CN109108298A - 一种高强韧分级结构金属基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利属于材料加工技术领域，具体涉及一种高强韧分级结构金属基复合材料的制备方法，具体步骤如下：（1）将基体合金粉末经过高能球磨，获得片状金属粉末；（2）将增强体与所得片状金属粉末在分散液中机械搅拌和超声分散混合，过滤、干燥后得到复合粉末I；（3）复合粉末I再与球状金属粉末低能球磨，获得复合粉末II；（4）复合粉末II在压力下冷压成形后部分重熔、触变成形，得到分级组织构型的金属基复合材料混合粉末压块。本发明原理简洁、操作简单、安全可靠，可工业化生产，同时提高了工效、节约了材料、保证了质量、安全可靠，具有较高的应用和推广价值。

Description

一种高强韧分级结构金属基复合材料的制备方法

技术领域

本发明专利属于材料加工技术领域，具体属于金属基复合材料制备技术领域，涉及一种高强韧分级结构金属基复合材料的制备方法。

背景技术

铝基复合材料由于具有良好的热稳定性、高的比刚度、高的比强度等优点，广泛应用于航空航天、军事、汽车等领域。大多数现有研究是通过单一增强体或混杂增强体在基体中的均匀分布而获得均匀构型金属基复合材料，可在一定程度上减少因增强体团聚产生的过高应力集中导致的脆性断裂问题。然而，因没有充分考虑到材料的复合构型效应，使得材料的强度虽得到有限改善，但韧性却急剧下降，成为阻碍金属基复合材料在更高水平和更广范围应用的一种主要瓶颈。解决此问题最有效的手段就是制备分级结构的复合材料。分级结构是由富增强相的硬相区和贫增强相的基体软相区通过一定的空间分布构成的非均匀组织构型。硬相区能有效发挥载荷传递强化以及阻碍位错运动，起到强化作用。而软相区能促进位错运动以及钝化裂纹尖端、迟滞裂纹扩展速率，起到韧化效果。因而，分级结构更有利于发挥复合设计的自由度及组元间的协同耦合效应，可实现复合材料优异的强度/刚度和塑性/韧性匹配。因此，深入开展分级结构复合材料的研究，这对进一步发掘金属基复合材料的性能潜力及推动其更广泛应用具有重要的理论和实践意义。

粉末冶金法也是目前制备分级结构复合材料最常用的方法。粉末冶金法反应温度低（如低于Al合金固相线温度），烧结时间长（4h左右），能耗大，生产效率低。尤其是，该方法制备的零件致密性差，很难制备大尺寸、复杂形状的零件。虽然通过微波烧结、等离子体烧结等技术以及后续二次加工（如轧制、搅拌摩擦加工、热挤压）可改善组织致密性，但却增加了成本，并且对于制备较大尺寸、复杂形状零件依然无能为力。而近净成形对于难加工的金属基复合材料零件尤为重要。因此，需要开发一种制备高性能分级结构复合材料的方法。

触变成形技术不仅能显著减少、甚至消除缩松、气孔等缺陷，而且还能近净成形大尺寸、复杂形状的薄壁零件。结合粉末冶金的混粉、压实工艺和触变成形技术的部分重熔、成形工艺优点，可开发出制备分级结构复合材料的新方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明专利提出了一种高强韧分级结构金属基复合材料的制备方法，能够改善现有金属基复合材料强度和韧性不匹配、组织致密性差的问题。

技术方案为：

一种高强韧分级结构金属基复合材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）在液氮冷却并在保护气氛下，将基体合金粉末经过高能球磨，获得片状金属粉末；此处基体合金粉末颗粒可以为球状、椭球状或者楔状；

（2）将增强体与所得片状金属粉末在分散液中机械搅拌和超声分散混合，过滤、干燥后得到增强体均匀吸附于片状金属粉末表面的复合粉末I；

（3）所得复合粉末I再与球状基体合金粉末低能球磨，获得复合粉末I均匀分布于球状金属粉末周围的复合粉末II；此处基体合金粉末颗粒为球状或椭球状，已达到良好的填补效果；

（4）所得复合粉末II在压力下冷压成形，得到混合粉末压块；

（5）所得混合粉末压块在半固态温度下加热，获得适合触变成形的半固态非枝晶锭料；

（6）所得半固态非枝晶锭料在相应的模具温度、成形压力、压头速率下触变成形，得到分级结构复合材料。

进一步，所述基体合金粉末为Al-Cu、Al-Mg、Al-Si、Al-Zn系等铝合金粉末，Mg-Al、Mg-Zn系等镁合金粉末，ZA8、ZAl2、ZA22、ZA27系等锌合金等，所述基体合金粉末平均粒径在3~80μm之间。

进一步，所述增强体为石墨烯、碳纳米管、碳纤维中的一种；其中，石墨烯尺寸：厚度为1~30nm，长度1~20um；碳纳米管尺寸：直径20~100nm，长度1~50um；碳纤维尺寸为：直径为50~180nm，长度1~20μm。

