專利名稱：一種制備深層、大塊體、宏觀范圍復(fù)合材料的固態(tài)加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于復(fù)合材料制備范圍，特別涉及一種制備深層、大塊體、宏觀范圍 復(fù)合材料的固態(tài)加工方法?？蛇m用于鋁合金，鎂合金，銅及其合金等常見金屬材 料以及熱塑性高分子材料的基體材料，適用于材料改性、復(fù)合材料制備。
技術(shù)背景本方法的技術(shù)來源于攪拌摩擦焊技術(shù)(friction stir welding),攪拌摩擦 焊是1991年由英國焊接研究所(The Welding Institute, TWI)發(fā)明的(專禾lj 號US5460317, 1991.12)，該技術(shù)在輕金屬、銅、以及鋼鐵、塑料、復(fù)合材料等 的連接領(lǐng)域引起了新的技術(shù)革命。本項技術(shù)為在攪拌摩擦焊基礎(chǔ)上誕生的攪拌摩 擦加工技術(shù)方面的應(yīng)用。在材料加工過程中，高應(yīng)變、應(yīng)變速率下的材料發(fā)生了 動態(tài)再結(jié)晶過程，使得晶粒得到明顯細(xì)化，使復(fù)合材料的基體材料性能得到了提 高。同時該方法也是固態(tài)加工方法，避免了因熔化過程帶來的種種弊端。在實際應(yīng)用過程中，以往的對材料改性或復(fù)合材料制備，需要較多的場地、 環(huán)境、能源等要求，甚至?xí)砀鳂拥沫h(huán)境污染。而且， 一些加工方法需要對材 料進行復(fù)雜的處理過后才可以加工，有的需要復(fù)雜的操作和控制。上述問題等， 都對實際生產(chǎn)生活造成了很多不便，且成本較高。本方法在對材料的改性、制備 深層、大塊體、宏觀范圍復(fù)合材料方面，提供了-個新的方法，且可以有效克服 上述不足之處。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種制備深層、大塊體、宏觀范圍復(fù)合材料的固態(tài)加工方法，其特征在于具體加工步驟為1)以鋁合金，鎂合金，銅及其合金、或熱塑性高分子材料的板材作為基體 材料，將原始增強材料、增強材料載體、可與基體材料發(fā)生反應(yīng)的材料中任意一種，以基體材料1 20機％的細(xì)粉填充在開槽或孔中，或以鍍層、噴涂方式附著于基體材料表面；2)攪拌工具以700 2000rpm的高速旋轉(zhuǎn)接觸被加工工件，以10 20 MPa 的下壓力使得攪拌工具壓入工件表面。停留3 10s后，待攪拌工具附近工件材 料充分軟化，攪拌工具以60 200 mm/min的速度， 一次或多次從加入的材料壓 過，因此，受攪拌工具的作用，添加的增強材料、增強材料載體或與基體材料發(fā) 生反應(yīng)的材料分散分布于基體材料間，并最終實現(xiàn)增強相與基體金屬間的冶金結(jié) 合，可在工件表面至探針端面深度范圍內(nèi)，制備形成大塊體、宏觀范圍的復(fù)合材 料。所述增強材料為粒度在100nm 50拜之間的A1A、 SiC、 TiC、 B4C、 BN、 A1N、 WC、 ZrO,、 MgO、 B、細(xì)金剛石或碳納米管非金屬顆粒；或直徑為0. 2 lpm、長度 為丄 50,的A1A晶須，SiC晶須，Cu、 Cr、 Fe或Ni晶須。所述增強材料載體為陶瓷基復(fù)合材料或含有陶瓷材料的金屬鍍層；其中陶瓷 基體材料為A1A， MgO.AlA, Si02， A1A'ZrO" Si:凡或SiC;所述含有陶瓷材 料的金屬鍍層為鋁合金、鎂合金、銅合金或鈦合金。所述可與基體材料發(fā)生反應(yīng)的材料為Fe:,Al、 FeAl、 AfeSi、 Mgl7Al,,、 OWU、 N丄:,A1、 NiAl、 TiAl或A1G，與基體材料經(jīng)過加工后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成金屬間化 合物形成彌散強化層；或添加的材料與基體材料元素的原子尺度差別較大而形成 固溶強化，這些材料為Ti、 Cu、 Fe、 W固溶于A1、 Mg基體中。本發(fā)明的有意效果是在材料加工過程中，高應(yīng)變、應(yīng)變速率下的材料發(fā)生了 動態(tài)再結(jié)晶過程，使得晶粒得到明顯細(xì)化，使復(fù)合材料的基體材料性能得到了提 高。同時該方法也是固態(tài)加工方法，避免了環(huán)境污染，加工過程簡單，不需要復(fù) 雜的操作和控制。都對實際生產(chǎn)生活造成了很多不便，且成本較高。特別在對材 料的改性、制備深層、大塊體、宏觀范圍復(fù)合材料方面提供了一個新的方法，克 服了因熔化過程帶來的種種弊端。適用于鋁合金，鎂合金，銅及其合金等常見金 屬材料以及熱塑性高分子材料的基體材料，適用于材料改性、復(fù)合材料的制備。


