專利名稱：一種均勻彌散顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬基復(fù)合材料科學(xué)領(lǐng)域，特別是涉及均勻彌散顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合 材料中第二相的加工技術(shù)。
背景技術(shù)：
顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料(Particulate Reinforced Metal Matrix Composites, 簡(jiǎn)稱PRMMC)是金屬基復(fù)合材料中的一類，是將陶瓷顆粒第二相(增強(qiáng)相)外加或自生進(jìn)入 金屬基體中得到兼有金屬優(yōu)點(diǎn)(韌性和塑性)和增強(qiáng)顆粒優(yōu)點(diǎn)(高硬度和高模量)的復(fù)合 材料。公知的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法主要有粉未冶金法、鑄造法(預(yù)制塊 滲流法、機(jī)械攪拌法、高能超聲復(fù)合法等)、原位復(fù)合法(Lanxid 法、放熱彌散法、原位合成 技術(shù)等)等，幾種方法各有不足。粉末冶金法的缺點(diǎn)是工藝程序多，制備周期長(zhǎng)，成本高，難 以獲得大尺寸及形狀復(fù)雜件，且顆粒與基體的界面潤(rùn)濕性差、顆粒與基體間容易形成孔洞 等缺陷，導(dǎo)致顆粒與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度降低，影響了材料的使用性能；鑄造法的缺點(diǎn)是不 能兼顧增強(qiáng)顆粒的含量與均勻性，制備出的金屬基復(fù)合材料性能一般較差，易帶鑄造缺陷； 原位復(fù)合法的缺點(diǎn)是第二相顆粒極易在基體中形成偏聚，影響材料的加工性能。顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料并沒有如所預(yù)期的迅速得到廣泛應(yīng)用，究其原因主要包 括(1)在顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中，第二相顆粒與基體的物理性質(zhì)類別差別很大， 極易造成材料內(nèi)部的應(yīng)力不匹配；(2)在顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中，第二相顆粒的團(tuán)聚或偏聚(暨顯微組織不均 勻)加劇了這種應(yīng)力不匹配；(3)對(duì)于顯微組織不均勻的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，暨局部應(yīng)力集中的顆粒增 強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，在加工過程中因應(yīng)力集中而導(dǎo)致復(fù)合材料的加工失效(產(chǎn)生加工裂 紋，甚至斷裂)，降低了該類材料的加工成品率；(4)由于顆粒團(tuán)聚或偏聚的第二相顆粒，在加工過程中也造成材料內(nèi)部加工應(yīng)力 的集中，造成材料加工流變過程中應(yīng)力分布的不均勻，容易導(dǎo)致加工過程中第二相顆粒的 不均勻分布，使材料在加工過程中出現(xiàn)龜裂或脫皮現(xiàn)象，降低了材料品質(zhì)；(5)在顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中，第二相顆粒的團(tuán)聚或偏聚對(duì)塑性變形過程中 材料內(nèi)部位錯(cuò)的遷移有很強(qiáng)的阻礙作用，第二相顆粒對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用引起的材料硬化現(xiàn) 象，導(dǎo)致了顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料難以變形加工。正是由于這些原因，造成顆粒增強(qiáng)金屬基材料成材率低，造價(jià)昂貴，材料使用性能 欠佳。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)公知技術(shù)存在的不足而提出的一種新方法，該方法以材料大塑性變形理論為依據(jù)，通過對(duì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的大塑性/累積變形加工，使團(tuán)聚 在金屬基體中的第二相顆粒均勻分布(彌散)于基體中，再經(jīng)后續(xù)加工制得顆粒增強(qiáng)金屬 基復(fù)合材料制品(桿材、線材、片材或帶材、或零部件)，提高顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料質(zhì)量和成材 率、降低材料加工成本。本發(fā)明的另一目的是提供通過常規(guī)裝備對(duì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料進(jìn)行大塑性 變形加工的技術(shù)，獲得具有第二相顆粒均勻分布特點(diǎn)、性能優(yōu)良的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材 料。