能的对照情况。
具体实施方式
下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的金属基复合材料及其制备方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
实施例1-6
实施例1-6的金属基复合材料采用以下步骤制备获得：
(1)使用激光定向成形技术将金属粉末成型为具有孔洞的基材，其中所采用的金属粉末的类型可以参考表1。在进行激光定向成形技术将金属粉末进行3D打印成型时，先可以设计其模型结构，例如对于孔洞、基材的长宽等先进行设定，具体的结构设置可以参考表2。
(2)向孔洞中添加复合材料粒子，所采用的复合粒子可以参考表1。
(3)对基材进行搅拌摩擦加工，以将基材与复合材料粒子进行融合，得到金属基复合材料。
另外需要说明的是，在一些实施方式中，本技术方案中的基材可以是整体均分布有孔洞的三维结构。
在另外一些实施例中，本技术方案中的基材也可以是至少包括两层具有孔洞的镂空层和设于该两层镂空层之间的实心层。
当然，在其他的实施例中，这种两层镂空层中间夹一层实心层的结构也可以作为一个单元，从而在基材的厚度上多个叠加，以形成具有多个这种单元的基材。
另外，还需要说明的是，在各不同的镂空层的孔洞内可以分别填充不同类型的复合材料粒子。例如可以在厚度方向上相对位于上层的镂空层内添加第一复合材料粒子(例如SiC)，而在厚度方向上相对位于下层的镂空层内添加第二复合材料粒子(例如SiO2)。
在一些实施方式中，可以对搅拌摩擦加工的工艺参数进行设置，其可以选自选自下述各项的至少其中之一：
搅拌摩擦加工的前进速度为50-500mm/min；
搅拌摩擦加工的旋转速度为300-1800rpm；
搅拌摩擦加工每一道次的压下量为0.2-0.5mm；
加工道次为1-4次道。
此外，在另一些实施方式中，可以对搅拌摩擦加工的搅拌头进行设置，其可以满足下列各项的至少其中之一：
搅拌头材质为马氏体不锈钢、中碳钢、高碳钢或钨基合金；
搅拌头的轴肩为圆锥形、圆柱形或圆台形；
搅拌头的长度为2-8mm。
上述方案中，当搅拌头的轴肩为圆台形时，可以设置搅拌头的底部直径为3-20mm，顶部直径为1-10mm；而当搅拌头的轴肩为圆柱形时，可以设置搅拌头的直径为3-8mm。
表1列出了实施例1-6的金属基复合材料所采用的金属粉末以及复合材料粒子。
表1.
需要说明的是，表1中各实施例的金属粉末粒径不是点值而是范围值，是因为实际所制备获得的金属粉末的直径无法完全一致，并非完全一样，在各实施例中，金属粉末粒径分布范围是在0.05-0.5mm的范围内。
表2列出了实施例1-6的金属基复合材料所设计的基材的三维结构中的结构参数。
表2.
表3列出了实施例1-6的金属基复合材料所采用的搅拌摩擦加工中涉及的具体工艺参数。
表3.
