專利名稱：一種金屬層狀復(fù)合材料放電等離子體制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬層狀復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種金屬層狀復(fù)合材
料放電等離子體制備方法。
背景技術(shù)：
金屬層狀復(fù)合材料由于充分結(jié)合了兩種或多種金屬各自的優(yōu)點，具有優(yōu)良的物理 性能、化學(xué)性能以及綜合力學(xué)性能，在國民經(jīng)濟和國防軍工各領(lǐng)域具有廣泛用途。目前已經(jīng) 公開報道的以塊體金屬為原材料的金屬層狀復(fù)合材料的制備方法有軋制+擴散退火、電鍍 +退火+軋制、爆炸復(fù)合+熱處理+軋制、滾焊復(fù)合+軋制+退火等幾種[劉曉濤，等.層狀 金屬復(fù)合材料生產(chǎn)工藝及其新進展.材料導(dǎo)報，2002，16(7) :41-43 ;潘曉亮，等.金屬層狀 材料的復(fù)合技術(shù)及其新進展.輕合金加工技術(shù)，2008，36(5) :9-13]。但是，這些制備方法都 明顯地存在著一些不足(l)工藝較為復(fù)雜，周期長；(2)復(fù)合材料界面狀態(tài)的一致性和均 勻性差，結(jié)合強度低，形狀控制困難；(3)污染嚴(yán)重，生產(chǎn)成本高；(4)難于制備覆層厚度較 薄或界面易生成金屬間化合物的層狀復(fù)合材料。因此，在現(xiàn)有金屬層狀復(fù)合材料制備技術(shù) 的基礎(chǔ)上，開發(fā)短流程、低成本、高效制備高質(zhì)量金屬層狀復(fù)合材料的新技術(shù)，擴大其應(yīng)用 范圍，仍然是國內(nèi)外材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的研究熱點。 等離子體是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負電子組成的
離子化氣體狀物質(zhì)，它是除固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。等離子體物理的發(fā)展為材料、
能源、信息、環(huán)境、空間物理、地球物理等科學(xué)的進一步發(fā)展提供了新的技術(shù)和工藝。 放電等離子體燒結(jié)(Spark Plasma Sintering, SPS)是在粉末顆粒間直接通入脈沖
電流進行加熱燒結(jié)，是近年來發(fā)展起來的一種新型的快速燒結(jié)技術(shù)，也是等離子體物理在材
料領(lǐng)域的一個成功應(yīng)用。由于放電等離子體燒結(jié)技術(shù)將等離子體活化、熱壓、電阻加熱融為
一體，因而具有加熱均勻、升溫或降溫速度快(可以達到1000K/min)、燒結(jié)溫度低(比常規(guī)的
熱壓燒結(jié)低100 200°C )、保溫時間短(通常在幾分鐘之內(nèi))、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品組織細小均
勻、能保持原材料的自然狀態(tài)、有利于控制燒結(jié)體的細微結(jié)構(gòu)、獲得的材料致密度高、性能好
等特點，可以燒結(jié)梯度材料以及復(fù)雜形狀制品。放電等離子體燒結(jié)技術(shù)利用脈沖能、放電脈沖
壓力和焦耳熱產(chǎn)生的瞬時高溫場來實現(xiàn)燒結(jié)過程，對于實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效、低耗低成本的材料制
備具有重要意義，在納米材料、復(fù)合材料等的制備中顯示了極大的優(yōu)越性，現(xiàn)已成功應(yīng)用于金
屬、陶瓷、金屬間化合物、復(fù)合材料、功能材料、納米塊體材料和非晶塊體材料的制備。 但是，目前放電等離子體燒結(jié)技術(shù)采用的原材料主要都是粉末顆粒，如果能夠完
全采用表面經(jīng)過簡單處理后的塊體金屬作為原材料，基于放電等離子體燒結(jié)技術(shù)原理，開