本發(fā)明是通過下面的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。1、一種均勻彌散顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材 料，其特征在于顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料組成范圍為基體材料為銀基體、鈦基體、銅基 體、鋁基體、鉛基體、鋅基體或鉬族金屬基體，第二相即增強(qiáng)相的顆粒材料為A1203、SnO2, ZrO2, TiO2, ERO即稀土氧化物、TiB2, SiC、B4C, AlN或Si3N4，按照質(zhì)量百分比計(jì)，第二相即增 強(qiáng)相顆粒在各類基體中的含量第范圍為0. 1 40%。所述的金屬基復(fù)合材料為AgCeA復(fù)合材料、Cu/A1203復(fù)合材料、Pb/B4C復(fù)合材料、 AgY2O3復(fù)合材料、AVAl2O3復(fù)合材料或Μι/Ζι 2復(fù)合材料。所述的AgCeA復(fù)合材料中CeA質(zhì)量百分比為10% ；CuAl2O3復(fù)合材料中Al2O3質(zhì) 量百分比為3% ；Pb/B4C復(fù)合材料中B4C質(zhì)量百分比為4% ；AgY2O3復(fù)合材料中^O3質(zhì)量百 分比為10% ；AVAl2O3復(fù)合材料中Al2O3質(zhì)量百分比為8% ；Rh/Zr02復(fù)合材料中^O2質(zhì)量 百分比為0.3%。對(duì)常規(guī)方法制成的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料坯料進(jìn)行大塑性/累積變形加工，達(dá) 到材料真應(yīng)變達(dá)到或超過10.0的變形量，使團(tuán)聚在金屬基體中的第二相顆粒均勻彌散分 布于基體中，再經(jīng)后續(xù)加工制得顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制品。所述的大塑性/累積變形加工是指軋制變形加工或擠壓變形加工所述的軋制變形加工是針對(duì)板/帶材的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料坯料，采用多 層坯料疊軋方式進(jìn)行軋制變形，每次變形以單層坯料厚度的變形量為計(jì)算單元，經(jīng)過多次 疊軋，軋制溫度的范圍200 1000°C ；所述的擠壓變形加工是針對(duì)棒/線材的顆粒增強(qiáng) 金屬基復(fù)合材料坯料，采用多次擠壓方式進(jìn)行擠壓變形，每次變形以單根坯料直徑的變形 量為計(jì)算單元，經(jīng)過多次擠壓，直至累積變形的真應(yīng)變達(dá)到10.0及以上。擠壓溫度的范圍 400 1000°C。所述的常規(guī)方法為反應(yīng)合成法、內(nèi)氧化法、粉末冶金法、鑄造法或內(nèi)氧化法。所述的后續(xù)加工是軋制、擠壓、拉拔或鍛造；復(fù)合材料制品是桿材、線材、片材或帶 材、或零部件。所述的金屬基復(fù)合材料為AgCeA復(fù)合材料、Cu/A1203復(fù)合材料、Pb/B4C復(fù)合材料、 AgY2O3復(fù)合材料、AVAl2O3復(fù)合材料或Μι/Ζι 2復(fù)合材料。所述的AgCeA復(fù)合材料中質(zhì)量百分比為10% ；CuAl2O3復(fù)合材料中Al2O3質(zhì) 量百分比為3% ；Pb/B4C復(fù)合材料中B4C質(zhì)量百分比為4% ；AgY2O3復(fù)合材料中^O3質(zhì)量百 分比為10% ；AVAl2O3復(fù)合材料中Al2O3質(zhì)量百分比為8% ；Rh/Zr02復(fù)合材料中^O2質(zhì)量 百分比為0.3%。與共知技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)及積極效果1.充分利用顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合物材料可以進(jìn)行傳統(tǒng)塑性變形的特點(diǎn)，通過累積塑性變形，使復(fù)合材料中團(tuán)聚/偏聚的第二相顆粒均勻分布于基體中，改善了第二相顆粒 在基體中的分布狀態(tài)，有利于發(fā)揮復(fù)合材料的綜合性能。2.使用常規(guī)軋機(jī)、擠壓機(jī)組，實(shí)現(xiàn)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的累積大塑性變形，不 需要昂貴的大變形設(shè)備投入、工藝過程容易控制，有利于顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的規(guī)模
化生產(chǎn)。3.通過本發(fā)明實(shí)施的顆粒增強(qiáng)金屬?gòu)?fù)合材料的加工技術(shù)，不僅使第二相顆粒均勻 分布于基體中，而且基體的顯微組織也得到均勻化，明顯降低了復(fù)合材料中應(yīng)力分布不均 勻的問題，對(duì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的加工帶來積極的作用。


