專(zhuān)利名稱(chēng)：一種表面/塊體金屬基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬材料，具體涉及一種表面/塊體金屬基復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
金屬材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、成形性好等優(yōu)點(diǎn)，在汽車(chē)、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域有著廣 泛的應(yīng)用。陶瓷材料具有彈性模量高、耐磨性好、高溫性能好等優(yōu)點(diǎn)。將陶瓷顆粒添加到金 屬合金中制備成金屬基復(fù)合材料可充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)，是提升材料性能或生產(chǎn)出新型結(jié) 構(gòu)/功能材料的有效途徑。這類(lèi)復(fù)合材料在工程應(yīng)用領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前，顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備方法主要有兩類(lèi)，即液態(tài)法和固態(tài)法。在液態(tài) 法中，一是先將金屬基體熔化然后將陶瓷顆粒加入金屬液中攪拌均勻，冷卻后形成復(fù)合材 料，但由于存在密度差，很難使顆粒分布均勻。另一是將陶瓷顆粒制成預(yù)制塊后，將金屬液 擠壓進(jìn)入其中形成復(fù)合材料，由于要求預(yù)制塊有足夠的強(qiáng)度，顆粒含量很高，因此無(wú)法制備 出低體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料。固態(tài)法是先將金屬粉末和陶瓷顆粒混均，在真空或惰性氣體保 護(hù)下經(jīng)高溫高壓燒結(jié)而成。不管是液態(tài)法還是固態(tài)法，由于制備溫度高，都容易產(chǎn)生化學(xué)反 應(yīng)生成有害相，而且它們的制備工藝非常復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本昂貴。攪拌摩擦加工(Friction stir processing, FSP)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種短流 程、高效能、適用范圍廣泛的新型材料制備與加工技術(shù)，已被成功應(yīng)用于金屬基復(fù)合材料的 制備，特別是對(duì)于制備在高溫下易于反應(yīng)的復(fù)合材料體系具有突出優(yōu)勢(shì)。這是由于一方面 FSP是在固態(tài)下加工，其加工溫度低于常規(guī)成型技術(shù)；另一方面FSP加工速度快，材料在高 溫下經(jīng)歷的時(shí)間非常短。在FSP制備金屬基復(fù)合材料工藝中，一種是先將增強(qiáng)相顆粒與基體粉末混合，經(jīng) 冷壓或熱壓燒結(jié)成塊體生坯，然后對(duì)生坯進(jìn)行FSP生成復(fù)合材料，可稱(chēng)為間接法。另一種是 先將增強(qiáng)相顆粒以一定方式預(yù)置在金屬板材上然后直接FSP，利用FSP過(guò)程中加工工具的 攪拌作用將顆粒直接攪進(jìn)金屬板材中形成復(fù)合材料，可稱(chēng)為直接法。與間接法相比，直接法 更為經(jīng)濟(jì)、快速、高效。然而，該方法有兩點(diǎn)不足一是增強(qiáng)相的分布均勻性不理想，二是目 前主要應(yīng)用于制備表面復(fù)合材料，對(duì)于大尺寸塊體復(fù)合材料的制備來(lái)說(shuō)非常困難。在直接法FSP制備金屬基復(fù)合材料中，以何種方式將增強(qiáng)相顆粒預(yù)置在金屬板材 中是最終獲得具有均勻分布增強(qiáng)相復(fù)合材料的關(guān)鍵。目前已報(bào)導(dǎo)的顆粒預(yù)置方式有以下幾 種(1)將顆粒直接鋪在板材表面。