專利名稱：一種連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及 金屬基復合材料的制備方法，具體而言為涉及一種采用層疊技術制 備連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的方法。
背景技術：
金屬基復合材料自問世以來就以其優(yōu)異的性能受到廣泛的關注，其中又以纖維 增強金屬基復合材料的研究開發(fā)與應用最早、力學性能最好，如纖維增強鋁基復合材料 具有比強度、比剛度、軸向拉伸強度和耐磨性高，耐高溫性能優(yōu)異，熱膨脹系數(shù)低，導 電性、導熱性、抗疲勞性良好，以及在潮濕或輻射環(huán)境下尺寸穩(wěn)定性高等優(yōu)點，已在航 天航空、汽車、機械電子等領域作為高強度耐高溫材料，顯示出巨大的應用潛力。在金屬基復合材料的制備方法中，液態(tài)浸滲法被認為是最理想和最成功的，這 種方法是在液態(tài)合金上施加一個額外壓力，使液態(tài)合金滲透到纖維預制件或纖維束中， 并促進纖維與液態(tài)合金的潤濕、結(jié)合，不但可克服纖維增強體與液態(tài)合金潤濕性差的不 足，同時由于浸滲時間短，凝固速度快而避免有的纖維增強體(如碳纖維等)在制備復 合材料的過程中與基體合金發(fā)生不良反應；為保證液態(tài)合金充分地浸滲增強體，并與之 復合完好，一般認為浸滲時的壓力應為50 lOOMpa，浸滲壓力高，可有效地克服纖維預 制件、纖維束或粒子團造成的毛細現(xiàn)象以及浸滲時液態(tài)合金與增強體之間的摩擦力，細 化基體晶粒，消除基體內(nèi)部的氣孔并可減少合金元素的偏析有利于提高材料的性能，但 是，浸滲壓力過高也可能帶來一些不利影響，如纖維與基體結(jié)合過強，導致斷口上纖維 拔出現(xiàn)象下降，增加了纖維的損傷，纖維預制件在高壓下變形嚴重，同時設備損耗也加 劇。為獲得無纖維損傷、無空隙、高性能的致密復合材料，必須考慮增強纖維與鋁及 鋁合金間的潤濕性好壞和反應性大小、增強纖維的分布狀態(tài)和高溫下的損傷老化程度及 界面穩(wěn)定性等，纖維增強鋁基復合材料的制造方法主要有熔融浸潤法、加壓鑄造法、擴 散粘接法和粉末冶金法等；熔融浸潤法是用液態(tài)鋁及鋁合金浸潤纖維束，或?qū)⒗w維束通 過液態(tài)鋁及鋁合金熔池，使每根纖維被熔融金屬潤濕后除去多余的金屬而得到復合絲， 再經(jīng)擠壓而制得復合材料，其缺點是當纖維很容易被浸潤時，熔融鋁及鋁合金可能會對 纖維性能造成損傷，利用增強纖維表面涂層處理技術，可有效地改善纖維與金屬間的浸 潤性和控制界面反應，加壓鑄造法是使熔融鋁及鋁合金強制壓入內(nèi)置纖維預制件的固定 模腔，壓力一直施加到凝固結(jié)束，加壓鑄造法因高壓改善了金屬熔體的浸潤性，所制得 復合材料的增強纖維與鋁及鋁合金間的反應最小，沒有孔隙和縮孔等常規(guī)鑄造缺陷，鑄 造壓力和增強纖維含量對鋁基復合材料的性能有較大影響，加壓鑄造法成功地用于制造 SiC/AK Al2O3MK Al2O3/(TiAK Ni3AK Fe3Al)等鋁基復合材料，擴散粘接法主要是指 鋁箔與經(jīng)表面處理后浸潤鋁液的纖維絲或復合絲或單層板按規(guī)定的次序疊層，在真空或 惰性氣體條件下經(jīng)高溫加壓擴散粘接成型以得到鋁基復合材料的制造方法，此外，擴粘 接法還包括常壓燒結(jié)法、熱壓法、高溫擠拉法，目前采用擴散粘接法制造的纖維增強鋁基復合材料有C/A1、B/Al、SiC/Al等，粉末冶金法是采用等離子噴濺法在排列好的增 強纖維上噴涂金屬鋁粉，或把金屬鋁粉分散在丙烯酸樹脂(或聚苯乙烯樹脂)進行涂敷， 制成預浸板，將其交替重疊后在真空或氬氣中，在接近鋁熔點溫度下加壓燒結(jié)以獲得纖 維增強鋁基復合材料，SiC/Al、A1203/A1纖維增強鋁基復合材料采用該方法制造，該法 缺點是纖維損傷大、分布不均勻且含量不高。