圖1是本發(fā)明工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式下面以實(shí)例進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容并不限于此。根據(jù)圖 1的本發(fā)明的工藝流程圖，將各種方法制成的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料坯料通過累積軋制、 或累積擠壓，獲得材料真應(yīng)變達(dá)到或超過10.0的變形量。再將變形加工后的復(fù)合材料通過 壓制成型的方法重新制成坯料，按照顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的常規(guī)加工技術(shù)，如軋制、擠 壓、拉拔、鍛造等技術(shù)將坯料制成滿足用戶要求的產(chǎn)品。一、顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料組成范圍基體材料的種類銀基體、鈦基體、銅基體、鋁基體、鉛基體、鋅基體、鉬族金屬基體等。第二相(增強(qiáng)相)顆粒的種類Al2O3、SnO2、ZrO2、TiO2、ERO (稀土氧化物)、TiB2, SiC、B4C, WC、A1N、Si3N4 等。第二相(增強(qiáng)相)顆粒在各類基體中的含量按照質(zhì)量百分比，第二相(增強(qiáng)相)顆粒在各類基體中的含量范圍為0. 1 40%。二、技術(shù)條件①軋制變形工藝針對(duì)板/帶材的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料坯料，采用多層坯料疊軋方式進(jìn)行軋制 變形，每次變形以單層坯料厚度的變形量為計(jì)算單元，經(jīng)過多次疊軋，直至累積變形的真應(yīng) 變達(dá)到10.0及以上。根據(jù)所進(jìn)行變形的復(fù)合材料性質(zhì)選定軋機(jī)和軋制溫度，一般情況下，軋制溫度的 范圍控制在200 1000°C，視復(fù)合材料中基體材料的熔點(diǎn)而定。②擠壓變形工藝針對(duì)棒/線材的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料坯料，采用多次擠壓方式進(jìn)行擠壓變 形，每次變形以單根坯料直徑的變形量為計(jì)算單元，經(jīng)過多次擠壓，直至累積變形的真應(yīng)變 達(dá)到10. 0及以上。根據(jù)所進(jìn)行變形的復(fù)合材料性質(zhì)選定擠壓機(jī)和擠壓溫度，一般情況下，擠壓溫度 的范圍控制在400 1000°C，視復(fù)合材料中基體材料的熔點(diǎn)而定。
實(shí)施例1 將反應(yīng)合成法制成的AgCeO2復(fù)合材料(CeO2質(zhì)量百分比為10% )錠坯通過擠壓 制成厚度為5. Omm的板坯，將此板坯截?cái)酁樗墓?jié)，疊成厚度為20. Omm的軋制坯料，坯料經(jīng)過 8600C X3h的加熱后送入軋機(jī)，軋制成5. Omm軋制變形后的坯料。再將軋制變形后的坯料 按照上述工藝進(jìn)行處理，反復(fù)軋制八次，復(fù)合材料的真應(yīng)變達(dá)到11. 09，成為第二相彌散均 勻的AgCeO2復(fù)合材料板坯，將此板坯經(jīng)過800°C X Ih加熱后，熱軋至厚度為0. 5mm的帶材 產(chǎn)品，也可以將此板坯通過冷軋成為1.0mm的帶材產(chǎn)品。按照同樣的工藝，還可對(duì)粉末冶金 或反應(yīng)合成法制成的AgSnO2復(fù)合材料(SnO2質(zhì)量百分比為10% )進(jìn)行加工。實(shí)施例2將內(nèi)氧化制成的CuAl2O3復(fù)合材料(Al2O3質(zhì)量百分比為3% )錠坯通過擠壓制 成厚度為10. Omm的板坯，將此板坯截?cái)酁槲骞?jié)，疊成厚度為50. Omm的軋制坯料，坯料經(jīng)過 830°C的加熱后送入軋機(jī)，軋制成10. Omm軋制變形后的坯料。再將軋制變形后的坯料按照 上述工藝進(jìn)行處理，反復(fù)軋制七次，復(fù)合材料的真應(yīng)變達(dá)到11. 3，成為第二相彌散均勻的 CuAl2O3復(fù)合材料板坯，將此板坯經(jīng)過冷軋至厚度為1. 0 5. Omm的帶材產(chǎn)品。實(shí)施例3將粉末冶金法制成的Pb/B4C復(fù)合材料(B4C質(zhì)量百分比為4% )板坯通過軋制制 成厚度為10. Omm的板坯，將此板坯截?cái)酁樗墓?jié)，疊成厚度為40. Omm的軋制坯料，坯料經(jīng)過 450°C的加熱后送入軋機(jī)，軋制成10. Omm軋制變形后的坯料。再將軋制變形后的坯料按照 上述工藝進(jìn)行處理，反復(fù)軋制八次，復(fù)合材料的真應(yīng)變達(dá)到11. 09，成為第二相彌散均勻的 Pb/B4C復(fù)合材料板材產(chǎn)品。實(shí)施例4將反應(yīng)合成法制成的AgY2O3復(fù)合材料(Y2O3質(zhì)量百分比為10% )錠坯，通過擠壓 制成直徑為4. Omm的線坯，將此線坯截?cái)?