專利名稱：一種顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬基復(fù)合材料制備方法，具體而言為涉及一種利用層疊技術(shù)制備 顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法。
背景技術(shù)：
金屬基復(fù)合材料由于具有優(yōu)異的力學(xué)性能和物理化學(xué)性能而倍受青睞，顆粒增 強(qiáng)金屬基復(fù)合材料不但具有金屬塑韌性好的特點(diǎn)，而且具有陶瓷顆粒硬度高、剛度大的 優(yōu)點(diǎn)，從而顯示出單一的金屬基體或陶瓷顆粒所不可比擬的優(yōu)異性能，已經(jīng)成為國內(nèi)外 研究的熱點(diǎn)，自從20世紀(jì)80年代以來，由于顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有成本低、強(qiáng)度 高、模量高、耐磨性高、易于制造等優(yōu)點(diǎn)，得到了迅猛的發(fā)展。顆粒增強(qiáng)金屬基整體復(fù)合材料的制備工藝主要有鑄造法、粉末冶金法以及噴射 沉積法等；鑄造法又分為液態(tài)攪拌法、半固態(tài)攪熔鑄造法、噴射分散法、超聲振動(dòng)法、 中間合金法等，液態(tài)攪拌法，通過高速旋轉(zhuǎn)的攪拌棒使金屬液產(chǎn)生旋渦，向旋渦中加入 顆粒使其分散，由于旋渦的抽吸作用使顆粒卷入熔體中，待分散均勻后，澆入金屬型， 用擠壓鑄造等方法成型，高速攪拌的旋渦不可避免有氣體和夾雜物混入，偏析和結(jié)團(tuán)現(xiàn) 象也難以避免。且加入的顆粒不能太小，加入量也有限制；美國對(duì)此方法進(jìn)行改進(jìn)，使 金屬熔化并攪拌；增強(qiáng)物加入及澆注成型都在真空容器內(nèi)進(jìn)行，從而避免了氣體、夾雜 的污染。半固態(tài)攪熔鑄造法，把金屬液溫度控制在液相線和固相線之間且不斷攪拌，然 后把顆粒狀增強(qiáng)物按一定比例加入到含有一定組分固相粒子的金屬液中，并迅速升溫至 液相線以上直接進(jìn)行澆注，就得到所需復(fù)合材料，此工藝優(yōu)點(diǎn)是增強(qiáng)相與基體的浸潤 性好、增強(qiáng)相粒子分布均勻，但是，因?yàn)榻饘僖禾幱诎牍虘B(tài)，粘度較大，漿液中的氣體 和夾雜不易排出，另外，在工業(yè)化過程中，要準(zhǔn)確控制和保持金屬液處于半固態(tài)溫度也 是很困難的；噴射分散法以氬氣等惰性氣體作載體，使顆粒分散于液態(tài)金屬，采用此 法不僅可以制造有色金屬為基的復(fù)合材料，而且可以用于鋼鐵等高熔點(diǎn)基體，但此法存 在著由于載體氣體溶入而引起的氣孔問題；超聲振動(dòng)法，將增強(qiáng)相加入熔體后，對(duì)熔體施 加超聲振動(dòng)，利用超聲的空化效應(yīng)，可明顯改善增強(qiáng)物與金屬的潤濕性，使小于10 μιη 的微粒在金屬液中均勻分散，獲得性能良好的微細(xì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料；中間合金 法，把顆粒增強(qiáng)物和基體合金粉按一定比例混合，壓成中間合金塊，直接加入基體合金 液，待金屬粉末熔化，增強(qiáng)物即進(jìn)入熔體，經(jīng)攪拌、澆注、凝固制得復(fù)合材料。粉末冶金法是將增強(qiáng)顆粒與金屬粉充分混合后冷壓成型，真空加熱到固-液兩 相區(qū)內(nèi)熱壓，將熱壓后的坯料進(jìn)行熱擠壓或冷軋制成零部件，與鑄造法相比，其優(yōu)點(diǎn)在 于復(fù)合溫度低，從而減輕了基體與增強(qiáng)相界面反應(yīng)，故復(fù)合材料的性能一般優(yōu)于鑄造 法，且增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)可任意調(diào)節(jié)(顆粒含量可達(dá)50%以上)，成分比例準(zhǔn)確，增強(qiáng) 相分布均勻，并且可以實(shí)現(xiàn)最終成型或近終成型，節(jié)約材料；此方法的缺點(diǎn)是設(shè)備、工 藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低；金屬微粉的價(jià)格較高，增強(qiáng)體與基體尺寸差大，分布不均勻；不 適合用來生產(chǎn)大件、復(fù)雜件。
