專利名稱：形狀記憶合金顆粒增強(qiáng)輕金屬基復(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，特別提供了一種形狀記憶合金顆粒增強(qiáng)輕金屬基復(fù)合材料 及其制備方法。
背景技術(shù)：
形狀記憶合金具有特殊的形狀記憶效應(yīng)，即受力變形的材料經(jīng)歷溫度變化后發(fā)生 馬氏體-奧氏體轉(zhuǎn)變，回復(fù)到原來的形狀。這一效應(yīng)使得該類材料成為智能材料領(lǐng)域的研 究熱點，是制備傳感器、執(zhí)行器的優(yōu)質(zhì)材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前已開發(fā)出Co基，Zr 基，Ni-Al 基，Ni-Ti 基，Ni-Mn 基，Ti-Pt 基，Ta-Ru 基，Nb-Ru 基，Ni-Mn-Ga 基，F(xiàn)e-Mn-Si 基， Cu-Al-Ni基等種形狀記憶合金。由于形狀記憶合金的密度較大，使其在空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用受到局限。在保有形狀 記憶特性的條件下降低材料的密度是實現(xiàn)減重的關(guān)鍵，而復(fù)合材料是實現(xiàn)這一想法的有效 途徑。鋁合金、鎂合金具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、成形性好等優(yōu)點，而且對熱的響應(yīng)比較快，若將形狀 記憶合金添加到其中制成鋁基或鎂基復(fù)合材料將能同時發(fā)揮形狀記憶合金和輕合金的性 能優(yōu)勢。目前關(guān)于形狀記憶合金增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料還尚未見報導(dǎo)。關(guān)于形狀記憶合金增強(qiáng) 鋁基復(fù)合材料主要有兩類一類是采用疊層法將形狀記憶合金纖維分層鋪設(shè)到鋁箔上，加 壓燒結(jié)形成復(fù)合材料。一類是采用粉末冶金法將形狀記憶合金粉末與鋁合金粉末混合經(jīng)熱 壓燒結(jié)而成。不過，這兩種制備方法的發(fā)展目前都面臨著巨大的困難。一是高溫下基體中的 鋁元素會擴(kuò)散到形狀記憶合金中破壞其形狀記憶效應(yīng)；二是鋁與基體發(fā)生反應(yīng)，在界面處 生成脆性反應(yīng)物，降低結(jié)合效果；三是對于粉末冶金材料來說，存在一定量的孔洞，易在變 形過程中斷裂。盡管最近有報導(dǎo)稱在縮短燒結(jié)時間的條件下(由90分鐘減少到15分鐘) 所制備的復(fù)合材料中沒有發(fā)現(xiàn)反應(yīng)物，但由于其燒結(jié)溫度沒有變化，仍處于反應(yīng)區(qū)間內(nèi)，所 以沒有從根本上消除化學(xué)反應(yīng)的可能性。而且，對于粉末冶金來說，當(dāng)燒結(jié)時間過短時，基 體粉末的塑化、致密化、均勻化不充分，顆粒之間結(jié)合不牢固，對于尺寸大的材料來說還會 存在燒結(jié)不透的現(xiàn)象。攪拌摩擦加工(Friction stir processing, FSP)是近年來發(fā)展起來的一種短流 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。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)歷的時間非常短。有研究者嘗試采用FSP制備了 NiTi顆粒增強(qiáng)1100鋁合金復(fù)合材料，方法如下尺 寸為102 X 76 X 6毫米的1100A1合金板材，在距上表面0. 9毫米的地方鉆4條直徑平行于表 面的深孔，孔的直徑為1. 6毫米，長度為76毫米。在孔中裝入2 193微米的NiTi顆粒， 在轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分、行進(jìn)速度為25毫米/分的條件下沿孔深方向進(jìn)行FSP。獲得NiTi 顆粒含量為8%的表面復(fù)合材料層，復(fù)合層的厚度小于2毫米。但該種方法制備的復(fù)合材料 中顆粒分布的均勻性不理想，而且難于制備出大尺寸的塊體復(fù)合材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種形狀記憶合金顆粒增強(qiáng)輕金屬基復(fù)合材料及其制備方 法；本發(fā)明可在各種鋁合金或鎂合金板材上制備表面復(fù)合材料層或塊體復(fù)合材料，由于形 狀記憶合金具有優(yōu)異的阻尼性能，因此引入形狀記憶合金后，復(fù)合材料的阻尼性能也顯著提尚。