，再?jīng)過850°C的熱壓成型，制成擠壓坯，擠壓坯料 經(jīng)過860°C X4h的加熱后送入擠壓機(jī)，擠壓成直徑為4. Omm的坯料。再將擠壓變形后的坯 料按照上述工藝進(jìn)行處理，反復(fù)擠壓4次，復(fù)合材料的真應(yīng)變超過10. 0，成為第二相彌散均 勻的AgY2O3復(fù)合材料線坯。將此線坯經(jīng)過冷拉拔，制成直徑1. 8 0. 4mm的線/絲材產(chǎn)品。 按照同樣的工藝，還可對(duì)粉末冶金或反應(yīng)合成法制成的AgSnO2復(fù)合材料(SnO2質(zhì)量百分比 為10% )進(jìn)行加工。實(shí)施例5將鑄造法制成的AVAl2O3復(fù)合材料(Al2O3質(zhì)量百分比為8% )錠坯，通過擠壓制 成直徑為4. Omm的線坯，將此線坯截?cái)?，再?jīng)過550°C的熱壓成型，制成擠壓坯，擠壓坯料經(jīng) 過560°C X 3h的加熱后送入擠壓機(jī)，擠壓成直徑為4. Omm的坯料。再將擠壓變形后的坯料 按照上述工藝進(jìn)行處理，反復(fù)擠壓4次，復(fù)合材料的真應(yīng)變超過10. 0，成為第二相彌散均勻 的AgY2O3復(fù)合材料線坯。再將此線坯截?cái)?，?jīng)過550°C熱壓成型，制成軋制坯，經(jīng)過軋制變 形，冷制成厚度3. 0 10. Omm的板/帶材產(chǎn)品。實(shí)施例6將內(nèi)氧化法制成的Rh/Zr02復(fù)合材料(&02質(zhì)量百分比為0. 3 % )片材(0. 5mm 厚)，疊成厚度為20. Omm的軋制坯料，坯料經(jīng)過960°C的加熱后送入軋機(jī)，軋制成0. 5mm軋 制變形后的坯料。再將軋制變形后的坯料按照上述工藝進(jìn)行處理，反復(fù)軋制三次，復(fù)合材料的真應(yīng)變達(dá)到11.06，成為第二相彌散均勻的他/21<)2復(fù)合材料板坯，將此板坯經(jīng)過900°C 熱軋至厚度為5. 0 15. Omm的板材產(chǎn)品。 本發(fā)明通過對(duì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的大塑性/累積變形加工，使團(tuán)聚在金屬 基體中的第二相顆粒均勻分布(彌散)于基體中，再經(jīng)后續(xù)加工制得顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合 材料制品(桿材、線材、片材或帶材、或零部件)，提高顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料質(zhì)量和成材率、降 低材料加工成本。獲得具有第二相顆粒均勻分布特點(diǎn)、性能優(yōu)良的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材 料。
權(quán)利要求
1.一種均勻彌散顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，其特征在于顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料組 成范圍為基體材料為銀基體、鈦基體、銅基體、鋁基體、鉛基體、鋅基體或鉬族金屬基體，第 二相即增強(qiáng)相的顆粒材料為Al203、Sn02、&02、Ti02、ER0即稀土氧化物、TiB2、SiC、B4C、AlN 或Si3N4，按照質(zhì)量百分比計(jì)，第二相即增強(qiáng)相顆粒在各類基體中的含量第范圍為0. 1 40%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均勻彌散顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，其特征在于所述的金 屬基復(fù)合材料為AgCeA復(fù)合材料、CuAl2O3復(fù)合材料、Pb/B4C復(fù)合材料、AgY2O3復(fù)合材料、 AVAl2O3復(fù)合材料或Μι/ΖΙ 2復(fù)合材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的均勻彌散顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，其特征在于所述的 AgCeO2復(fù)合材料中( 質(zhì)量百分比為10% ；CuAl2O3復(fù)合材料中Al2O3質(zhì)量百分比為3% ； Pb/B4C復(fù)合材料中B4C質(zhì)量百分比為4% ；AgY2O3復(fù)合材料中^O3質(zhì)量百分比為10% ；Al/ Al2O3復(fù)合材料中Al2O3質(zhì)量百分比為8% ；Rh/Zr02復(fù)合材料中^O2質(zhì)量百分比為0. 3%。
