CN115094354A - 一种金属基复合材料的制备方法、搅拌摩擦转角挤压装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种金属基复合材料的制备方法、搅拌摩擦转角挤压装置，涉及复合材料制备技术领域。本发明提供的金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：在金属基体上打孔，在孔内添加增强体，得到待制备试样；在搅拌摩擦头的搅拌作用下金属基体与增强体混合，得到混合后的材料；将所述混合后的材料进行等通道转角挤压，得到金属基复合材料。本发明通过搅拌摩擦头的搅拌作用将增强体均匀分散在金属基体中，进行等通道转角挤压时，剪切变形使复合材料晶粒进一步细化，同时起到形变强化作用。本发明的制备工艺简单，制备过程不需要任何保护气体，且能避免金属基体可能被污染和氧化问题，制备的金属基复合材料具有优异的强韧性。

Description

一种金属基复合材料的制备方法、搅拌摩擦转角挤压装置
技术领域
本发明涉及复合材料制备技术领域，具体涉及一种金属基复合材料的制备方法、搅拌摩擦转角挤压装置。
背景技术
现有技术中，为提高金属材料强韧性等力学性能，通常采用调控材料微观组织结构和内部缺陷的合金化方法，即利用固溶强化、细晶强化、弥散强化和形变强化机制，但这些方法并不改变材料的本征特性，导致其提高金属材料综合性能的效果受到局限。为进一步满足高科技领域和新兴产业对高性能金属材料的迫切需求，制备金属基复合材料成为提高金属综合性能的重要方法。
金属基复合材料的制备方法主要有搅拌铸造法、压力浸润法、粉末冶金法、薄膜冶金法以及原位合成法。搅拌铸造法存在高温界面反应的缺点，需气氛或覆盖剂保护，而且当金属基合金密度较小时，增强体难以分布均匀。压力浸润法中，如果金属基合金在大气下易氧化燃烧，整个制备过程需要在真空或保护性气氛中进行，高温下基体容易对增强体侵蚀而使性能降低。粉末冶金法中，如果金属基合金具有易氧化的特性，则所有操作均需在保护性气氛下进行，制备过程中需要进行重复压制和挤压，制造工艺复杂，金属粉末可能发生污染，增强体不容易分散。薄膜冶金法存在制备工艺复杂，所有操作均需在惰性气体保护下进行，设备条件要求高、成本高的缺点。原位合成法中的增强体体积分数较低，增强效果也相应受限。
旋转挤压复合材料法是一种新的合金化技术，该技术可以克服多种已有制备技术的不足，如该技术可以避开复杂的凝固过程；能形成高韧性的纳米晶结构；能制备难融金属的合金化以及非平衡相的生成等，但采用旋转挤压制备的复合材料形成后无法做到进一步细化晶粒和热处理调控金属基体中的第二相，增强效果不佳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属基复合材料的制备方法、搅拌摩擦转角挤压装置，本发明的制备工艺简单，制备过程不需要任何保护气体，且能避免金属基体可能被污染和氧化问题，制备的金属基复合材料具有优异的强韧性。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
在金属基体上打孔，在孔内添加增强体，得到待制备试样；
在搅拌摩擦头的搅拌作用下金属基体与增强体混合，得到混合后的材料；
将所述混合后的材料进行等通道转角挤压，得到金属基复合材料。
优选地，所述等通道转角挤压的内转角大于90°且小于180°。
优选地，所述金属基体的元素包括铝、镁、铜、锌和铅中的一种或几种。
优选地，所述增强体包括纤维类增强体、晶须类增强体、颗粒类增强体和其他类增强体中的一种或几种；所述其他类增强体包括碳纳米管和石墨烯中的一种或几种。
优选地，所述纤维类增强体的直径为5～150μm；所述纤维类增强体包括碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、氧化硅纤维、硼纤维、碳化硅纤维和氮化硼纤维中的一种或几种；
所述晶须类增强体的直径为0.2～1μm；所述晶须类增强体包括陶瓷晶须类增强体和金属晶须类增强体中的一种或几种；
所述颗粒类增强体的直径小于50μm；所述颗粒类增强体的组分包括Al2O3、SiC、TiC、B4C、TiB2、BN、AlN、Si3N4、NbN、SiO2、VC、WC、ZrC、ZrB2、ZrO2、MgO、MoSi2、Mo2C、MoS2、YAl2、石墨和细金刚石中的一种或几种。