本發(fā)明提供了一種形狀記憶合金顆粒增強(qiáng)輕金屬基復(fù)合材料，該形狀記憶合金顆 粒增強(qiáng)輕金屬基復(fù)合材料由基體和形狀記憶合金顆粒組成，其中形狀記憶合金顆粒的體積 含量為5 40% ；該復(fù)合材料的厚度為2 20毫米。復(fù)合材料中顆粒分布均勻，顆粒與基 體界面干凈，沒有反應(yīng)物生成，該復(fù)合材料具有形狀記憶效應(yīng)和優(yōu)良的阻尼性能。本發(fā)明提供的形狀記憶合金顆粒增強(qiáng)輕金屬基復(fù)合材料，所述基體為鋁合金或鎂 合金；所述形狀記憶合金顆粒為Co基、&基、Ni-Al基、Ni-Ti基、Ni-Mn基、Ti-Pt基、Ta-Ru 基、Nb-Ru基、Ni-Mn-Ga基、Fe-Mn-Si基、Cu-Al-Ni基形狀記憶合金顆粒中至少一種。本發(fā)明還提供了形狀記憶合金顆粒增強(qiáng)輕金屬基復(fù)合材料的制備方法，采用點陣 式多孔顆粒預(yù)置方式，將形狀記憶合金顆粒預(yù)置于鋁合金或鎂合金板材中，通過攪拌摩擦 加工工藝制備出形狀記憶合金顆粒增強(qiáng)輕金屬基復(fù)合材料。本發(fā)明提供的形狀記憶合金顆粒增強(qiáng)輕金屬基復(fù)合材料的制備方法，所述點陣式 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陣規(guī)律排列的小孔，將直徑在0. 1 微米 0. 5毫米的形狀記憶合金顆粒均勻地裝滿小孔并壓實。本發(fā)明提供的形狀記憶合金顆粒增強(qiáng)輕金屬基復(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 2500轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度20 600毫米/分鐘的工 藝條件下，對裝滿顆粒的地方進(jìn)行2 6道次攪拌摩擦加工。通過控制孔的直徑、深淺與密 集程度控制顆粒的添加量，形成形狀記憶合金顆含量為5 40%的表面復(fù)合材料層或塊體 復(fù)合材料。本發(fā)明提供的形狀記憶合金顆粒增強(qiáng)輕金屬基復(fù)合材料的制備方法，所述點陣規(guī) 律排列的小孔的直徑為0. 5 20毫米，深度為0. 5 20毫米。本發(fā)明復(fù)合材料中顆粒分布均勻，顆粒與基體界面干凈，沒有反應(yīng)物生成，該復(fù)合 材料具有形狀記憶效應(yīng)和優(yōu)良的阻尼性能。
具體實施例方式下面的實施例將對本發(fā)明予以進(jìn)一步的說明，但并不因此而限制本發(fā)明。實施例1低體積分?jǐn)?shù)、大尺寸NiTi增強(qiáng)鋁復(fù)合材料制造工藝在6061鋁板上鉆出垂直于 板材表面、呈直線排列的一系列小孔，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150 178微米的NiTi顆粒裝入孔中壓實，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，NiTi顆粒的體 積分?jǐn)?shù)為5 %，分布非常均勻，與鋁基體結(jié)合良好，在顆粒/基體界面處沒有反應(yīng)物存在。材 料具有形狀記憶特性和優(yōu)于母材的阻尼性能。實施例2
高體積分?jǐn)?shù)、大尺寸NiTi增強(qiáng)鋁復(fù)合材料制造工藝在6061鋁板上鉆出垂直 于板材表面、呈直線排列的一系列小孔，孔的直徑為4毫米、深度為5毫米，孔中心間距為 5毫米。將直徑為150 178微米的NiTi顆粒裝入孔中壓實，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，NiTi顆粒 的體積分?jǐn)?shù)為10 %，分布非常均勻，與鋁基體結(jié)合良好，在顆粒/基體界面處沒有反應(yīng)物存 在。材料具有形狀記憶特性和優(yōu)于母材的阻尼性能。其馬氏體轉(zhuǎn)變起始、結(jié)束溫度分別為 14.5°C、39.6°C，奧氏體轉(zhuǎn)變起始溫度為12.5°C。其室溫拉伸強(qiáng)度達(dá)到母材水平，其中屈服 強(qiáng)度300MPa，抗拉強(qiáng)度320MPa，延伸率10%。實施例3高體積分?jǐn)?shù)、小尺寸NiTi增強(qiáng)鋁復(fù)合材料制造工藝在6061鋁板上鉆出垂直于 板材表面、呈直線排列的一系列小孔，孔的直徑為4毫米、深度為5毫米，孔中心間距為5毫 米。將直徑為0. 5 74微米的NiTi顆粒裝入孔中壓實，在轉(zhuǎn)速800轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度100 毫米/分鐘的條件下進(jìn)行2道次FSP。