噴射沉積法，是將粉末冶金中混合與凝固兩個(gè)過程相結(jié)合的新工藝，其原理為 使熔化的金屬液在高壓惰性氣體射流的作用下分散霧化，同時(shí)將增強(qiáng)相顆粒噴入金屬霧 化射流中，使之混合共噴射沉積到預(yù)處理的基板上，并快速凝固形成所需要的復(fù)合材 料，這種方法的特點(diǎn)是增強(qiáng)體與基體熔液接觸時(shí)間相當(dāng)短，因此二者之間的反應(yīng)易于控 制。噴射沉積法的制備成本介于鑄造法和粉末冶金法之間。 綜合以上分析可以看出，顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備技術(shù)有很多，但是要 適合工業(yè)規(guī)模應(yīng)用，還需要在改善顆粒/金屬界面結(jié)合、提高制備效率和基體材料性能 方面進(jìn)行綜合考慮。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明針對(duì)上述問題，提出采用一種采用層疊技術(shù)制備顆粒增強(qiáng)金屬基 復(fù)合材料的方法，實(shí)現(xiàn)同時(shí)提高制備效率和復(fù)合材料性能。本發(fā)明一種顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料新方法，其原理是將快速冷卻技術(shù)與陶 瓷顆粒增強(qiáng)結(jié)合，獲得細(xì)晶甚至非晶等亞穩(wěn)狀態(tài)的金屬基體并與陶瓷顆粒結(jié)合，以獲得 更加優(yōu)異的材料性能，在惰性氣體保護(hù)下將熔融狀態(tài)的金屬噴吹到陶瓷顆粒表面，并通 過碾壓使陶瓷顆粒與基體之間牢固結(jié)合，后噴吹的熔融金屬將與先噴吹的金屬層復(fù)合， 并在受碾壓時(shí)使陶瓷顆粒與金屬基體之間的結(jié)合得到進(jìn)一步改善，如此反復(fù)進(jìn)行，直至 得到指定厚度的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。具體而言其特征在于在惰性氣體保護(hù)下，首先通過噴吹的方法在銅冷卻基底 上噴吹一層金屬，然后在新噴吹的金屬層上噴撒一層陶瓷顆粒，再噴吹一層金屬，隨后 通過擠壓輥對(duì)陶瓷顆粒和噴吹金屬層進(jìn)行碾壓以改善顆粒-金屬之間的結(jié)合，調(diào)節(jié)噴嘴 與擠壓輥之間的距離，使擠壓時(shí)材料具有使金屬材料保持良好塑性的溫度，然后再噴撒 一層顆粒，噴吹一層金屬，并擠壓一次，重復(fù)上述過程，直到金屬基復(fù)合材料達(dá)到指定 的厚度。所述的噴吹的方法指制備裝置處于真空室中，設(shè)備抽真空至1 2X10_3Pa，然 后充入20 60kPa的氬氣作為保護(hù)氣氛，在坩堝中按配比要求熔化金屬(合金)材料，并 通過導(dǎo)流孔將凈化后的金屬(合金)熔體導(dǎo)入噴吹室，同時(shí)關(guān)閉導(dǎo)流孔，通過噴吹室上 端的惰性氣體管通入50 120 kPa的噴吹氣壓從噴嘴將金屬(合金)熔體噴吹到快速移動(dòng) 的銅基底上，噴吹時(shí)金屬熔體的溫度處于其液相線溫度以上30 80°C，一次噴吹結(jié)束后關(guān) 閉噴吹氣體并打開導(dǎo)流孔，從坩堝中引入凈化后的金屬(合金)熔體，準(zhǔn)備新的噴吹成 形過程。所述的快速移動(dòng)的銅基底，是水冷的表面平整的純銅基底，噴吹成形過程中其 快速移動(dòng)的水平速率為5000 20000mm/s，銅基底處于噴吹裝置噴嘴的下方，與噴嘴間的 垂直距離為0.5 2.0 mm,每次噴吹成形結(jié)束后銅基底的返回速度為15000 20000mm/s。所述的噴撒一層陶瓷顆粒，陶瓷顆粒的直徑選擇5 50 μ m，噴撒時(shí)保證顆粒呈 單層分布。所述的噴吹一層金屬，是指金屬材料每次噴吹成形成一層金屬層，其厚度為 10-80 μ m,具體歲陶瓷顆粒的尺寸增加而增加。