CN1263820A

CN1263820A - 层状复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN1263820A
Application number: CN 00101531
Authority: CN
Inventors: 李晋敏; 梁伟; 张绍远; 高原
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2000-01-09
Filing date: 2000-01-09
Publication date: 2000-08-23
Anticipated expiration: 2020-01-09
Also published as: CN1124934C

Abstract

一种多层层状复合材料的制备方法,属于材料高能加工范畴,涉及金属材料、陶瓷材料及机械加工领域。其特征是,利用陶瓷粉体、金属材料、合金材料,采用高能加工及机械加工的方式,进行多次循环爆炸焊接,依次制备出含陶瓷的复合颗粒原料、再复合颗粒混合原料、含陶瓷复合层的简单复合体,最终得到面焊接形式的含陶瓷复合层多层层状复合体材料,用以提高坦克装甲等抗冲击、耐高温、耐磨损领域的相关零部件的使用性能。

Description

层状复合材料的制备方法

一种多层层状复合材料的制备方法，属于材料高能加工领域，涉及金属材料、陶瓷材料及机械加工领域，具体地讲是一种制备陶瓷-金属或合金层状复合材料的工艺方法。

陶瓷具有高强度、高耐热性、高耐磨性等优异性能，具有广泛的应用前景。但因韧性差，其潜力远未得到充分发挥。研制陶瓷-金属复合材料，可以充分发挥陶瓷和金属这两种材料各自的优异特性，有效地扩大陶瓷材料的应用范围。

用面焊接方式制作大面积层状复合材料的工艺方法只有爆炸焊接和锻焊两种。爆炸焊接技术历史虽短，但其适用范围则相对较广。20世纪70年代，已经能够制造各种金属及其合金的爆焊复合板、管、壳等形状的复合材料；80年代，金属、合金粉体爆焊冲击固化合成块、片状固体材料的目标也已经实现。例如，我国大连造船厂(张铁生高级工程师等)早在60年代已开始研制和应用金属板材爆焊技术，中科院力学所也一直从事爆焊理论的研究工作。90年代，爆焊技术在我国飞速发展，专业生产厂家最多时发展到近二十家，仅我省，太原江阳化工厂、太原钢铁公司和阳泉矿务局均成立了专门从事爆炸焊接的下属单位。目前，我国已具有大型多层金属防护板、铜铝接线端子、碳钢-不锈钢爆焊-轧制复合板等爆焊产品的稳定生产能力。现在，金属爆炸焊接的机理已经为世人所知，爆炸焊接技术正向多层(28层以上)(日本，熊本大学冲击能研究所)、复杂混合形式及形状(日本，熊本大学冲击能研究所；日本，旭化成株式会社)、大面积(日本，旭化成株式会社)等方向发展。锻焊(包括热轧，从严格的意义上讲，它属于锻焊范畴，因此本专利中出现的“锻焊”这一词汇也包括热轧)则属于热塑性加工领域，目前只适用于金属及合金等塑性较高的材料。

综上所述，以陶瓷粉体与液态金属直接混合的方式制造陶瓷-金属复合材料及这类材料的爆炸焊接接合技术、以及采用爆焊方式接合陶瓷粉体层与金属板材的技术，仍然是爆焊领域尚未攻克的技术难关。目前还没有成功地应用这类工艺技术及其产品的实例。其原因在于陶瓷材料与金属材料在物理性质和化学性质方面均存在较大的差异，利用前述各类工艺或其简单组合，难以制备能满足使用要求的大面积复合层。