經(jīng)過幾十年的努力和探索，纖維增強鋁基復合材料在基礎理論、制備工藝、性 能水平等方面都有了很大的進步，并且率先在宇航、航空和兵器中得到應用，在民用工 業(yè)中的應用也日漸增多，但是，由于纖維增強鋁基復合材料不但增強纖維價格昂貴，而 且制造工藝獨特、成本高，在成型及二次壓力加工方面，由于纖維增強鋁基復合材料各 向異性很強，因此這種復合材料多為直線或兩向承載的簡單構件形式，如板材、棒材、 管材等，產(chǎn)品的大小和形狀有很大的局限性，這樣就極大的限制了它的推廣和應用，為 了進一步推廣纖維增強鋁基復合材料的應用，必須努力降低成本。由于工藝成本一般大 大高于原材料的成本，所以亟待研究出新的低成本的制造工藝，制備與成型一體化是降 低成本的一個重要途徑，同時還要對纖維表面涂層技術、合金元素對于界面穩(wěn)定性和結(jié) 構的影響以及纖維增強體與鋁及鋁合金基體的界面結(jié)合強度對材料性能的影響等問題進 一步展開研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，針對上述問題，提出一種采用層疊技術制備連續(xù)纖維增強金 屬基復合材料的新方法。本發(fā)明一種連續(xù)纖維增強金屬基復合材料新方法，其原理是金屬材料在快速 冷卻條件下容易得到細晶組織甚至獲得非晶等亞穩(wěn)狀態(tài)，因此，將快速冷卻技術與連續(xù) 纖維增強結(jié)合可望獲得更加優(yōu)異的材料性能，在惰性氣體保護下將熔融狀態(tài)的金屬噴吹 到連續(xù)纖維表面，并通過碾壓使連續(xù)纖維與基體之間牢固結(jié)合，后噴吹的熔融金屬將與 先噴吹的金屬層復合，并在受碾壓時使纖維_基體之間的結(jié)合得到進一步改善，如此反 復進行，直到得到指定厚度的連續(xù)纖維增強金屬基復合材料。具體而言其特征在于在惰性氣體保護下，首先采用噴吹的方法在銅冷卻基底 上噴吹一層金屬，然后在新噴吹的金屬層上鋪設一層纖維，并保持纖維有500 IOOOPa 的張緊力，再噴吹一層金屬，隨后通過擠壓輥對纖維和噴吹金屬層進行碾壓以改善纖 維-金屬之間的結(jié)合，調(diào)節(jié)噴嘴與擠壓輥之間的距離，使擠壓時材料具有使金屬材料保 持良好塑性的溫度，然后再鋪設一層纖維，噴吹一層金屬，并擠壓一次，重復上述過 程，直到金屬基復合材料達到指定的厚度。所述的噴吹的方法指制備裝置處于真空室中，設備抽真空至1 2X10_3Pa，然 后充入20 60kPa的氬氣作為保護氣氛，在坩堝中按配比要求熔化金屬(合金)材料，并 通過導流孔將凈化后的金屬(合金)熔體導入噴吹室，同時關閉導流孔，通過噴吹室上 端的惰性氣體管通入50 120 kPa的噴吹氣壓從噴嘴將金屬(合金)熔體噴吹到快速移動 的銅基底上，噴吹時金屬熔體的溫度處于其液相線溫度以上30 80°C，一次噴吹結(jié)束后關 閉噴吹氣體并打開導流孔，從坩堝中引入凈化后的金屬(合金)熔體，準備新的噴吹成 形過程。