进一步，所述分散液为甲醇、丙酮、乙醇、去离子水、聚乙烯醇中的一种。

进一步，步骤（1）中高能球磨条件为转速350~500rpm，球磨时间8~14h，球料比20:1，过程控制剂硬脂酸2wt.%，冷却介质为液氮，保护气体为氩气，在上述条件下能够制备片状金属粉末。

进一步，步骤（3）中低能球磨条件为转速80~150rpm，球磨时间4~7h，球料比5:1，保护气氛为氩气。

进一步，所述增强体与片状金属粉末的体积比为1:10~30。

进一步，所述复合粉末I再与球状金属粉末的体积比为1:2~6。

有益效果：本发明同现有技术相比，其优点在于本发明改善了现有金属基复合材料强度和韧性不匹配、组织致密性差、零件形状尺寸受限的难题。

本发明原理简洁、操作简单、安全可靠，可工业化生产，同时提高了工效、节约了材料、保证了质量、安全可靠，具有较高的应用和推广价值。

附图说明

图1为本发明的工艺流程示意图。

具体实施方式

如图1所述的一种高强韧分级结构金属基复合材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）在液氮冷却并在保护气氛下，将基体合金粉末经过高能球磨，获得片状金属粉末；

（2）将增强体与所得片状金属粉末在分散液中机械搅拌和超声分散混合，过滤、干燥后得到增强体均匀吸附于片状金属粉末表面的复合粉末I；

（3）所得复合粉末I再与球状金属粉末低能球磨，获得复合粉末I均匀分布于球状金属粉末周围的复合粉末II；

（4）所得复合粉末II在压力下冷压成形，得到混合粉末压块；

（5）所得混合粉末压块在半固态温度下加热，获得适合触变成形的半固态非枝晶锭料；

（6）所得半固态非枝晶锭料在相应的模具温度、成形压力、压头速率下触变成形，得到分级结构复合材料。

进一步，所述基体合金粉末为Al-Cu、Al-Mg、Al-Si、Al-Zn系等铝合金粉末，Mg-Al、Mg-Zn系等镁合金粉末，ZA8、ZAl2、ZA22、ZA27系等锌合金等，所述基体合金粉末平均粒径在3~80μm之间。

进一步，所述增强体为石墨烯、碳纳米管、碳纤维中的一种；其中，石墨烯尺寸：厚度为1~30nm，长度1~20um；碳纳米管尺寸：直径20~100nm，长度1~50um；碳纤维尺寸为：直径为50~180nm，长度1~20μm。

进一步，所述分散液为甲醇、丙酮、乙醇、去离子水、聚乙烯醇中的一种。

进一步，步骤（1）中高能球磨条件为转速350~500rpm，球磨时间8~14h，球料比20:1，过程控制剂硬脂酸2wt.%，冷却介质为液氮，保护气体为氩气。

进一步，步骤（3）中低能球磨参数为转速80~150rpm，球磨时间4~7h，球料比5:1，保护气氛为氩气。

进一步，所述增强体与片状金属粉末的体积比为1:10~30。

进一步，所述复合粉末I再与球状金属粉末的体积比为1:2~6。

实施例1

将颗粒尺寸为15μm的2014铝合金粉末（4.5wt.%Cu、0.8wt.%Mg、0.6wt.%Si）放入到球磨机中，加入2wt.%的硬脂酸作为过程控制剂，通入液氮和氩气，在转速400rpm和球料比20:1的球磨参数下球磨10h，得到片状的2014铝合金粉末；将该片状粉末加入到乙醇溶液中，搅拌均匀；将5vol%碳纳米管（直径为30-50nm，长度1μm左右）加入乙醇中，机械搅拌1h后再超声分散2h；片状Al粉末悬浮液逐滴加入碳纳米管悬浮液中，再超声分散1h，过滤、干燥后得到碳纳米管均匀分布于片状Al粉末表面的复合粉末；将30vol%的碳纳米管/片状Al复合粉末与平均颗粒尺寸20μm、球状形貌的2014铝合金粉末在转速80rpm和球料比5:1的参数下球磨时间6h，制备出最终的复合粉末；随后，经过冷压、半固态部分重熔、触变成形得到富碳纳米管硬相区增强的分级结构铝基复合材料。