优选地，所述增强体的质量为金属基体质量的0.01～10％。
优选地，所述等通道转角挤压后，还包括：将所得挤压材料进行原位淬火，得到金属基复合材料。
优选地，所述原位淬火的淬火介质包括空气、液氮、液态二氧化碳、水、水溶液、矿物油、熔盐或熔碱。
本发明提供了一种搅拌摩擦转角挤压装置，包括挤压模具以及设置在所述挤压模具上方的压板；所述挤压模具和压板之间还设置有两个挤压块；两个所述挤压块分别设置于所述挤压模具的两端，所述压板、挤压模具和两个挤压块之间形成搅拌摩擦挤压型腔；
所述搅拌摩擦挤压型腔内安装有搅拌摩擦头；
所述挤压模具内部还设置有等通道转角挤压型腔；所述搅拌摩擦挤压型腔与所述等通道转角挤压型腔相连通；
所述等通道转角挤压型腔的底部设置有挤压出口。
优选地，所述挤压出口处设置有冷却装置。
本发明提供了一种金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：在金属基体上打孔，在孔内添加增强体，得到待制备试样；在搅拌摩擦头的搅拌作用下金属基体与增强体混合，得到混合后的材料；将所述混合后的材料进行等通道转角挤压，得到金属基复合材料。本发明利用搅拌摩擦头与金属基体之间的摩擦热软化金属基体，通过搅拌摩擦头的搅拌作用将增强体均匀分散在金属基体中，从而实现增强体强化金属基体作用；搅拌摩擦头的搅拌作用可将金属基体晶粒破碎并焊合，从而实现金属基体细晶强化作用；经搅拌后的金属基体与增强体形成复合材料，进行等通道转角挤压时，剪切变形使复合材料晶粒进一步细化，同时起到形变强化作用。本发明的制备工艺简单，制备过程不需要任何保护气体，且能避免金属基体可能被污染和氧化问题，制备的金属基复合材料具有优异的强韧性。
作为本发明的优选，所述等通道转角挤压后，将所得挤压材料进行原位淬火，能够抑制晶粒长大，并调控金属基体中的第二相，起到进一步强化作用。
附图说明
图1为本发明搅拌摩擦转角挤压装置的示意图；其中，1为挤压模具，2为压板，3为挤压块，4为搅拌摩擦挤压型腔，5为搅拌摩擦头，6为挤压出口，7为冷却装置，8为金属基体，9为增强体，10为金属基复合材料。
具体实施方式
本发明提供了一种金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
在金属基体上打孔，在孔内添加增强体，得到待制备试样；
在搅拌摩擦头的搅拌作用下金属基体与增强体混合，得到混合后的材料；
将所述混合后的材料进行等通道转角挤压，得到金属基复合材料。
本发明在金属基体上打孔，在孔内添加增强体，得到待制备试样。在本发明中，所述金属基体的元素优选包括铝、镁、铜、锌和铅中的一种或几种，更优选为7075-T6铝合金、LAZ933镁锂合金或AZ31镁合金。在本发明中，所述金属基体优选为块状金属。本发明采用块状金属，无需提前制备金属粉末，制备工艺简便。
在本发明中，所述增强体优选包括纤维类增强体、晶须类增强体、颗粒类增强体和其他类增强体中的一种或几种；所述其他类增强体包括碳纳米管和石墨烯中的一种或几种。在本发明中，所述纤维类增强体的直径优选为5～150μm；所述纤维类增强体优选包括碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、氧化硅纤维、硼纤维、碳化硅纤维和氮化硼纤维中的一种或几种；所述碳纤维优选为石墨纤维。在本发明中，所述晶须类增强体的直径优选为0.2～1μm；所述晶须类增强体优选包括陶瓷晶须类增强体和金属晶须类增强体中的一种或几种；所述陶瓷晶须类增强体优选包括氧化物晶须和非氧化物晶须；所述氧化物晶须优选包括Al2O3和/或BeO；所述非氧化物晶须优选包括SiC、Si3N4和SiN中的一种或几种；所述金属晶须类增强体优选包括Cu晶须、Cr晶须、Fe晶须和Ni晶须中的一种或几种。在本发明中，所述颗粒类增强体的直径优选小于50μm；所述颗粒类增强体的组分优选包括Al2O3、SiC、TiC、B4C、TiB2、BN、AlN、Si3N4、NbN、SiO2、VC、WC、ZrC、ZrB2、ZrO2、MgO、MoSi2、Mo2C、MoS2、YAl2、石墨和细金刚石中的一种或几种。在本发明中，所述碳纳米管的长径比优选为50～2000；所述石墨烯的尺寸优选为5～200μm。