發(fā)一種新的短流程高效金屬層狀復(fù)合材料制備技術(shù)，直接近終成形高質(zhì)量金屬層狀復(fù)合材
料，有利于拓展放電等離子體技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和復(fù)合材料的品種，具有十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種以塊體金屬為原料的金屬層狀復(fù)合材料放電等離子體
3制備方法，解決目前金屬層狀復(fù)合材料生產(chǎn)中工藝復(fù)雜、周期長、金屬浪費嚴(yán)重、產(chǎn)品的界 面尺寸均勻性較差、界面結(jié)合強度低、生產(chǎn)成本高等問題。 本發(fā)明開發(fā)一種金屬層狀復(fù)合材料放電等離子體制備方法，采用表面經(jīng)過簡單處 理后的兩種或兩種以上塊體金屬為待復(fù)合原材料，借助在真空條件或惰性氣氛以及合理匹 配的放電等離子體制備工藝參數(shù)條件下，在脈沖放電產(chǎn)生的放電沖擊波以及電子、離子在 電場中反方向的高速流動作用下，塊體金屬待復(fù)合表面在一定程度上可被擊穿，使待復(fù)合 表面得以進一步快速凈化、活化，使疊合在一起的塊體金屬待復(fù)合界面間發(fā)生冶金結(jié)合，在 較小的壓力下低溫快速復(fù)合成形，直接獲得界面平直、結(jié)合強度高、產(chǎn)品形狀尺寸精確控制 的金屬層狀復(fù)合材料，特別適用于覆層厚度較薄或界面易生成金屬間化合物的金屬層狀復(fù) 合材料的近終成形。
—種金屬層狀復(fù)合材料放電等離子體制備方法，制備步驟如下 (1)準(zhǔn)備好待復(fù)合的兩種或兩種以上塊體金屬坯料； (2)采用機械或化學(xué)方法對上述坯料待復(fù)合表面進行簡單處理； (3)將待復(fù)合的塊體金屬坯料疊在一起直接置入石墨模具中，然后將模具放入放
電等離子體燒結(jié)裝置中； (4)采用真空度10—2 10Pa的真空條件或惰性氣氛，在30 400°C /min的速率 下快速升溫至400 180(TC，施加5 30MPa的軸向壓力，保溫1 15min進行放電等離子 體復(fù)合成形； (5)隨爐冷卻至室溫，即可得到高質(zhì)量、高性能的金屬層狀復(fù)合材料。
本發(fā)明優(yōu)點在于 (1)待復(fù)合的金屬表面只需進行簡單的處理，清潔度要求不高；
(2)金屬層狀復(fù)合材料的界面平直，結(jié)合強度高，形狀控制精確；
(3)節(jié)能環(huán)保，操作簡單，可重復(fù)性強； (4)較小壓力、低溫短時成形高質(zhì)量的金屬層狀復(fù)合材料，流程和周期短，成本 低； (5)特別適用于覆層厚度較薄或界面易生成金屬間化合物的金屬層狀復(fù)合材料的 近終成形； (6)金屬層狀復(fù)合材料界面沒有氧化物雜質(zhì)，可以進行后續(xù)再加工。
具體實施方式

實施例1 : 準(zhǔn)備好待復(fù)合的QSn4-3錫青銅和LY12鋁合金塊體坯料，采用砂紙和酒精分別對 QSn4-3錫青銅和LY12鋁合金塊體坯料待復(fù)合表面進行處理。將QSn4-3錫青銅和LY12鋁 合金塊體坯料疊在一起直接置入石墨模具中，然后將模具放入放電等離子體燒結(jié)裝置中， 系統(tǒng)抽真空至2Pa，在30°C /min的速率下快速升溫至48(TC，施加30MPa的軸向壓力，保溫 5min進行放電等離子體復(fù)合成形。隨爐冷卻至室溫，即可得到高質(zhì)量、高性能的QSn4-3錫 青銅/LY12鋁合金層狀復(fù)合材料。
實施例2 : 準(zhǔn)備好待復(fù)合的QSn4-3錫青銅和LY12鋁合金塊體坯料，采用酒精和丙酮分別對QSn4-3錫青銅和LY12鋁合金塊體坯料待復(fù)合表面進行處理。將QSn4_3錫青銅和LY12鋁 合金塊體坯料疊在一起直接置入石墨模具中，然后將模具放入放電等離子體燒結(jié)裝置中， 系統(tǒng)抽真空至5Pa，在70°C /min的速率下快速升溫至49(TC，施加20MPa的軸向壓力，保溫 10min進行放電等離子體復(fù)合成形。隨爐冷卻至室溫，即可得到高質(zhì)量、高性能的QSn4-3錫 青銅/LY12鋁合金層狀復(fù)合材料。