所述的擠壓輥，是采用耐熱鋼制作的圓柱形輥體，直徑為30 100mm，擠壓金屬材料噴吹成形層的壓應(yīng)力為5 20MPa，壓力要適當(dāng)，以防止對(duì)顆粒造成破壞，擠壓輥處 于噴嘴的后方并與噴嘴保持20 40 mm的水平距離，以保證新噴吹的金屬保持一定的溫度 并具有良好的塑性變形能力。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)操作簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)；由于冷卻速率高， 使基體金屬獲得了比較優(yōu)異的性能，同時(shí)減輕了顆粒與金屬基體之間的界面反應(yīng)；復(fù)合 材料的基體可以為晶態(tài)金屬或合金，在合適的條件下也可以是塊體非晶合金，此時(shí)擠壓 輥擠壓的壓應(yīng)力要適當(dāng)降低；適應(yīng)性強(qiáng)，理論上講陶瓷顆粒的體積分?jǐn)?shù)可以任意調(diào)節(jié)， 并可根據(jù)要求制備梯度顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，總之，通過上述方法可以成功制備各 種連續(xù)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。


圖1顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備過程示意1銅基底2擠壓輥3速度控制器4溫度控制器5坩堝6金屬熔體7導(dǎo)流孔8噴吹 室9陶瓷顆粒10金屬噴吹層11噴嘴
圖2 SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的掃描電鏡照片。
具體實(shí)施例方式在本發(fā)明中所使用的術(shù)語，除非有另外說明，一般具有本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通 常理解的含義，下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步詳細(xì)地描述本發(fā)明，應(yīng)理解，這些實(shí)施例 只是為了舉例說明本發(fā)明，而非以任何方式限制本發(fā)明的范圍，在以下的實(shí)施例中，未 詳細(xì)描述的各種過程和方法是本領(lǐng)域中公知的常規(guī)方法。實(shí)施例1
選擇的增強(qiáng)顆粒為平均尺寸25μιη的SiC顆粒，顆粒的理論體積分?jǐn)?shù)為15%，基體 為Α356合金。設(shè)備抽真空至lX10_3Pa，真空室中充入20kPa的氬氣作為保護(hù)氣氛，按A356 鋁合金的成分配比在坩堝中熔化鋁合金，凈化后通過導(dǎo)流孔將鋁合金熔體導(dǎo)入噴吹室， 同時(shí)關(guān)閉導(dǎo)流孔，通過噴吹室上端的惰性氣體管通入50kPa的噴吹氣體從噴嘴將690°C的 A356合金熔體噴吹到快速移動(dòng)的銅基底表面(移動(dòng)方向長500mm，寬200mm)，銅基 底的水平移動(dòng)速率為lOOOOmm/s，銅基底處于噴吹裝置噴嘴的下方，與噴嘴間的垂直距 離為0.5mm，一次噴吹的厚度為40 μ m，第一次噴吹后，在新噴吹的鋁合金層上噴撒一 層SiC顆粒，再噴吹一層鋁合金，噴吹后立即用耐熱鋼制作的直徑30mm的圓柱形擠壓輥 對(duì)新噴吹的鋁合金進(jìn)行擠壓，其壓應(yīng)力為5MPa，擠壓輥處于噴嘴后方40 mm。噴吹成 形采用間歇式工作，當(dāng)噴吹成形從銅基底的一端進(jìn)行到另一端時(shí)一次噴吹結(jié)束，待擠壓 輥運(yùn)動(dòng)到該端面后，將銅基底的垂直位置下降一個(gè)鋁合金噴吹層的厚度，然后銅基底以 15000mm/S的速度返回到初始位置，噴撒一層顆粒，同時(shí)關(guān)閉噴吹氣壓并打開導(dǎo)流孔， 從坩堝中引入凈化后的鋁合金熔體，準(zhǔn)備新的噴吹成形過程，重復(fù)上述噴吹成形過程， 最終所成形的SiC顆粒增強(qiáng)A356基復(fù)合材料厚度為100mm，圖2為所制備的SiC顆粒增 強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的掃描電鏡照片，可以看出SiC顆粒在基體上分布基本均勻、顆粒與鋁 合金基體結(jié)合良好。