在本发明中，所述增强体的质量优选为金属基体质量的0.01～10％，更优选为0.5～5％。
在本发明中，所述孔的直径优选为2～7mm。本发明优选在金属基体上打多个孔，在每个孔内均匀添加增强体，相邻两孔的间距优选为5～20mm；孔的深度优选为1～9mm。
得到待制备试样后，本发明在搅拌摩擦头的搅拌作用下金属基体与增强体混合，得到混合后的材料。在本发明中，优选将两块待制备试样分别放置在搅拌摩擦头的两侧。在本发明中，所述搅拌摩擦头的旋转速度优选为200～1000r/min，更优选为315r/min。
本发明优选在所述搅拌摩擦头的搅拌过程中，利用挤压块将两块待制备试样挤压靠近所述搅拌摩擦头。在本发明中，所述挤压块的挤压速度优选为0.1～5mm/s，更优选为0.28mm/s。
得到混合后的材料后，本发明将所述混合后的材料进行等通道转角挤压，得到金属基复合材料。在本发明中，所述等通道转角挤压的内转角优选大于90°且小于180°，更优选为135°。本发明利用等通道转角挤压使增强体在金属基体中均匀分布，且能细化金属基体晶粒。
本发明在所述等通道转角挤压后，优选还包括：将所得挤压材料进行原位淬火，得到金属基复合材料。在本发明中，所述原位淬火的淬火介质优选包括空气、液氮、液态二氧化碳、水、水溶液、矿物油、熔盐或熔碱。
在本发明中，所述金属基复合材料在空气气氛中进行制备，不需要真空或保护气体。
本发明提供了一种搅拌摩擦转角挤压装置，包括挤压模具以及设置在所述挤压模具上方的压板；所述挤压模具和压板之间还设置有两个挤压块；两个所述挤压块分别设置于所述挤压模具的两端，所述压板、挤压模具和两个挤压块之间形成搅拌摩擦挤压型腔；
所述搅拌摩擦挤压型腔内安装有搅拌摩擦头；
所述挤压模具内部还设置有等通道转角挤压型腔；所述搅拌摩擦挤压型腔与所述等通道转角挤压型腔相连通；
所述等通道转角挤压型腔的底部设置有挤压出口。
作为本发明的一个实施例，所述搅拌摩擦头为动轴肩搅拌摩擦头或静轴肩搅拌摩擦头。
作为本发明的一个实施例，所述搅拌摩擦头设置在等通道转角挤压型腔的上方。
作为本发明的一个实施例，所述等通道转角挤压型腔的内转角优选大于90°且小于180°。作为本发明的一个实施例，所述等通道转角挤压型腔的内径为5～20mm。
作为本发明的一个实施例，所述等通道转角挤压型腔的底部与挤压模具的底部在同一水平线上。
作为本发明的一个实施例，所述挤压出口处设置有冷却装置。在本发明中，所述冷却装置优选包括水冷却装置、油冷却装置、液氮冷却装置或液态二氧化碳冷却装置。
在本发明的具体实施例中，先在金属基体上进行打孔，在孔内添加增强体，得到待制备试样；将两块所述待制备试样置于搅拌摩擦挤压型腔中，分别放置在搅拌摩擦头的两侧，盖上压板，待制备试样在两端挤压块挤压作用下与搅拌摩擦头接触，搅拌摩擦头与金属基体产生摩擦热并软化金属基体，在搅拌摩擦头搅拌作用下，金属基体与增强体发生混合，得到混合后的材料；所述混合后的材料进入搅拌摩擦头下方的等通道转角挤压型腔，在挤压模具两侧挤压力作用下，材料从挤压模具下方挤压出口挤出，形成金属基复合材料。作为本发明的一个实施例，在挤压出口位置采用冷却装置对金属基复合材料进行原位淬火。
本发明采用搅拌摩擦加工技术、等通道转角挤压技术和热处理技术制备金属基复合材料，可同时实现多种强化作用。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中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。
实施例1
制备碳纳米管(CNTs)增强7075-T6铝合金基复合材料
1)在金属基体7075-T6铝合金板材上打孔，添加增强体碳纳米管(长径比为50～2000)，形成待制备试样，如图1所示；
2)将两块待制备试样分别从挤压模具两侧放入搅拌摩擦挤压型腔中，如图1所示，通过挤压块将待制备试样挤压靠近搅拌摩擦头；
3)搅拌摩擦头的旋转速度为315r/min，两侧挤压块的挤压速度为0.28mm/s；
4)旋转的搅拌摩擦头与两块待制备试样摩擦，产生的热量使待制备试样发生软化，在搅拌摩擦头的搅拌作用下，金属基体7075-T6铝合金与碳纳米管发生混合，得到混合后的材料；
