一種復(fù)合材料中微納米顆粒增強(qiáng)相的彌散分布方法
【專利摘要】一種復(fù)合材料中微納米顆粒增強(qiáng)相的彌散分布方法，其特征在于步驟依次為：（1）首先將微納米顆粒增強(qiáng)相與基體粉體采用機(jī)械球磨法進(jìn)行球磨，以提高微納米顆粒增強(qiáng)相與金屬熔體的潤濕性；（2）金屬熔體熔化后加入球磨后的混合粉體，待粉體和金屬熔體混合后利用超聲場或超聲和電磁的復(fù)合場對熔體進(jìn)行處理；（3）然后冷卻成型或澆注成型，制備出微納米顆粒增強(qiáng)相彌散分布的金屬基復(fù)合材料。它實現(xiàn)了SiC、WC、Al4C3、B4C、ZrB2、TiB、Al2O3、AlN等陶瓷顆粒中的一種或一種以上的顆粒在鋁合金、鎂合金等金屬材料中實現(xiàn)彌散分布，利用該方法制備出致密性好、性能均勻的高品質(zhì)微納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。
【專利說明】一種復(fù)合材料中微納米顆粒增強(qiáng)相的彌散分布方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在金屬復(fù)合材料制備過程中微納米顆粒增強(qiáng)相的添加方法，具體是利用機(jī)械球磨技術(shù)對微納米顆粒增強(qiáng)相進(jìn)行潤濕性處理，然后利用超聲場或超聲場和電磁場的復(fù)合外場促使微納米顆粒增強(qiáng)相在金屬熔體中彌散分布方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是航天航空技術(shù)的高速發(fā)展和大規(guī)模原子能利用、海洋開發(fā)等新興工業(yè)的出現(xiàn)，對結(jié)構(gòu)材料提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)的金屬或合金材料難以滿足使用要求。與傳統(tǒng)的金屬材料相比，金屬基復(fù)合材料由于具有高的比強(qiáng)度、比模量、耐高溫、耐磨等特殊性能引起了各國材料研究者的高度重視。美國、日本和德國等發(fā)達(dá)國家曾將這類材料的研究列為21世紀(jì)新材料開發(fā)的重點，金屬基復(fù)合材料早已成為當(dāng)今世界范圍內(nèi)材料科學(xué)的一個重要主攻方向。
[0003]目前顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的主要制備方法有:粉末冶金法、攪拌鑄造法、液態(tài)金屬浸滲法、噴射沉積法等。其中粉末冶金法和噴射沉積法顆粒增強(qiáng)相分布比較均勻，但復(fù)合材料致密性差、工序復(fù)雜、設(shè)備要求苛刻。攪拌鑄造法相對比較簡單，但顆粒增強(qiáng)體分布均勻性差。液態(tài)金屬浸滲法應(yīng)用范圍有限，而且增強(qiáng)體制備復(fù)雜。
[0004]專利號US3740210提出了一種制備彌散強(qiáng)化A1203/A1復(fù)合材料，其制備方法是將鋁粉、氧化鋁粉和表面活性劑進(jìn)行球磨復(fù)合，由于復(fù)合工藝過程中采用了表面活性劑，不利于隨后復(fù)合粉末壓制，降低了復(fù)合材料的性能。
[0005]專利號200510013360.6提出了一種陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法，其制備方法采用熔體攪拌鑄造法，按照配料一熔化基體一加入增強(qiáng)顆粒一熔煉一變質(zhì)處理—攪拌一澆注一熱處理工藝流程`進(jìn)行，該方法工藝簡單，但復(fù)合材料中增強(qiáng)顆粒分布均勻性差，而且機(jī)械攪拌中會帶入雜質(zhì)等，降低復(fù)合材料的綜合性能。
[0006]專利號CN 97121945.1提出陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其方法是將陶瓷顆粒用助浸劑氟酸鹽處理后烘干，處理過的陶瓷顆粒放在坩堝底部，保溫一段時間后進(jìn)行平穩(wěn)攪拌，將鋁液澆入鑄型，該發(fā)明改善了鋁液對陶瓷顆粒表面的潤濕性，但處理過程比較復(fù)雜，而且納米級和亞微米級的陶瓷顆粒，在其處理過程表面吸附氣體而影響界面結(jié)合強(qiáng)度。
[0007]專利號CN 1510153A提出一種高強(qiáng)高塑顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制造方法，其制備方法是將增強(qiáng)體粉末與鋁粉末加入到混料筒中進(jìn)行混合，混合后制得的粉末混合物經(jīng)熱壓成形獲得坯錠，坯錠經(jīng)過擠壓、軋制、模鍛等熱加工而制備出產(chǎn)品，該方法工序復(fù)雜，而且粉末混合中鋁粉易于氧化而降低材料性能。