這種方法始于FSP制備復(fù)合材料的最初階段，簡(jiǎn)單、高 效，但粉末易飛濺，且只適用于制備非常淺的表面復(fù)合材料層。( 在板材表面開(kāi)設(shè)一個(gè)具 有一定長(zhǎng)度、深度的凹槽，在凹槽中裝入顆粒后沿其長(zhǎng)度方向沿進(jìn)行FSP。有時(shí)為了防止加 工時(shí)顆粒的飛淺，在凹槽上加一層金屬蓋板。這種方法是目前研究中所廣泛采用的，減少了 顆粒的飛濺，所制備的復(fù)合材料層也更厚一些。( 在緊貼金屬板表面下方鉆一個(gè)平行于 表面的深孔，在孔中裝入顆粒，沿孔的深度方向進(jìn)行FSP。顯而易見(jiàn)，其目的、作用與凹槽上 加蓋板是一個(gè)道理。同凹槽上加蓋板方法相比，這種方法雖然省去了加蓋板的環(huán)節(jié)，但其鉆 孔難度大，特別是對(duì)于深度很大的盲孔而言，因此不適合于生產(chǎn)應(yīng)用?？偟膩?lái)說(shuō)，用上述方制備的多為表面復(fù)合材料，而且增強(qiáng)相的分布均勻性不理想。這是由于FSP時(shí)，行進(jìn)中的攪 拌工具在將顆粒攪入基體的同時(shí)，也會(huì)將前方松散的預(yù)置顆粒向前推進(jìn)，形成堆積，從而造 成顆粒分布的不均勻。對(duì)于敞開(kāi)式的凹槽，顆粒會(huì)直接飛濺出來(lái)，盡管加了蓋板后能防止粉 末飛濺，但卻不能消除顆粒的移動(dòng)、堆積，因此也就不能從根本上解決粉末分布不均勻的問(wèn)題。本發(fā)明提供一種表面/塊體金屬基復(fù)合材料制備技術(shù)，可用于在鎂、鋁、銅、鋅、鈦 合金板材上制備表面復(fù)合材料層或塊體復(fù)合材料，其增強(qiáng)相為陶瓷或金屬顆粒。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種表面/塊體金屬基復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明提供了一種表面/塊體金屬基復(fù)合材料，該表面/塊體金屬基復(fù)合材料由 基體和增強(qiáng)相組成，其中增強(qiáng)相的體積含量為5 40% ；該復(fù)合材料的厚度為0. 5 20毫 米。本發(fā)明提供的表面/塊體金屬基復(fù)合材料，所述基體為鎂合金、鋁合金、銅合金、 鋅合金、鈦合金中的一種；所述增強(qiáng)相為陶瓷或金屬顆粒。本發(fā)明還提供了表面/塊體金屬基復(fù)合材料的制備方法，采用點(diǎn)陣式多孔顆粒預(yù) 置方式，通過(guò)攪拌摩擦加工工藝制備出表面/塊體金屬基復(fù)合材料。本發(fā)明提供的表面/塊體金屬基復(fù)合材料的制備方法，所述點(diǎn)陣式多孔顆粒預(yù)置 方式為在金屬板材表面上鉆出一系列以點(diǎn)陣規(guī)律排列的小孔，小孔的直徑為0. 5 20毫 米，深度為0. 5 20毫米，將直徑在0. 1微米 0. 5毫米的增強(qiáng)相顆粒均勻地裝滿小孔并 壓實(shí)。本發(fā)明提供的表面/塊體金屬基復(fù)合材料的制備方法，所述攪拌摩擦加工工藝條 件為在工具轉(zhuǎn)速200 2000轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度20 600毫米/分鐘的工藝條件下，對(duì)裝 滿顆粒的地方進(jìn)行2 6道次攪拌摩擦加工。通過(guò)控制孔的直徑、深淺與密集程度控制顆 粒的添加量，形成增強(qiáng)相含量為5 40%的表面復(fù)合材料層或塊體復(fù)合材料。微觀組織觀察表明，在所獲得的復(fù)合材料中，增強(qiáng)相分布非常均勻，與基體結(jié)合良 好，復(fù)合材料的層厚可達(dá)0.5 20毫米。FSP過(guò)程中無(wú)顆粒飛濺現(xiàn)象發(fā)生。分析認(rèn)為，這主 要是由于采用了合理的顆粒預(yù)置方式與FSP工藝參數(shù)。對(duì)于本發(fā)明中的點(diǎn)陣式多孔顆粒預(yù) 置方式來(lái)說(shuō)，由于是多孔，這樣就相當(dāng)于將凹槽中的松散顆?；麨榱悖崆胺峙湟淮??？?與孔之間的金屬間隔起到屏障作用，使顆粒無(wú)法在攪拌工具推動(dòng)作用下前移、堆積、形成噴 濺就進(jìn)入軸肩前沿下方被壓實(shí)，緊接著被攪拌針原地?cái)嚾牖w中。在后續(xù)道次中通過(guò)調(diào)整 壓下量獲得致密均勻的復(fù)合材料。這種技術(shù)會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明金屬基復(fù)合材料制備示意圖。其中，1為金屬板材，2為小孔，3為攪 拌摩擦加工路徑，4為最終的復(fù)合材料生成區(qū)。