圖1為攪拌摩擦加工制備復(fù)合材料的示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明提供一種制備深層、大塊體、宏觀范圍復(fù)合材料的固態(tài)加工方法。圖 1所示為攪拌摩擦加工制備復(fù)合材料的示意圖。在圖1中，攪拌工具1的底部為 軸肩3，攪拌工具1的的中央裝配探針4，攪拌工具1固定在被加工的基體板材2上方，被加工板材2被固定后，攪拌工具1在被加工的基體板材2上面分別以700、 900.、 1200、 1500或2000rpm的高速旋轉(zhuǎn)地接觸被加工基體板材2表面，以10、 15或20MPa的下壓力壓入基體板材2表面，停留3、 5或10s后，待攪拌工具附 近基體板材2材料充分軟化時，攪拌工具再以60、 75、 90、 120、 150、 180或200 mm/min的速度，1次、2次、3次或5次地從加入的材料上壓過，則在被加工的 基體板材2上面形成大塊的、宏觀范圍的復(fù)合面5。例如用與基體材料反應(yīng)的材料10%的Fe粉加入Al合金的板材的細(xì)槽中，攪 拌工具1在被加工的基體Al合金的板材上方，以2000rpm的高速旋轉(zhuǎn)接觸Al合 金的板材表面，以15MPa的下壓力壓入Al合金的板材表面，每次停留3s,以 200mm/min的加工速度，2次經(jīng)過加入材料的區(qū)域，之后一部分Fe原子固溶在Al 原子中，起固溶強化作用， 一部分Fe和Al反應(yīng)生成了彌散相Fe:,Al，起到彌散 增強作用。
權(quán)利要求
1. 一種制備深層、大塊體、宏觀范圍復(fù)合材料的固態(tài)加工方法，其特征在于具體加工步驟為1)以鋁合金，鎂合金，銅及其合金、或熱塑性高分子材料的板材作為基體材料，將原始增強材料、增強材料載體、可與基體材料發(fā)生反應(yīng)的材料中任意一種，以基體材料1～20wt％的細(xì)粉填充在開槽或孔中，或以鍍層、噴涂方式附著于基體材料表面；2)攪拌工具以700～2000rpm的高速旋轉(zhuǎn)接觸被加工工件，以10～20MPa的下壓力使得攪拌工具壓入工件表面，停留3～10s后，待攪拌工具附近工件材料充分軟化，攪拌工具以60～200mm/min的速度，一次或多次從加入的材料壓過，因此，受攪拌工具的作用，添加的增強材料、增強材料載體或與基體材料發(fā)生反應(yīng)的材料分散分布于基體材料間，并最終實現(xiàn)增強相與基體金屬間的冶金結(jié)合，可在工件表面至探針端面深度范圍內(nèi)，制備形成大塊體、宏觀范圍的復(fù)合材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述制備深層、大塊體、宏觀范圍復(fù)合材料的固態(tài)加工方 法，其特征在于所述增強材料為粒度100nm 50拜的A1A、 SiC、 TiC、 Bf、 BN、 A1N、 WC、 Zr02、 MgO、 B、細(xì)金剛石或碳納米管非金屬顆粒；或為直徑在0. 2 l,、長度為1 50,的A1A晶須，SiC晶須，Cu、 Cr、 Fe或Ni晶須。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述制備深層、大塊體、宏觀范圍復(fù)合材料的固態(tài)加工方 法，其特征在于所述增強材料載體為陶瓷基復(fù)合材料或含有陶瓷材料的金屬鍍 層；其中陶瓷基體材料為A1A， MgO A1A， SiO" AlA'Zr02， Si:凡或SiC;所 述含有陶瓷材料的金屬鍍層為鋁合金、鎂合金、銅合金或鈦合金。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述制備深層、大塊體、宏觀范圍復(fù)合材料的固態(tài)加工方 法，其特征在于所述可與基體材料發(fā)生反應(yīng)的材料為Fe,Al、FeAl、Mg2Si、Mgl7Al,2、 CiWU、 Ni,Al、 NiAl、 TiAl或AlC,，與基體材料經(jīng)過加工后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成金 屬間化合物形成彌散強化層；或添加的材料與基體材料元素的原子尺度差別較大 而形成固溶強化，這些材料為Ti、 Cu、 Fe、 W固溶于A1、 Mg基體中。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于復(fù)合材料制備范圍的一種制備深層、大塊體、宏觀范圍復(fù)合材料的固態(tài)加工方法。將原始增強材料、增強材料載體和與基體材料發(fā)生反應(yīng)的材料粉體添加在被加工的基體材料板上，攪拌工具以高速旋轉(zhuǎn)接觸被加工工件，以一定的下壓力使得攪拌工具壓入工件表面。待攪拌工具附近工件材料充分軟化后，攪拌工具以一定的移動速度，一次或多次從加入的材料壓過，因此，受攪拌工具的作用，添加的材料分散分布于基體材料間，并最終實現(xiàn)增強相與基體金屬間的冶金結(jié)合，可在工件表面至探針端面深度范圍內(nèi)，制備形成大塊體、宏觀范圍的復(fù)合材料。本發(fā)明適用于鋁合金，鎂合金，銅及其合金等常見金屬材料以及熱塑性高分子材料的基體材料。
文檔編號C23C24/00GK101250700SQ200810103449
公開日2008年8月27日 申請日期2008年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月3日
發(fā)明者史清宇, 偉 王 申請人:清華大學(xué)