實施例3 : 準(zhǔn)備好待復(fù)合的QSn4-3錫青銅和LY12鋁合金塊體坯料，采用砂紙對QSn4_3錫青 銅和LY12鋁合金塊體坯料待復(fù)合表面進行處理。將QSn4-3錫青銅和LY12鋁合金塊體坯 料疊在一起直接置入石墨模具中，然后將模具放入放電等離子體燒結(jié)裝置中，系統(tǒng)抽真空 至7Pa，在250°C /min的速率下快速升溫至50(TC，施加lOMPa的軸向壓力，保溫lmin進行 放電等離子體復(fù)合成形。隨爐冷卻至室溫，即可得到高質(zhì)量、高性能的QSn4-3錫青銅/LY12 鋁合金層狀復(fù)合材料。
實施例4 : 準(zhǔn)備好待復(fù)合的純銅和純銀塊體坯料，采用砂紙和丙酮分別對純銅和純銀塊體坯 料待復(fù)合表面進行處理。將純銅和純銀塊體坯料疊在一起直接置入石墨模具中，然后將模 具放入放電等離子體燒結(jié)裝置中，系統(tǒng)抽真空至1Pa，在ll(TC /min的速率下快速升溫至 55(TC，施加25MPa的軸向壓力，保溫15min進行放電等離子體復(fù)合成形。隨爐冷卻至室溫，
即可得到高質(zhì)量、高性能的純銅/純銀層狀復(fù)合材料。
實施例5 : 準(zhǔn)備好待復(fù)合的純銅和純銀塊體坯料，采用丙酮對純銅和純銀塊體坯料待復(fù)合表 面進行處理。將純銅和純銀塊體坯料疊在一起直接置入石墨模具中，然后將模具放入放電 等離子體燒結(jié)裝置中，系統(tǒng)抽真空至3Pa，在190°C /min的速率下快速升溫至57(TC，施加 5MPa的軸向壓力，保溫12min進行放電等離子體復(fù)合成形。隨爐冷卻至室溫，即得到高質(zhì) 量、高性能的純銅/純銀層狀復(fù)合材料。
實施例6: 準(zhǔn)備好待復(fù)合的純銅和純鋁塊體坯料，采用酒精對純銅和純鋁塊體坯料待復(fù)合表 面進行處理。將純銅和純鋁塊體坯料疊在一起直接置入石墨模具中，然后將模具放入放電 等離子體燒結(jié)裝置中，系統(tǒng)抽真空至10Pa，在400°C /min的速率下快速升溫至52(TC，施加 15MPa的軸向壓力，保溫8min進行放電等離子體復(fù)合成形。隨爐冷卻至室溫，即可得到高質(zhì) 量、高性能的純銅/純鋁層狀復(fù)合材料。
權(quán)利要求
一種金屬層狀復(fù)合材料放電等離子體制備方法，其特征是制備步驟如下(1)準(zhǔn)備好待復(fù)合的兩種或兩種以上塊體金屬坯料；(2)采用機械或化學(xué)方法對上述坯料待復(fù)合表面進行簡單處理；(3)將待復(fù)合的塊體金屬坯料疊在一起直接置入石墨模具中，然后將模具放入放電等離子體燒結(jié)裝置中；(4)采用真空度10-2～10Pa的真空條件或惰性氣氛，在30～400℃/min的速率下快速升溫至400～1800℃，施加5～30MPa的軸向壓力，保溫1～15min進行放電等離子體復(fù)合成形；(5)隨爐冷卻至室溫，即能得到高質(zhì)量、高性能的金屬層狀復(fù)合材料。
全文摘要
一種金屬層狀復(fù)合材料放電等離子體制備方法，屬于金屬層狀復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域。采用表面經(jīng)過簡單處理后的兩種或兩種以上塊體金屬為待復(fù)合原材料，借助在真空條件或惰性氣氛以及合理匹配的放電等離子體制備工藝參數(shù)條件下，在脈沖放電產(chǎn)生的放電沖擊波以及電子、離子在電場中反方向的高速流動作用下，塊體金屬待復(fù)合表面在一定程度上可被擊穿，使待復(fù)合表面得以進一步快速凈化、活化，使疊合在一起的塊體金屬待復(fù)合界面間發(fā)生冶金結(jié)合，在較小的壓力下低溫快速復(fù)合成形，直接獲得界面平直、結(jié)合強度高、產(chǎn)品形狀尺寸精確控制的金屬層狀復(fù)合材料。優(yōu)點是對待復(fù)合的金屬表面清潔度要求不高；節(jié)能環(huán)保，操作簡單，可重復(fù)性強；流程和周期短，成本低。
文檔編號B23P17/00GK101733623SQ20091024238
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月10日
發(fā)明者劉雪峰, 胡文峰, 謝建新, 高小麗 申請人:北京科技大學(xué)