具體實(shí)施例方式下面的實(shí)施例將對(duì)本發(fā)明予以進(jìn)一步的說(shuō)明，但并不因此而限制本發(fā)明。
實(shí)施例1SiC增強(qiáng)鋁基表層復(fù)合材料制造工藝在6毫米厚5083鋁板上鉆出一系列小孔， 孔的直徑為1毫米、深度為1毫米，孔中心間距為2毫米。將直徑為0. 5微米的SiC顆粒裝 入孔中壓實(shí)。在轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度200毫米/分鐘的條件下，對(duì)裝滿顆粒的地 方進(jìn)行2道次FSP。FSP過(guò)程中沒(méi)有顆粒飛濺現(xiàn)象。所得復(fù)合材料的厚度為1毫米，SiC顆 粒的體積分?jǐn)?shù)為7%，分布均勻，與鋁基體結(jié)合良好。比較例1將SiC顆粒用丙酮混合后鋪在5083鋁板上風(fēng)干，在轉(zhuǎn)速600轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度 50毫米/分鐘的條件下，對(duì)裝滿顆粒的地方進(jìn)行2道次FSP。由于攪拌工具的旋轉(zhuǎn)使周?chē)?空氣流動(dòng)，部分粉末飛濺。所得復(fù)合材料層厚度為50 200微米。這種方法所得復(fù)合材料 層非常淺，且分布不勻勻。(RS. Mishra, et al.，Mater. Sci. Eng. A 341 (2003) 307-310.)實(shí)施例2SiC增強(qiáng)鎂基塊體復(fù)合材料制造工藝在10毫米厚AZ31鎂板上鉆出一系列小孔， 孔的直徑為6毫米、深度為9毫米，孔中心間距為7毫米。將直徑為3. 0微米的SiC顆粒裝 入孔中壓實(shí)，在轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度100毫米/分鐘條件下進(jìn)行5道次FSP。FSP 過(guò)程中無(wú)顆粒堆積、飛濺現(xiàn)象。所得復(fù)合材料的厚度為9毫米，SiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)為30%， 分布均勻，與鋁基體結(jié)合良好。比較例2在6毫米厚AZ31鎂板上開(kāi)出深2毫米、寬3毫米、長(zhǎng)200毫米的凹槽。將直徑為 3. 0微米的SiC顆粒裝入槽中壓實(shí)，在轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度100毫米/分鐘的條件 下進(jìn)行5道次FSP。FSP過(guò)程中SiC顆粒在攪拌頭的推動(dòng)作用下明顯堆積，溢出凹槽。微觀 組織分析表明復(fù)合材料中SiC顆粒存在團(tuán)聚和貧化現(xiàn)象。比較例3在6毫米厚AZ31鎂板上開(kāi)出深2毫米、寬3毫米、長(zhǎng)200毫米的凹槽。將直徑為 3. 0微米的SiC顆粒裝入槽中壓實(shí)，上面蓋上2毫米的AZ31薄板在轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)/分鐘、行 進(jìn)速度100毫米/分鐘的條件下進(jìn)行5道次FSP。FSP過(guò)程中上層的薄蓋板發(fā)生扭曲，有部 分SiC顆粒溢出。微觀組織分析表明復(fù)合材料中SiC顆粒存在團(tuán)聚和貧化現(xiàn)象。實(shí)施例3原位反應(yīng)金屬間化合物增強(qiáng)鋁復(fù)合材料制造工藝在6毫米厚6061鋁板上鉆出一 系列小孔，孔的直徑為2毫米、深度為5毫米，孔中心間距為3毫米。將直徑為 40微米的 Ti粉裝入孔中壓實(shí)，在轉(zhuǎn)速600轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度100毫米/分鐘的條件下進(jìn)行4道次 FSP。