4.一種均勻彌散顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中第二相的制備方法，其特征在于對(duì)常規(guī) 方法制成的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料坯料進(jìn)行大塑性/累積變形加工，達(dá)到材料真應(yīng)變達(dá) 到或超過10. 0的變形量，使團(tuán)聚在金屬基體中的第二相顆粒均勻彌散分布于基體中，再經(jīng) 后續(xù)加工制得顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制品。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的均勻彌散顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中第二相的制備方法，其 特征在于所述的大塑性/累積變形加工是指軋制變形加工或擠壓變形加工
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的均勻彌散顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中第二相的制備方法，其 特征在于所述的軋制變形加工是針對(duì)板/帶材的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料坯料，采用多 層坯料疊軋方式進(jìn)行軋制變形，每次變形以單層坯料厚度的變形量為計(jì)算單元，經(jīng)過多次 疊軋，軋制溫度的范圍200 1000°C ；所述的擠壓變形加工是針對(duì)棒/線材的顆粒增強(qiáng) 金屬基復(fù)合材料坯料，采用多次擠壓方式進(jìn)行擠壓變形，每次變形以單根坯料直徑的變形 量為計(jì)算單元，經(jīng)過多次擠壓，直至累積變形的真應(yīng)變達(dá)到10.0及以上。擠壓溫度的范圍 400 1000°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的均勻彌散顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中第二相的制備方法，其 特征在于所述的常規(guī)方法為反應(yīng)合成法、內(nèi)氧化法、粉末冶金法、鑄造法或內(nèi)氧化法。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的均勻彌散顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中第二相的制備方法，其 特征在于所述的后續(xù)加工是軋制、擠壓、拉拔或鍛造；復(fù)合材料制品是桿材、線材、片材或 帶材、或零部件。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的均勻彌散顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中第二相的制備方法，其 特征在于所述的金屬基復(fù)合材料為AgCeA復(fù)合材料、CuAl2O3復(fù)合材料、Pb/B4C復(fù)合材 料、AgY2O3復(fù)合材料、AVAl2O3復(fù)合材料或I h/ZiO2復(fù)合材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的均勻彌散顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中第二相的制備方法， 其特征在于所述的AgCeA復(fù)合材料中CeO2質(zhì)量百分比為10% ;Cu/A1203復(fù)合材料中Al2O3 質(zhì)量百分比為3% ；Pb/B4C復(fù)合材料中B4C質(zhì)量百分比為4% ；AgY2O3復(fù)合材料中^O3質(zhì)量 百分比為10% ；AVAl2O3復(fù)合材料中Al2O3質(zhì)量百分比為8% ；Rh/Zr02復(fù)合材料中^O2質(zhì) 量百分比為0.3%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種以材料大塑性變形理論為依據(jù)，通過對(duì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的大塑性/累積變形加工，使團(tuán)聚在金屬基體中的第二相顆粒均勻分布(彌散)于基體中，再經(jīng)后續(xù)加工制得顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制品(桿材、線材、片材或帶材、或零部件)，提高顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料質(zhì)量和成材率、降低材料加工成本。獲得具有第二相顆粒均勻分布特點(diǎn)、性能優(yōu)良的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。
文檔編號(hào)C22C1/10GK102134664SQ20101059706
公開日2011年7月27日 申請(qǐng)日期2010年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月20日
發(fā)明者于杰, 周曉龍, 張昆華, 杜焰, 管偉明, 陳敬超 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)