實(shí)施例2
選擇的增強(qiáng)顆粒為平均尺寸5μιη的石墨顆粒，顆粒的理論體積分?jǐn)?shù)為20%，基體為 純銅。設(shè)備抽真空至2X10_3Pa，真空室中充入40kPa的氬氣作為保護(hù)氣氛，純銅在 坩堝中熔化，凈化后通過導(dǎo)流孔將純銅熔體導(dǎo)入噴吹室，同時(shí)關(guān)閉導(dǎo)流孔，通過噴吹室 上端的惰性氣體管通入SOkPa的噴吹氣體從噴嘴將1120°C的純銅熔體噴吹到快速移動(dòng)的 銅基底表面(移動(dòng)方向長600mm，寬240mm)，銅基底的水平移動(dòng)速率為20000mm/ s，銅基底處于噴吹裝置噴嘴的下方，與噴嘴間的垂直距離為1.0mm，一次噴吹的厚度為 10 μ m,第一次噴吹后，在新噴吹的純銅層上噴撒一層石墨顆粒，再噴吹一層鋁合金， 噴吹后立即用耐熱鋼制作的直徑70mm的圓柱形擠壓輥對(duì)新噴吹的鋁合金進(jìn)行擠壓，其 壓應(yīng)力為20MPa，擠壓輥處于噴嘴后方30 mm，噴吹成形采用間歇式工作，當(dāng)噴吹成 形從銅基底的一端進(jìn)行到另一端時(shí)一次噴吹結(jié)束，待擠壓輥運(yùn)動(dòng)到該端面后，將銅基底 的垂直位置下降一個(gè)純銅噴吹層的厚度，然后銅基底以15000mm/S的速度返回到初始 位置，噴撒一層顆粒，同時(shí)關(guān)閉噴吹氣壓并打開導(dǎo)流孔，從坩堝中引入凈化后的純銅熔 體，準(zhǔn)備新的噴吹成形過程，重復(fù)上述噴吹成形過程，最終所成形的石墨顆粒增強(qiáng)銅基 復(fù)合材料厚度為160mm。實(shí)施例3
選擇的增強(qiáng)顆粒為平均尺寸50 μ m的TiB2顆粒，顆粒的理論體積分?jǐn)?shù)為10%，基體 為Mg65Cu25Yltl塊體非晶合金。設(shè)備抽真空至lX10_3Pa，真空室中充入60kPa的氬氣作為保護(hù)氣氛，按 Mg65Cu25Y10塊體非晶合金的成分配比在坩堝中熔化合金，凈化后通過導(dǎo)流孔將塊體非晶 合金熔體導(dǎo)入噴吹室，同時(shí)關(guān)閉導(dǎo)流孔，通過噴吹室上端的惰性氣體管通入120kPa的噴 吹氣體從噴嘴將620°C的塊體非晶合金熔體噴吹到快速移動(dòng)的銅基底表面(移動(dòng)方向長 500mm，寬220mm)，銅基底的水平移動(dòng)速率為20000mm/s，銅基底處于噴吹裝置噴 嘴的下方，與噴嘴間的垂直距離為0.5mm，一次噴吹的厚度為80 μ m，第一次噴吹后， 在新噴吹的純銅層上噴撒一層TiB2顆粒，再噴吹一層塊體非晶合金，噴吹后立即用耐 熱鋼制作的直徑IOOmm的圓柱形擠壓輥對(duì)新噴吹的塊體非晶合金進(jìn)行擠壓，其壓應(yīng)力 為600Pa，擠壓輥處于噴嘴后方20 mm，噴吹成形采用間歇式工作，當(dāng)噴吹成形從銅基 底的一端進(jìn)行到另一端時(shí)一次噴吹結(jié)束，待擠壓輥運(yùn)動(dòng)到該端面后，將銅基底的垂直位 置下降一個(gè)塊體非晶合金噴吹層的厚度，然后銅基底以20000mm/S的速度返回到初始位 置，噴撒一層TiB2顆粒，同時(shí)關(guān)閉噴吹氣壓并打開導(dǎo)流孔，從坩堝中引入凈化后的鋁合 金熔體，準(zhǔn)備新的噴吹成形過程，重復(fù)上述噴吹成形過程，最終所成形的TiB2顆粒增強(qiáng) Mg65Cu25Y10塊體非晶合金復(fù)合材料厚度為200mm。
權(quán)利要求
1.一種顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于在惰性氣體保護(hù)下， 首先通過噴吹的方法在銅冷卻基底上噴吹一層金屬，然后在新噴吹的金屬層上噴撒一層 陶瓷顆粒，再噴吹一層金屬，隨后通過擠壓輥對(duì)陶瓷顆粒和噴吹金屬層進(jìn)行碾壓以改善 顆粒-金屬之間的結(jié)合，調(diào)節(jié)噴嘴與擠壓輥之間的距離，使擠壓時(shí)材料具有使金屬材料 保持良好塑性的溫度，然后再噴撒一層顆粒，噴吹一層金屬，并擠壓一次，重復(fù)上述過 程，直到金屬基復(fù)合材料達(dá)到指定的厚度。