所得復(fù)合材料的厚度為5毫米，NiTi顆粒的體積分 數(shù)為12%，分布非常均勻，與鋁基體結(jié)合良好，在顆粒/基體界面處沒有反應(yīng)物存在。材料 具有形狀記憶特性和優(yōu)于母材的阻尼性能。實施例4NiTi增強(qiáng)鋁基表層復(fù)合材料制造工藝在5083鋁板上鉆出垂直于板材表面、呈直 線排列的一系列小孔，孔的直徑為1毫米、深度為0. 5毫米，孔中心間距為1毫米。將直徑 為0. 5 74微米的NiTi顆粒裝入孔中壓實，在轉(zhuǎn)速400轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度100毫米/分 鐘的條件下進(jìn)行2道次FSP。所得復(fù)合材料的厚度為1毫米，NiTi顆粒的體積分?jǐn)?shù)為7%， 分布非常均勻，與鋁基體結(jié)合良好，在顆粒/基體界面處沒有反應(yīng)物存在。實施例5NiMnfe1增強(qiáng)鋁復(fù)合材料制造工藝在20 鋁板上鉆出垂直于板材表面、呈直線排 列的一系列小孔，孔的直徑為4毫米、深度為5毫米，孔中心間距為5毫米。將60目(直徑 250微米的以下)的NiMnfei顆粒裝入孔中壓實，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，顆粒的體積分?jǐn)?shù)為9%，分 布非常均勻，與鋁基體結(jié)合良好，在顆粒/基體界面處沒有反應(yīng)物存在，材料具有形狀記憶 特性和優(yōu)于母材的阻尼性能。實施例6CuAlNi增強(qiáng)鋁復(fù)合材料制造工藝在7075鋁板上鉆出垂直于板材表面、呈直線排 列的一系列小孔，孔的直徑為4毫米、深度為5毫米，孔中心間距為5毫米。將60目(直徑 250微米的以下)的CuAlNi顆粒裝入孔中壓實，在轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度100毫米 /分鐘的條件下進(jìn)行2道次FSP。所得復(fù)合材料的厚度為5毫米，顆粒的體積分?jǐn)?shù)為8 %，分 布非常均勻，與鋁基體結(jié)合良好，在顆粒/基體界面處沒有反應(yīng)物存在，材料具有形狀記憶 特性和優(yōu)于母材的阻尼性能。實施例7NiTi增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料制造工藝在AZ31鎂板上鉆出垂直于板材表面、呈直線排 列的一系列小孔，孔的直徑為4毫米、深度為5毫米，孔中心間距為5毫米。將直徑為150 178微米的MTi顆粒裝入孔中壓實，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，NiTi顆粒的體積分?jǐn)?shù)為10%，分布非 常均勻，與鎂基體結(jié)合良好，在顆粒/基體界面處沒有反應(yīng)物存在。材料具有形狀記憶特性 和優(yōu)于母材的阻尼性能。實施例8CuAlNi增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料制造工藝在AZ80鎂板上鉆出垂直于板材表面、呈直線 排列的一系列小孔，孔的直徑為4毫米、深度為5毫米，孔中心間距為5毫米。將60目(直 徑250微米的以下)的CuAlNi顆粒裝入孔中壓實，在轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度100毫 米/分鐘的條件下進(jìn)行2道次FSP。所得復(fù)合材料的厚度為5毫米，顆粒的體積分?jǐn)?shù)為8 %， 分布非常均勻，與鎂基體結(jié)合良好，在顆粒/基體界面處沒有反應(yīng)物存在，材料具有形狀記 憶特性和優(yōu)于母材的阻尼性能。比較例1尺寸為102X76X6毫米的1100A1合金板材，在距上表面0. 9毫米的地方鉆4 條直徑為1. 6毫米長76毫米的深孔，裝入2 193微米的NiTi顆粒，在轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn) /分、行進(jìn)速度為25毫米/分的條件下沿孔深方向進(jìn)行FSP。獲得NiTi顆粒含量為8% 的表面復(fù)合材料層，復(fù)合層的厚度小于2毫米。但該種方法制備的復(fù)合材料中顆粒分布 的均勻性不理想，而且難于制備出大尺寸的塊體復(fù)合材料。(M.Dixit，et al. Scripta Mater. 56(2007)541-544.)比較例2采用常規(guī)熱壓燒結(jié)方法制備MTi增強(qiáng)21M鋁復(fù)合材料。