本发明目的在于，为解决陶瓷-金属、合金之间的接合问题，提供一种以爆炸焊接方式制备含陶瓷复合层的陶瓷-金属、合金大面积层状复合材料的工艺方法。

本发明是一种多层层状复合材料的制备方法，其特征在于，是一种利用爆炸焊接方式制备含陶瓷复合层的多层层状复合材料的方法，具体来讲就是在硝铵炸药爆炸时产生的超高压压力场中制造含陶瓷复合层的多层陶瓷金属合金层状复合材料的方法，这种方法利用陶瓷粉体及其混合物、铝、锌、锡、铜、铅、铁、镍、钼、钨、钴金属材料、铝合金、铜合金、锌合金、锡合金、碳钢、合金钢及其相互组合为原料，其步骤为：第一步准备颗粒尺寸规格小于3mm的陶瓷粉体、尺寸规格小于1mm的铝、锌、锡、铜、铅、铁、镍、钼、钨、钴金属粉体，以及块状及片状的上述金属材料和铝合金、铜合金、锌合金、锡合金、碳钢、合金钢，第二步：将准备好的陶瓷粉体与金属粉体进行机械混合，第三步：将混合好的金属粉体、合金颗粒及其混合体压实成坯料，第四步：将坯料进行烧结，其烧结温度为200℃-1400℃，第五步：将烧结坯料和压实坯料进行爆焊冲击固化，第六步：将烧结后坯料和爆焊冲击固化后坯料破碎成粒径尺寸小于4mm的颗粒，制成陶瓷-金属-合金复合颗粒、陶瓷-金属复合颗粒、陶瓷-合金复合颗粒、陶瓷复合颗粒，第七步：以第六步制成的复合颗粒，与第二步所备材料进行再次组合，制备出再复合颗粒混合原料，第八步：以第七步制成的再复合颗粒混合原料，置于金属材料、合金材料的表面，采用爆炸焊接及机械加工的方法，制备出含陶瓷复合层的简单复合体，第九步：采用循环爆炸焊接的方式，将上述简单复合体、金属材料、合金材料以界面接合的形式接合在一起，制造出含陶瓷复合层多层层状复合体材料。

本发明的多层层状复合体材料的制备方法，其特征在于所述的爆焊冲击固化方式为A.封闭：将烧结、压实的粉末及颗粒混合体置于封闭模膛中，B.隔离：用液体、气体介质将坯料与大气隔离，C.布药：将前述硝铵炸药置于隔离层外围、上、下部位，D.引爆：炸药爆炸的强大冲击波形成15万至35万大气压的超高压压力场，坯料颗粒在超高压作用下，瞬间完成位移、相互磨擦、表面软熔、挤压接合的过程，形成高密度粉体复合颗粒坯料。将坯料粉碎后，即可得到陶瓷-金属-合金复合颗粒、陶瓷-金属复合颗粒、陶瓷-合金复合颗粒、陶瓷复合颗粒。上述复合颗粒、陶瓷粉体、金属粉体、合金颗粒再次进行组合，就制备出再复合颗粒混合原料。

本发明的多层层状复合体材料的制备方法，其特征在于所述的利用爆炸焊接方式制备简单复合体的过程为A.将再复合颗粒混合原料涂布于金属材料、合金材料基板的被复表面，B.将金属材料、合金材料盖在被复表面的再复合颗粒混合原料形成的陶瓷复合层上，并对其侧面进行封闭，形成顺序为盖板材料-陶瓷复合层-基板材料形式的简单复合体，C.将硝铵炸药布于飞板上引爆，D.检验分类。经检验后，以飞板-陶瓷复合层-基板形式接合、且陶瓷表面层与飞板、基板的相对表面形成面接合的，就成为含陶瓷复合层的飞板-陶瓷复合层-基板面接合类型的简单复合体；以飞板-陶瓷复合层-基板形式接合、但陶瓷复合层上下表面的某些颗粒穿过飞板、基板的相对表面，进入其表层，形成面接合的，就成为含陶瓷复合层的飞板-陶瓷复合层-基板表层接合类型的简单复合体；以上述两种形式接合、但可以从陶瓷复合层分成两半的，即成为飞板-陶瓷复合层、基板-陶瓷复合层表面接合类型的简单复合体，以及飞板-陶瓷复合层、基板-陶瓷复合层表层接合类型的简单复合体。

本发明的多层层状复合体材料的制备方法，其特征在于所述的利用机械方式制备简单复合体的过程为A.将再复合颗粒混合原料放入液态、半液态金属、合金熔液中，B.进行搅拌，使原料在熔融金属液中混合均匀，C.浇注，D.压力加工整形，得到含陶瓷复合颗粒的简单复合体。

本发明的多层层状复合体材料的制备方法，其特征在于所述的界面接合的形式，其中陶瓷粉体以机械接合界面的形式包嵌于金属、合金内部，以内部嵌有陶瓷粉体、再复合颗粒混合原料的含陶瓷复合颗粒的简单复合体与金属、合金接合时，其表面的金属可以以机械嵌合的界面形式、分子结合的界面形式、机械嵌合与分子结合混合界面的形式与金属、合金制成的基板爆焊接合。

本发明提供的多层层状复合材料的制备方法，解决了因物理性质存在很大差异而一直未能实现的陶瓷-金属、合金之间的接合问题，扩大了陶瓷的应用范围，为制造装甲板、防护板等抗冲击零部件、抗磨零件、抗腐蚀零件提供了一种含陶瓷复合层的新型多层层状复合材料，从而有效地提高上述领域各类产品的使用性能，促进抗冲击、耐磨损、抗腐蚀零件的更新换代。