所述的快速移動的銅基底，是水冷的表面平整的純銅基底，噴吹成形過程中其 快速移動的水平速率為5000 20000mm/s，銅基底處于噴吹裝置噴嘴的下方，與噴嘴間的 垂直距離為0.5 2.0 mm,每次噴吹成形結(jié)束后銅基底的返回速度為15000 20000mm/s。 所述的鋪設一層纖維，纖維的直徑選擇10 150 μ m，根據(jù)體積分數(shù)要求預先設 定纖維的排列密度，根據(jù)需要不同層上的纖維可以采用不同的取向進行鋪設。所述的噴吹一層金屬，是指金屬材料每次噴吹成形成一層金屬層，其厚度為 20 200 μ m。所述的擠壓輥，是采用耐熱鋼制作的圓柱形輥體，直徑為30 100mm，擠壓金屬 材料噴吹成形層的壓應力為5 20MPa，壓力要適當，以防止對纖維造成破壞，擠壓輥處 于噴嘴的后方并與噴嘴保持20 40 mm的水平距離，以保證新噴吹的金屬保持一定的溫度 并具有良好的塑性變形能力。本發(fā)明具有如下優(yōu)點操作簡便，易于實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)；由于冷卻速率高， 使基體金屬獲得了比較優(yōu)異的性能，同時減輕了纖維與金屬基體之間的界面反應，同 時，復合材料的基體可以為晶態(tài)金屬或合金，在合適的條件下基體也可以是塊體非晶合 金，只是擠壓輥擠壓的壓應力要適當降低，另外，本發(fā)明也可用于二維纖維織物增強的 金屬基復合材料的制備，其基本原理與其相似，總之，通過上述方法可以成功制備各種 連續(xù)纖維增強金屬基復合材料。


圖1連續(xù)纖維增強金屬基復合材料制備過程示意1銅基底2擠壓輥3速度控制器4溫度控制器5坩堝6金屬熔體7導流孔8噴吹 室9纖維10金屬噴吹層11噴嘴
圖2碳纖維增強鋁基復合材料橫截面的掃描電鏡照片。
具體實施例方式在本發(fā)明中所使用的術語，除非有另外說明，一般具有本領域普通技術人員通 常理解的含義，下面結(jié)合具體實施例，進一步詳細地描述本發(fā)明，應理解，這些實施例 只是為了舉例說明本發(fā)明，而非以任何方式限制本發(fā)明的范圍，在以下的實施例中，未 詳細描述的各種過程和方法是本領域中公知的常規(guī)方法。實施例1
要制備的復合材料選擇直徑15 μ m的碳纖維為增強纖維，7050鋁合金為基體材料。設備抽真空至lX10_3Pa，真空室中充入20kPa的氬氣作為保護氣氛，按7050鋁 合金的成分配比在坩堝中熔化鋁合金，凈化后通過導流孔將鋁合金熔體導入噴吹室，同 時關閉導流孔，通過噴吹室上端的惰性氣體管通入50kPa的噴吹氣體從噴嘴將680°C的 7050鋁合金熔體噴吹到快速移動的銅基底表面(移動方向長500mm，寬200mm)，銅 基底的水平移動速率為20000mm/S，銅基底處于噴吹裝置噴嘴的下方，與噴嘴間的垂直 距離為0.5mm，一次噴吹的厚度為20 μ m，第一次噴吹后，在新噴吹的鋁合金層上鋪設 一層纖維，并保持纖維有500Pa的張緊力，再噴吹一層鋁合金，噴吹后立即用耐熱鋼制 作的直徑30mm的圓柱形擠壓輥對新噴吹的鋁合金進行擠壓，其壓應力為5MPa，擠壓輥處于噴嘴后方40 mm，噴吹成形采用間歇式工作，當噴吹成形從銅基底的一端進行到另 一端時一次噴吹結(jié)束，待擠壓輥運動到該端面后，將銅基底的垂直位置下降一個鋁合金 噴吹層的厚度，然后銅基底以15000mm/S的速度返回到初始位置，鋪設一層纖維，同時 關閉噴吹氣壓并打開導流孔，從坩堝中引入凈化后的鋁合金熔體，準備新的噴吹成形過 程。重復上述噴吹成形過程，最終所成形的碳纖維增強7050基復合材料厚度為100mm， 圖2為所制備的碳纖維增強鋁基復合材料垂直纖維長度方向截面的掃描電鏡照片，可以 看出碳纖維在基體上分布基本均勻、纖維與鋁合金基體結(jié)合良好。實施例2