5)所述混合后的材料进入搅拌摩擦头下方的等通道转角挤压型腔，在挤压模具两侧挤压力作用下，材料从挤压模具下方挤压出口挤出，等通道转角挤压型腔的内转角为135°；
6)复合材料从挤压出口挤出后，原位进行液氮淬火处理，得到碳纳米管(CNTs)增强7075-T6铝合金基复合材料。
实施例2
制备过程与实施例1基本相同，不同之处仅在于，金属基体由“7075-T6铝合金”调整为“LAZ933镁锂合金”；增强体由“碳纳米管”调整为“粒径为小于3μm的金属间化合物颗粒YAl2”，得到金属间化合物颗粒YAl2增强LAZ933镁锂合金基复合材料。
实施例3
制备过程与实施例1基本相同，不同之处仅在于，金属基体由“7075-T6铝合金”调整为“AZ31镁合金”，得到碳纳米管增强AZ31镁合金基复合材料。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种金属基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在金属基体上打孔，在孔内添加增强体，得到待制备试样；
在搅拌摩擦头的搅拌作用下金属基体与增强体混合，得到混合后的材料；
将所述混合后的材料进行等通道转角挤压，得到金属基复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述等通道转角挤压的内转角大于90°且小于180°。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属基体的元素包括铝、镁、铜、锌和铅中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述增强体包括纤维类增强体、晶须类增强体、颗粒类增强体和其他类增强体中的一种或几种；所述其他类增强体包括碳纳米管和石墨烯中的一种或几种。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述纤维类增强体的直径为5～150μm；所述纤维类增强体包括碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、氧化硅纤维、硼纤维、碳化硅纤维和氮化硼纤维中的一种或几种；
所述晶须类增强体的直径0.2～1μm；所述晶须类增强体包括陶瓷晶须类增强体和金属晶须类增强体中的一种或几种；
所述颗粒类增强体的直径小于50μm；所述颗粒类增强体的组分包括Al2O3、SiC、TiC、B4C、TiB2、BN、AlN、Si3N4、NbN、SiO2、VC、WC、ZrC、ZrB2、ZrO2、MgO、MoSi2、Mo2C、MoS2、YAl2、石墨和细金刚石中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述增强体的质量为金属基体质量的0.01～10％。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述等通道转角挤压后，还包括：将所得挤压材料进行原位淬火，得到金属基复合材料。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述原位淬火的淬火介质包括空气、液氮、液态二氧化碳、水、水溶液、矿物油、熔盐或熔碱。
9.一种搅拌摩擦转角挤压装置，包括挤压模具以及设置在所述挤压模具上方的压板；所述挤压模具和压板之间还设置有两个挤压块；两个所述挤压块分别设置于所述挤压模具的两端，所述压板、挤压模具和两个挤压块之间形成搅拌摩擦挤压型腔；
所述搅拌摩擦挤压型腔内安装有搅拌摩擦头；
所述挤压模具内部还设置有等通道转角挤压型腔；所述搅拌摩擦挤压型腔与所述等通道转角挤压型腔相连通；
所述等通道转角挤压型腔的底部设置有挤压出口。
10.根据权利要求9所述的搅拌摩擦转角挤压装置，其特征在于，所述挤压出口处设置有冷却装置。
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CN115747546B (zh) * 2022-10-19 2024-01-05 中车工业研究院有限公司 石墨烯增强金属基复合材料的制备方法及搅拌摩擦装置

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