附图说明：[图1]爆焊加工方式及其与其它方式综合加工的陶瓷-金属复合材料。[图2]各类复合形式的复合体。图2.a.钢-Al2O3、铝复合体-GCr15钢；图2.b.不锈钢-Al2O3、铝复合体-20号钢-Al2O3、20号钢复合体-40Cr钢；图2.c.铝-片状Al2O3、钢复合体-不锈钢类多层复合体。[图3]陶瓷-金属复合颗粒制造过程。图1.a.原料；图1.b.料坯；图1.c.复合体；图1.d.陶瓷-金属复合颗粒。[图4]用爆焊方式制备金属表面或表层陶瓷层及其接合体类别。图4.a.上、下两侧金属材料局部接触并实现爆焊接合后得到的陶瓷-金属复合材料；图4.b.实现图a效果、且飞板与上侧金属实现爆焊接合后得到的陶瓷-金属复合材料；图4.c.爆焊后得到的带有单面陶瓷复合层的单层陶瓷-金属材料；图4.d.飞板、上侧金属与陶瓷层形成的接合体；图4.e.陶瓷层-金属表面接合形成的接合体；图4.f.陶瓷粉深入相邻金属表面后形成的接合体。[符号说明][图1]：1-20号钢；2-Al2O3；3-40Cr钢；4-铜；5-铝-ZrO2、纯铁复合颗粒；6-不锈钢[图2]：1-钢；2-片状Al2O3-铝、20号钢复合体；3-GCr15钢；4-不锈钢；5-Al2O3-铝；6-20号钢；7-40Cr钢；8-Al2O3、ZrO2；9-铝；10-Al2O3-钢[图3]：“ ”代表陶瓷粉体，“

”为金属粉体[图4]：1-被复于陶瓷层上方的金属材料；2-加工完毕后形成的金属-陶瓷混合层；3-被复于陶瓷层上方的金属材料；4-飞板；5-陶瓷层-金属表面接触的接合形式；6-陶瓷粉深入相邻金属表面的接合形式。图中“”表示陶瓷粉体、陶瓷颗粒等。

实施例1

如图3所示。选陶瓷粉体AlO3：80％、ZrO2：15％、纯铁粉：5％，将其混合后搅拌均匀；将上述经过混合的原料放入封闭模膛内，模压成圆柱形料坯；用爆速为1500m/s至3500m/s的硝铵炸药将上述料坯进行水下冲击爆焊固化，使陶瓷粉体与金属粉体之间以“机械接合界面”形式形成牢固的机械嵌合、以两种接合体(粉体)之间的接合界面处生成第三相的形式接合，形成密度大于70％的陶瓷-金属粉体复合体。按所需颗粒尺寸要求，将上述陶瓷-金属粉体复合体机械破碎成陶瓷-金属-合金复合颗粒。

实施例2

将AlO3粉体、纯铝粉、陶瓷-金属复合颗粒以2∶1∶7的比例混合成再复合颗粒混合原料；将原料混合于熔融状态的40Cr钢液中，并进行机械、电磁搅拌；浇注成厚30毫米的坯料；锻造成厚25毫米的坯料；机加工整形，制成厚展25毫米的含陶瓷复合颗粒的简单复合体。

实施例3

原材料为AlO3陶瓷粉体、抛光的金属、合金材料。用焊接或压力加工的方式将一块金属制成周边带5毫米凸起部分的中凹形状并在中凹部位用涂布法放置陶瓷粉体(图1.a中“2”)，上面加盖板(图1.a中“1”)并且沿外侧周边焊牢(图1.a中“1”)，使之与大气隔绝(图1.a)；用爆速为1500m/s至2500m/s的硝铵炸药爆焊，使金属、陶瓷粉体、合金材料接合；检验：若金属、合金材料“1”、“3”局部相接触、陶瓷粉体压入相邻两侧金属表层(图1.b)，就形成含AlO3陶瓷复合层的飞板-陶瓷复合层-基板表层接合类型的简单复合体；若实现上述形式接合、但可以从陶瓷复合层分成两半的，即成为飞板-陶瓷复合层、基板-AlO3陶瓷复合层表层接合类型的简单复合体；若AlO3陶瓷粉体形成的复合层未压入相邻两侧金属表层(图1.b)，但金属材料、陶瓷复合层、合金材料实现接合的，就形成含陶瓷复合层的飞板-AlO3陶瓷复合层-基板表面接合类型的简单复合体；若实现上述形式接合、但可以从陶瓷复合层分成两半的，就形成飞板-AlO3陶瓷复合层、基板-AlO3陶瓷复合层表面接合类型的简单复合体。