图1示意性地显示了本发明所述的金属基复合材料在一些实施方式中的具有孔洞的三维结构。
如图1所示，通过激光定向成形技术可以将金属粉末成形为具有孔洞P的基材。在图1中示意性地显示了孔洞P为立方体孔洞的情况，但是在一些其他的实施方式中，孔洞P也可以为形状不规则的孔洞。当孔洞P为立方体孔洞，其直径为0.5-1mm。当孔洞P为形状不规则的孔洞，孔洞P的外接圆的直径可以为0.3-1.5mm。采用复合材料粒子对孔洞进行填充时，复合材料粒子的平均颗粒尺寸可以小于孔洞孔径的1/2。
图2示意性地显示了本发明所述的金属基复合材料在一些实施方式中的基材结构。
如图2所示，在该实施方式中，基材中部具有没有孔洞的实心层1，实心层1的上方是具有孔洞的上层镂空层2，实心层1的下方的具有孔洞的下层镂空层3。
需要说明的是，在填充复合材料粒子时，可以向上层镂空层2和下层镂空层3填充相同的复合材料粒子，也可以向上层镂空层2和下层镂空层3分别填充不同的复合材料粒子。
图3为本发明所述的金属基复合材料的制备方法在一些实施方式中的工艺流程图。
如图3所示，在本实施方式中，制备金属基复合材料的制备方法包括步骤：
(1)使用激光定向成形技术将金属粉末成型为具有孔洞的三维结构，以得到基材；
(2)向所述孔洞中添加复合材料粒子；
(3)对基材进行搅拌摩擦加工，以将基材与复合材料粒子进行融合，得到所述金属基复合材料。
图4显示了实施例1的金属基复合材料的微观结构，其基材为Ti，复合材料粒子为磷酸三钙。图5进一步放大地显示了实施例1的金属基复合材料的微观结构。
图6示意性地显示了实施例1的金属基复合材料与不添加复合材料粒子的基材的拉伸性能的对照情况。
如图6所示，曲线A表示没有添加过复合材料粒子的基材，曲线B表示基材中添加了复合材料粒子以制成的本案所述的金属基复合材料，由图6可以看出本技术方案的拉伸力学性能明显较基材更好。
综上所述，本发明所述的金属基复合材料的制备方法利用激光定向成形技术制备得到具有孔洞的三维结构的基材，利用孔洞结构可以精确控制添加的复合材料粒子分别的区域和含量，从而提升材料的利用效率。
此外，本发明所述的金属基复合材料的制备方法通过搅拌摩擦加工对基材进行搅拌摩擦加工，可以消除孔洞或是裂纹等缺陷，使得基材的组织发生动态再结晶，同时复合材料粒子均匀分布在基材内，从而可以有效改善基材的性能，尤其是塑韧性，从而提升材料服役寿命。
另外，本发明所述的金属基复合材料的制备方法制备过程绿色环保，没有对环境造成污染。
本发明所述的金属基复合材料除了同样具有上述的优点以及有益效果外，其还具有层间结合性能高、工艺流程简单耗时少的优点。
需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。
此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。
Claims (15)
1.一种金属基复合材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：
(1)使用激光定向成形技术将金属粉末成型为具有孔洞的基材；
(2)向所述孔洞中添加复合材料粒子；
(3)对基材进行搅拌摩擦加工，以将基材与复合材料粒子进行融合，得到所述金属基复合材料。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其中金属基复合材料的孔隙率为10％-50％。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其中所述孔洞为形状不规则的孔洞，所述孔洞的外接圆的直径为0.3-1.5mm。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其中所述孔洞为立方体孔洞，其口径为0.5-1mm。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其中所述复合材料粒子选自下述各项的至少其中之一：WC、Al2O3、SiC、SiO2、ZrO2、BN、磷酸三钙的单晶体或非晶体。
6.如权利要求1所述的制备方法，其中所述复合材料粒子的平均颗粒尺寸小于所述孔洞孔径的1/2。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其中所述金属粉末的粒径为0.05-0.5mm。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述搅拌摩擦加工的工艺参数选自下述各项的至少其中之一：
搅拌摩擦加工的前进速度为50-500mm/min；
搅拌摩擦加工的旋转速度为300-1800rpm；
搅拌摩擦加工每一道次的压下量为0.2-0.5mm；
加工道次为1-4次道。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述搅拌摩擦加工的搅拌头满足下列各项的至少其中之一：
搅拌头材质为马氏体不锈钢、中碳钢、高碳钢或钨基合金；
搅拌头的轴肩为圆锥形、圆柱形或圆台形；
搅拌头的长度为2-8mm。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，当搅拌头的轴肩为圆台形时，搅拌头的底部直径为3-20mm，顶部直径为1-10mm；当搅拌头的轴肩为圆柱形时，搅拌头的直径为3-8mm。
11.如权利要求1-10中任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述基材包括至少两层具有所述孔洞的镂空层和设于该两层镂空层之间的实心层。
12.如权利要求11所述的制备方法，其特征在于，各所述镂空层的孔洞内添加的复合材料粒子为同种或异种。
13.如权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述实心层的厚度为0.5-1mm。
14.如权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述镂空层的厚度为2-3mm。
15.一种金属基复合材料，其采用如权利要求1-14中任意一项所述的制备方法制得。
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