要制備的復合材料選擇直徑ΙΟΟμιη的SiC纖維為增強纖維，7055鋁合金為基體材料。設備抽真空至2 X10_3Pa，真空室中充入40kPa的氬氣作為保護氣氛，按7055鋁 合金的成分配比在坩堝中熔化鋁合金，凈化后通過導流孔將鋁合金熔體導入噴吹室，同 時關閉導流孔，通過噴吹室上端的惰性氣體管通入SOkPa的噴吹氣體從噴嘴將690°C的 7055鋁合金熔體噴吹到快速移動的銅基底表面(移動方向長500mm，寬220mm)，銅 基底的水平移動速率為lOOOOmm/s，銅基底處于噴吹裝置噴嘴的下方，與噴嘴間的垂直 距離為1.0mm，一次噴吹的厚度為120 μ m。第一次噴吹后，在新噴吹的鋁合金層上鋪 設一層纖維，并保持纖維有500Pa的張緊力，再噴吹一層鋁合金，噴吹后立即用耐熱鋼 制作的直徑60mm的圓柱形擠壓輥對新噴吹的鋁合金進行擠壓，其壓應力為20MPa，擠 壓輥處于噴嘴后方30 mm，噴吹成形采用間歇式工作，當噴吹成形從銅基底的一端進行 到另一端時一次噴吹結(jié)束，待擠壓輥運動到該端面后，將銅基底的垂直位置下降一個鋁 合金噴吹層的厚度，然后銅基底以18000mm/S的速度返回到初始位置，鋪設一層纖維， 同時關閉噴吹氣壓并打開導流孔，從坩堝中引入凈化后的鋁合金熔體，準備新的噴吹成 形過程。重復上述噴吹成形過程，最終所成形的SiC纖維增強7055基復合材料厚度為 160mm。實施例3
要制備的復合材料選擇直徑150 μ m的W纖維為增強纖維，Zr4125Ti13 75Cui2 5NiltlBe22 5 塊體非晶合金為基體材料。設備抽真空至lX10_3Pa，真空室中充入60kPa的氬氣作為保護氣氛，按 Zr4125Ti13 75Cu125NiltlBe22 5塊體非晶合金的成分配比在坩堝中熔化鋁合金，凈化后通過導 流孔將鋁合金熔體導入噴吹室，同時關閉導流孔，通過噴吹室上端的惰性氣體管通入 120kPa的噴吹氣體從噴嘴將760°C的塊體非晶合金熔體噴吹到快速移動的銅基底表面
(移動方向長600mm，寬240mm)，銅基底的水平移動速率為5000mm/s，銅基底處于 噴吹裝置噴嘴的下方，與噴嘴間的垂直距離為2.0mm，一次噴吹的厚度為200μιη，第 一次噴吹后，在新噴吹的塊體非晶合金層上鋪設一層纖維，并保持纖維有500Pa的張緊 力，再噴吹一層塊體非晶合金，噴吹后立即用耐熱鋼制作的直徑IOOmrn的圓柱形擠壓輥 對新噴吹的塊體非晶合金進行擠壓，其壓應力為2000Pa，擠壓輥處于噴嘴后方20 mm， 噴吹成形采用間歇式工作，當噴吹成形從銅基底的一端進行到另一端時一次噴吹結(jié)束， 待擠壓輥運動到該端面后，將銅基底的垂直位置下降一個鋁合金噴吹層的厚度，然后銅 基底以20000mm/S的速度返回到初始位置，鋪設一層纖維，同時關閉噴吹氣壓并打開導流孔，從坩堝中引入凈化后的 塊體非晶合金熔體，準備新的噴吹成形過程，重復上述噴 吹成形過程，最終所成形的W纖維增強塊體非晶合金復合材料厚度為200mm。
權利要求
1.一種連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的制備方法，其特征在于在惰性氣體保護 下，首先采用噴吹的方法在銅冷卻基底上噴吹一層金屬，然后在新噴吹的金屬層上鋪設 一層纖維，并保持纖維有500 IOOOPa的張緊力，再噴吹一層金屬，隨后通過擠壓輥對 纖維和噴吹金屬層進行碾壓以改善纖維_金屬之間的結(jié)合，調(diào)節(jié)噴嘴與擠壓輥之間的距 離，使擠壓時材料具有使金屬材料保持良好塑性的溫度，然后再鋪設一層纖維，噴吹一 層金屬，并擠壓一次，重復上述過程，直到金屬基復合材料達到指定的厚度。