將平均顆粒尺寸為32 微米的鋁粉與193微米的MTi粉末充分混合，密封抽真空，在77 時燒結(jié)90分鐘，然后 在溫度751、壓力440兆帕、速度0.4毫米/秒的條件下擠壓成棒材。工藝復(fù)雜，成本高， 所得復(fù)合材料中MTi顆粒與鋁基體反應(yīng)嚴(yán)重，NiTi顆粒周圍有一層厚厚的反應(yīng)生成物層。 (R. R. Thorat, et al.，J. Alloy. Compd. 477 (2009) 307-315.)比較例3采用常規(guī)熱壓燒結(jié)方法制備MTi增強(qiáng)21M鋁復(fù)合材料。將平均顆粒尺寸為32微 米的鋁粉與193微米的MTi粉末充分混合，密封抽真空，在77 時燒結(jié)15分鐘，然后在溫 度701、壓力650兆帕、速度0. 4毫米/秒的條件下擠壓成直徑為10. 4毫米的棒材。所得 復(fù)合材料中沒有觀察到反應(yīng)生成物層。但工藝復(fù)雜，成本高，而且由于燒結(jié)時間很短，無法 制備出大尺寸材料。(D. San Martina, et al.，Mater. Sci. Eng. A 526 (2009) 250-252.)。
權(quán)利要求
1.一種形狀記憶合金顆粒增強(qiáng)輕金屬基復(fù)合材料，其特征在于該形狀記憶合金顆粒 增強(qiáng)輕金屬基復(fù)合材料由基體和形狀記憶合金顆粒組成，其中形狀記憶合金顆粒的體積含 量為5 40% ；該復(fù)合材料的厚度為2 20毫米。
2.按照權(quán)利要求1所述形狀記憶合金顆粒增強(qiáng)輕金屬基復(fù)合材料，其特征在于所述 基體為鋁合金或鎂合金。
3.按照權(quán)利要求1所述形狀記憶合金顆粒增強(qiáng)輕金屬基復(fù)合材料，其特征在于所述 形狀記憶合金顆粒為Co基、&基、Ni-Al基、Ni-Ti基、Ni-Mn基、Ti-Pt基、Ta-Ru基、Nb-Ru 基、Ni-Mn-Ga基、Fe-Mn-Si基、Cu-Al-Ni基形狀記憶合金顆粒中至少一種。
4.權(quán)利要求1所述形狀記憶合金顆粒增強(qiáng)輕金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在 于采用點陣式多孔顆粒預(yù)置方式，將形狀記憶合金顆粒預(yù)置于鋁合金或鎂合金板材中，通 過攪拌摩擦加工工藝制備出形狀記憶合金顆粒增強(qiáng)輕金屬基復(fù)合材料。
5.按照權(quán)利要求4所述形狀記憶合金顆粒增強(qiáng)輕金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征 在于所述點陣式多孔顆粒預(yù)置方式為在金屬板材表面上鉆出一系列以點陣規(guī)律排列的小 孔，將直徑在0. 1微米 0. 5毫米的形狀記憶合金顆粒均勻地裝滿小孔并壓實。
6.按照權(quán)利要求4所述形狀記憶合金顆粒增強(qiáng)輕金屬基復(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 2500轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度20 600 毫米/分鐘的工藝條件下，對裝滿顆粒的地方進(jìn)行2 6道次攪拌摩擦加工。
7.按照權(quán)利要求5所述形狀記憶合金顆粒增強(qiáng)輕金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征 在于所述點陣規(guī)律排列的小孔的直徑為0. 5 20毫米，深度為0. 5 20毫米。
8.權(quán)利要求1所述形狀記憶合金顆粒增強(qiáng)輕金屬基復(fù)合材料具有形狀記憶效應(yīng)和優(yōu) 良的阻尼性能。
全文摘要
一種形狀記憶合金顆粒增強(qiáng)輕金屬基復(fù)合材料及其制備方法，該形狀記憶合金顆粒增強(qiáng)輕金屬基復(fù)合材料由基體和形狀記憶合金顆粒組成，其中形狀記憶合金顆粒的體積含量為5～40％；該復(fù)合材料的厚度為2～20毫米；其制備方法為采用點陣式多孔顆粒預(yù)置方式，將形狀記憶合金顆粒預(yù)置于鋁合金或鎂合金板材中，通過攪拌摩擦加工工藝制備出形狀記憶合金顆粒增強(qiáng)輕金屬基復(fù)合材料；本發(fā)明復(fù)合材料中顆粒分布均勻，顆粒與基體界面干凈，沒有反應(yīng)物生成，該復(fù)合材料具有形狀記憶效應(yīng)和優(yōu)良的阻尼性能。
文檔編號C22C23/00GK102108460SQ20091024882
公開日2011年6月29日 申請日期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 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所