所得復(fù)合材料的厚度為5毫米，物相分析表明Ti粉已和鋁基體反應(yīng)，生成AlTi、Al2Ti、 Al3Ti金屬間化學(xué)物，其體積分?jǐn)?shù)為8%，分布非常均勻。比較例4原位反應(yīng)金屬間化合物增強(qiáng)鋁復(fù)合材料制造工藝在6毫米厚6061鋁板上鉆出 一系列小孔，孔的直徑為2毫米、深度為5毫米，孔中心間距為3毫米。將直徑為 40微米 的Ti粉裝入孔中壓實(shí)，在轉(zhuǎn)速600轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度100毫米/分鐘的條件下進(jìn)行1道 次FSP。所得復(fù)合材料的厚度為5毫米，物相分析表明除生成AlTi、Al2Ti、Al3Ti金屬間化 學(xué)物外，還有部分Ti存在，顆粒的分布不均勻。
權(quán)利要求
1.一種表面/塊體金屬基復(fù)合材料，其特征在于該表面/塊體金屬基復(fù)合材料由基 體和增強(qiáng)相組成，其中增強(qiáng)相的體積含量為5 40%;該復(fù)合材料的厚度為0. 5 20毫米。
2.按照權(quán)利要求1所述表面/塊體金屬基復(fù)合材料，其特征在于所述基體為鎂合金、 鋁合金、銅合金、鋅合金、鈦合金中的一種。
3.按照權(quán)利要求1所述表面/塊體金屬基復(fù)合材料，其特征在于所述增強(qiáng)相為陶瓷 或金屬顆粒。
4.權(quán)利要求1所述表面/塊體金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于采用點(diǎn)陣式 多孔顆粒預(yù)置方式，通過(guò)攪拌摩擦加工工藝制備出表面/塊體金屬基復(fù)合材料。
5.按照權(quán)利要求4所述表面/塊體金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述點(diǎn) 陣式多孔顆粒預(yù)置方式為在金屬板材表面上鉆出一系列以點(diǎn)陣規(guī)律排列的小孔，將直徑在 0. 1微米 0. 5毫米的增強(qiáng)相顆粒均勻地裝滿小孔并壓實(shí)。
6.按照權(quán)利要求4所述表面/塊體金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述攪 拌摩擦加工工藝條件為在工具轉(zhuǎn)速200 2000轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度20 600毫米/分鐘 的工藝條件下，對(duì)裝滿顆粒的地方進(jìn)行2 6道次攪拌摩擦加工。
7.按照權(quán)利要求5所述表面/塊體金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述點(diǎn) 陣規(guī)律排列的小孔的直徑為0. 5 20毫米，深度為0. 5 20毫米。
全文摘要
一種表面/塊體金屬基復(fù)合材料及其制備方法，該表面/塊體金屬基復(fù)合材料由基體和增強(qiáng)相組成，其中增強(qiáng)相的體積含量為5～40％；該復(fù)合材料的厚度為0.5～20毫米；其制備方法為采用點(diǎn)陣式多孔顆粒預(yù)置方式，通過(guò)攪拌摩擦加工工藝制備出表面/塊體金屬基復(fù)合材料；本發(fā)明所獲得的復(fù)合材料中，增強(qiáng)相分布非常均勻，與基體結(jié)合良好，復(fù)合材料的層厚可達(dá)0.5～20毫米，在FSP過(guò)程中無(wú)顆粒飛濺現(xiàn)象發(fā)生。
文檔編號(hào)C22C1/08GK102108454SQ20091024882
公開(kāi)日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2009年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月28日
發(fā)明者倪丁瑞, 王繼杰, 肖伯律, 馬宗義 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所