2.如權利要求1所述的一種連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的制備方法，其特征在于 所述的噴吹的方法指制備裝置處于真空室中，設備抽真空至1 2X 10_3Pa，然后充入 20 60kPa的氬氣作為保護氣氛，在坩堝中按配比要求熔化金屬(合金)材料，并通過導 流孔將凈化后的金屬(合金)熔體導入噴吹室，同時關閉導流孔，通過噴吹室上端的惰 性氣體管通入50 120 kPa的噴吹氣壓從噴嘴將金屬(合金)熔體噴吹到快速移動的銅基 底上，噴吹時金屬熔體的溫度處于其液相線溫度以上30 80°C，一次噴吹結(jié)束后關閉噴 吹氣體并打開導流孔，從坩堝中引入凈化后的金屬(合金)熔體，準備新的噴吹成形過 程。
3.如權利要求2所述的一種連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的制備方法，其特征在于 所述的快速移動的銅基底，是水冷的表面平整的純銅基底，噴吹成形過程中其快速移動 的水平速率為5000 20000mm/s，銅基底處于噴吹裝置噴嘴的下方，與噴嘴間的垂直距離 為0.5 2.0 mm,每次噴吹成形結(jié)束后銅基底的返回速度為15000 20000mm/s。
4.如權利要求1所述的一種連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的制備方法，其特征在于 所述的鋪設一層纖維，纖維的直徑選擇10 150 μ m，根據(jù)體積分數(shù)要求 預先設定纖維的 排列密度，根據(jù)需要不同層上的纖維可以采用不同的取向進行鋪設。
5.如權利要求1所述的一種連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的制備方法，其特征 在于所述的噴吹一層金屬，是指金屬材料每次噴吹成形成一層金屬層，其厚度為 20 200 μ m。
6.如權利要求1所述的一種連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的制備方法，其特征在于 所述的擠壓輥，是采用耐熱鋼制作的圓柱形輥體，直徑為30 100mm，擠壓金屬材料噴吹 成形層的壓應力為5 20MPa，擠壓輥處于噴嘴的后方并與噴嘴保持20 40 mm的水平距 離，以保證新噴吹的金屬保持一定的溫度并具有良好的塑性變形能力。
全文摘要
本發(fā)明涉及金屬基復合材料的制備方法，具體而言為涉及一種采用層疊技術制備連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的方法。在惰性氣體保護下將熔融狀態(tài)的金屬噴吹到連續(xù)纖維表面，并通過碾壓使連續(xù)纖維與基體之間牢固結(jié)合，后噴吹的熔融金屬將與先噴吹的金屬層復合，并在受碾壓時使纖維-基體之間的結(jié)合得到進一步改善，如此反復進行，直到得到指定厚度的連續(xù)纖維增強金屬基復合材料。本發(fā)明操作簡便，易于實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)；由于冷卻速率高，使基體金屬獲得了比較優(yōu)異的性能，同時減輕了纖維與金屬基體之間的界面反應，復合材料的基體可以為晶態(tài)金屬或合金，在合適的條件下基體也可以是塊體非晶合金。
文檔編號C22C47/00GK102021503SQ20101058888
公開日2011年4月20日 申請日期2010年12月15日 優(yōu)先權日2010年12月15日
發(fā)明者趙玉濤, 邵陽, 陳剛 申請人:江蘇大學