实施例2

将颗粒尺寸为35μm的AZ91D镁合金粉末（9.5wt.%Al、0.3wt.%Mn、0.5wt.%Zn）放入到球磨机中，加入2wt.%的液态石蜡作为过程控制剂，通入液氮和氩气，在转速480rpm和球料比20:1的球磨参数下球磨13h，得到片状的AZ91D镁合金粉末；将该片状粉末加入到乙醇溶液中，搅拌均匀；将4vol%石墨烯（厚度为2-15nm，长度2μm左右）加入乙醇中，机械搅拌1h后再超声分散2h；片状镁粉末悬浮液逐滴加入石墨烯悬浮液中，再超声分散1.5h，过滤、干燥后得到石墨烯均匀分布于片状镁粉末表面的复合粉末；将30vol%的石墨烯/片状镁复合粉末与平均颗粒尺寸50μm、球状形貌的AZ91D镁合金粉末在转速120rpm和球料比5:1的参数下球磨时间4h，制备出最终的复合粉末；随后，经过冷压、半固态部分重熔、触变成形得到富石墨烯硬相区增强的分级结构AZ91D镁基复合材料。

实施例3

将颗粒尺寸为50μm的ZA27锌合金粉末（27Al-1.8Cu-0.03Mg(wt%)）放入到球磨机中，加入2wt.%的硬脂酸作为过程控制剂，通入液氮和氩气，在转速380rpm和球料比20:1的球磨参数下球磨10h，得到片状的ZA27锌合金粉末；将该片状粉末加入到乙醇溶液中，搅拌均匀；将6vol%纳米碳纤维（直径为150nm，长度4μm左右）加入乙醇中，机械搅拌0.5h后再超声分散1.5h；片状ZA27锌粉末悬浮液逐滴加入碳纤维悬浮液中，再超声分散1h，过滤、干燥后得到碳纤维均匀分布于片状锌粉末表面的复合粉末；将25vol%的碳纤维/片状锌复合粉末与平均颗粒尺寸90μm、球状形貌的ZA27锌合金粉末在转速80rpm和球料比5:1的参数下球磨时间6h，制备出最终的复合粉末；随后，经过冷压、半固态部分重熔、触变成形得到富碳纤维硬相区增强的分级结构ZA27锌基复合材料。

实施例4

对于分级结构石墨烯纳米片（GNPs）增强的2024铝合金制备步骤为：1）将2024Al合金粉末在行星式球磨机高能球磨混粉，得到一定厚度和尺寸的片状粉末，球磨参数为：转速400rpm，球磨时间10h，球料比20:1，过程控制剂硬脂酸2wt.%，冷却介质为液氮，保护气体为氩气。将片状的Al粉末与5vol%GNPs在乙醇中机械搅拌和超声分散，过滤、干燥后得到GNPs均匀吸附于片状Al粉末表面的GNPs/2024Al复合粉末；2）将25vol%片状GNPs/2024Al复合粉末与球状的2024Al合金粉末低能球磨混粉，得到片状GNPs/2024Al复合粉末分布于球磨2024Al粉末周围的（GNPs/2024Al）/2024Al混合粉末，球磨参数为：转速100rpm，球磨时间5h，球料比5:1，保护气氛为氩气；3）100g的（GNPs/2024Al）/2024Al混合粉末在200MPa的压力下冷压成形，得到混合粉末压块；4）混合粉末压块在620℃半固态温度加热60min后，在126MPa成形压力、250℃模具温度下触变成形，得到分级结构的GNPs/2024Al复合材料。

Claims (9)

1.一种高强韧分级结构金属基复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）在液氮冷却并在保护气氛下，将基体合金粉末经过高能球磨，获得片状金属粉末；

（2）将增强体与所得片状金属粉末在分散液中机械搅拌和超声分散混合，过滤、干燥后得到增强体均匀吸附于片状金属粉末表面的复合粉末I；

（3）所得复合粉末I再与球状基体合金粉末低能球磨，获得复合粉末I均匀分布于球状金属粉末周围的复合粉末II；

（4）所得复合粉末II在压力下冷压成形，得到混合粉末压块；

（5）所得混合粉末压块在半固态温度下加热，获得适合触变成形的半固态非枝晶锭料；

（6）所得半固态非枝晶锭料在相应的模具温度、成形压力、压头速率下触变成形，得到分级结构复合材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基体合金粉末为铝合金粉末、镁合金粉末、锌合金中的一种，所述基体合金粉末平均粒径在3~80μm之间。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述增强体为石墨烯、碳纳米管、碳纤维中的一种；其中，石墨烯尺寸：厚度为1~30nm，长度1~20um；碳纳米管尺寸：直径20~100nm，长度1~50um；碳纤维尺寸为：直径为50~180nm，长度1~20μm。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述分散液为甲醇、丙酮、乙醇、去离子水、聚乙烯醇中的一种。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中高能球磨条件为转速350~500rpm，球磨时间8~14h，球料比20:1，过程控制剂硬脂酸2wt.%，冷却介质为液氮，保护气体为氩气。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中低能球磨参数为转速80~150rpm，球磨时间4~7h，球料比5:1，保护气氛为氩气。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述增强体与片状金属粉末的体积比为1:10~30。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述复合粉末I再与球状金属粉末的体积比为1:2~6。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，重复步骤（5）~（6），能够制备不同组织构型的复合材料。