实施例4

图1.a中材料“1”、“3”分别取表面经抛光的40Cr钢和20号钢，以Al2O3为陶瓷粉体原料“2”；将其按图1.a所示形式配置并焊牢周边，用爆速为1500m/s的硝铵炸药爆焊，使Al2O3粉体压入钢的相对表面，且40Cr钢、20号钢相对表面多处局部爆焊接合，形成图1.b所示的40Cr-钢Al2O3复合层-20号钢表层接合简单复合体；同理，用不锈钢”6”、(铝-ZrO2、纯铁复合颗粒)”5”、40Cr钢”3”制成如图1.d上三层形式的表面接合简单复合体；利用循环爆焊法，按653、4、1顺序，及1、123、3顺序分别爆焊成两块多层层状复合材料，再按图1.d顺序一次爆焊成九层形式的多层层状复合材料。同样地，可按这种方式制造如图2所示各种类型的多层层状复合体材料。

Claims

1.一种多层层状复合材料的制备方法，其特征在于，是一种利用爆炸焊接方式制备含陶瓷复合层的多层层状复合材料的方法，具体来讲就是在硝铵炸药爆炸时产生的超高压压力场中制造含陶瓷复合层的多层陶瓷金属合金层状复合材料的方法，这种方法利用陶瓷粉体及其混合物、铝、锌、锡、铜、铅、铁、镍、钼、钨、钴金属材料、铝合金、铜合金、锌合金、锡合金、碳钢、合金钢及其相互组合为原料，其步骤为：第一步准备颗粒尺寸规格小于3mm的陶瓷粉体、尺寸规格小于1mm的铝、锌、锡、铜、铅、铁、镍、钼、钨、钴金属粉体，以及块状及片状的上述金属材料和铝合金、铜合金、锌合金、锡合金、碳钢、合金钢，第二步：将准备好的陶瓷粉体与金属粉体进行机械混合，第三步：将混合好的金属粉体、合金颗粒及其混合体压实成坯料，第四步：将坯料进行烧结，烧结温度为200℃-1400℃，第五步：将烧结、压实坯料进行爆焊冲击固化，第六步：将烧结后坯料、爆焊冲击固化后坯料破碎成粒径尺寸小于4mm的颗粒，制成陶瓷-金属-合金复合颗粒、陶瓷-金属复合颗粒、陶瓷-合金复合颗粒、陶瓷复合颗粒，第七步：以第六步制成的复合颗粒，与第二步所备材料进行再次组合，制备出再复合颗粒混合原料，第八步：以第七步制成的再复合颗粒混合原料，置于金属材料、合金材料的表面，采用爆炸焊接及机械加工的方式，制备出含陶瓷复合层的简单复合体，第九步：采用循环爆炸焊接的方式，将上述简单复合体、金属材料、合金材料以界面接合的形式接合在一起，制造出含陶瓷复合层多层层状复合体材料。

2.按照权力要求1所述的多层层状复合体材料的制备方法，其特征在于所述的爆焊冲击固化方式为A.封闭：将烧结、压实的粉末及颗粒混合体置于封闭模膛中，B.隔离：用液体、气体介质将坯料与大气隔离，C.布药：将前述硝铵炸药置于隔离层外围、上、下部位，D.引爆：炸药爆炸的强大冲击波形成15万至35万大气压的超高压压力场，坯料颗粒在超高压作用下，瞬间完成位移-相互磨擦-表面软熔-挤压接合的过程，形成高密度粉体复合颗粒坯料。

3.按照权力要求1所述的多层层状复合体材料的制备方法，其特征在于所述的利用高能加工方式制备简单复合体的过程为A.将再复合颗粒混合原料涂布于金属材料、合金材料基板的被复表面，B.将金属材料、合金材料盖在被复表面的再复合颗粒混合原料形成的陶瓷复合层上，并对其侧面进行封闭，形成顺序为盖板-陶瓷复合层-基板材料形式的简单复合体，C.将硝铵炸药布于飞板上引爆，D.检验分类。

4.按照权力要求1所述的多层层状复合体材料的制备方法，其特征在于所述的利用机械加工方式制备简单复合体的过程为A.将再复合颗粒混合原料放入液态、半液态金属、合金熔液中，B.进行搅拌，使原料在熔融金属液中混合均匀，C.浇注，D.压力加工整形，得到含陶瓷复合颗粒的简单复合体。

5.按照权力要求1所述的多层层状复合体材料的制备方法，其特征在于所述的界面接合的形式，其中陶瓷粉体主要以机械接合界面的形式包嵌于金属、合金内部，以内部嵌有陶瓷粉体、再复合颗粒混合原料的含陶瓷复合颗粒的简单复合体与金属、合金接合时，其表面的金属可以以机械嵌合的界面形式、分子结合的界面形式、机械嵌合与分子结合混合界面的形式与金属、合金制成的基板爆焊接合。