2.如權(quán)利要求1所述的一種顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于 所述噴吹的方法指制備裝置處于真空室中，設(shè)備抽真空至1 2X 10_3Pa，然后充入 20 60kPa的氬氣作為保護(hù)氣氛，在坩堝中按配比要求熔化金屬(合金)材料，并通過導(dǎo) 流孔將凈化后的金屬(合金)熔體導(dǎo)入噴吹室，同時(shí)關(guān)閉導(dǎo)流孔，通過噴吹室上端的惰 性氣體管通入50 120 kPa的噴吹氣壓從噴嘴將金屬(合金)熔體噴吹到快速移動(dòng)的銅基 底上，噴吹時(shí)金屬熔體的溫度處于其液相線溫度以上30 80°C，一次噴吹結(jié)束后關(guān)閉噴 吹氣體并打開導(dǎo)流孔，從坩堝中引入凈化后的金屬(合金)熔體，準(zhǔn)備新的噴吹成形過 程。
3.如權(quán)利要求2所述的一種顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所 述的快速移動(dòng)的銅基底，是水冷的表面平整的純銅基底，噴吹成形過程中其快速移動(dòng)的 水平速率為5000 20000mm/s，銅基底處于噴吹裝置噴嘴的下方，與噴嘴間的垂直距離為 0.5-2.0 mm,每次噴吹成形結(jié)束后銅基底的返回速度為15000 20000mm/s。
4.如權(quán)利要求1所述的一種顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所 述的噴撒一層陶瓷顆粒，陶瓷顆粒的直徑選擇5 50 μ m，噴撒時(shí)保證顆粒呈單層分布。
5.如權(quán)利要求1所述的一種顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所 述的噴吹一層金屬，是指金屬材料每次噴吹成形成一層金屬層，其厚度為10 80μιη，具 體歲陶瓷顆粒的尺寸增加而增加。
6.如權(quán)利要求1所述的一種顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所 述的擠壓輥，是采用耐熱鋼制作的圓柱形輥體，直徑為30 100mm，擠壓金屬材料噴吹成 形層的壓應(yīng)力為5 20MPa，擠壓輥處于噴嘴的后方并與噴嘴保持20 40 mm的水平距離， 以保證新噴吹的金屬保持一定的溫度并具有良好的塑性變形能力。
全文摘要
本發(fā)明涉及金屬基復(fù)合材料制備方法，具體而言為涉及一種利用層疊技術(shù)制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法。本發(fā)明將快速冷卻技術(shù)與陶瓷顆粒增強(qiáng)結(jié)合，獲得細(xì)晶甚至非晶等亞穩(wěn)狀態(tài)的金屬基體并與陶瓷顆粒結(jié)合，以獲得更加優(yōu)異的材料性能，在惰性氣體保護(hù)下將熔融狀態(tài)的金屬噴吹到陶瓷顆粒表面，并通過碾壓使陶瓷顆粒與基體之間牢固結(jié)合，后噴吹的熔融金屬將與先噴吹的金屬層復(fù)合，并在受碾壓時(shí)使陶瓷顆粒與金屬基體之間的結(jié)合得到進(jìn)一步改善，如此反復(fù)進(jìn)行，直至得到指定厚度的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。本發(fā)明操作簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)；由于冷卻速率高，使基體金屬獲得了比較優(yōu)異的性能，同時(shí)減輕了顆粒與金屬基體之間的界面反應(yīng)。
文檔編號(hào)C22C21/00GK102021357SQ20101058888
公開日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月15日
發(fā)明者張勇, 趙玉濤, 邵陽, 陳剛 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)