[0008]綜上所述，不難發(fā)現(xiàn)微納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料在制備中存在以下困難:
[0009]1.增強(qiáng)相與金屬熔體之間的潤濕性。由于增強(qiáng)相一般是具有高硬度、高熔點特性的微納米陶瓷顆粒，當(dāng)微納米顆粒增強(qiáng)相加入金屬熔體后增強(qiáng)相與金屬熔體之間存在固/液界面，因此微納米顆粒增強(qiáng)相難以加入。[0010]2.增強(qiáng)相在金屬熔體中的分布不均勻性。微納米顆粒增強(qiáng)相由于顆粒細(xì)小、比表面積大，顆粒易于團(tuán)聚和偏聚，導(dǎo)致復(fù)合材料性能不均勻。
[0011]3.顆粒易與熔體在界面發(fā)生反應(yīng)。適度的界面反應(yīng)有利于提高顆粒與金屬熔體間的浸潤性，但過度的界面反應(yīng)會形成界面脆性相和脆性層，造成增強(qiáng)體的損傷和基體成分的改變及界面結(jié)合的惡化。
[0012]本發(fā)明從微納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備中存在的以上問題出發(fā)，旨在解決微納米顆粒增強(qiáng)相的潤濕性差、分布不均勻和易于界面發(fā)生反應(yīng)等問題，提出一種微納米顆粒增強(qiáng)相在復(fù)合材料基體中彌散分布的方法，該發(fā)明可以實現(xiàn)Sic、WC、A14C3、B4C,ZrB2、TiB2、A1203、AlN等陶瓷顆粒中的一種或一種以上在鋁合金、鎂合金等金屬材料中實現(xiàn)彌散分布，制備出致密性好、性能均勻的高品質(zhì)微納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0013]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種在制備鋁合金、鎂合金等金屬基復(fù)合材料過程中微納米顆粒增強(qiáng)相在基體中彌散分布的方法，旨在克服微納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備過程中微納米顆粒增強(qiáng)相的潤濕性差、分布不均勻和易于界面發(fā)生反應(yīng)等問題，本發(fā)明可以實現(xiàn)Sic、WC、A14C3、B4C, ZrB2, TiB2、A1203、AlN等陶瓷顆粒中的一種或一種以上的顆粒在鋁合金、鎂合金等金屬材料中實現(xiàn)彌散分布，利用該方法制備出致密性好、性能均勻的高品質(zhì)微納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。
[0014]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種復(fù)合材料中微納米顆粒增強(qiáng)相的彌散分布方法，其特征在于步驟依次為:
[0015](I)首先將微納米顆粒增強(qiáng)相與基體金屬粉體采用機(jī)械球磨法進(jìn)行球磨，以提高微納米顆粒增強(qiáng)相與合金金屬熔體的潤濕性；
[0016](2)將對應(yīng)于基體金屬的合金金屬熔體熔化后加入球磨后的混合粉體，待粉體和合金金屬熔體混合后利用超聲場或超聲和電磁的復(fù)合場對熔體進(jìn)行處理；
[0017](3)然后冷卻成型或澆注成型，制備出微納米顆粒增強(qiáng)相彌散分布的金屬基復(fù)合材料。
[0018]作為改進(jìn)，本發(fā)明中微納米顆粒增強(qiáng)相和基體金屬粉體的混合工藝如下，選擇SiC, WC、A14C3、B4C, ZrB2, TiB、A1203、AlN等陶瓷顆粒中的一種或多種，與基體金屬粉末鋁粉或鎂粉進(jìn)行混合，顆粒增強(qiáng)相與基體金屬粉末鋁粉或鎂粉的混合比例為1:3~2:1，然后將混合粉體與剛玉球磨球一起裝入剛玉球磨罐中，將剛玉罐抽真空后反充氬氣，隨后放入行星球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，開始球磨速度選擇低速，速度范圍為20rev mirT1~SOrevmirT1,球磨時間0.5h~3h，此階段主要使粉體能夠均勻混合，然后高速球磨，球磨速度為100 revmirT1~300rev mirT1,球磨時間3h~IOh,此階段主要利用球磨過程的機(jī)械撞擊效應(yīng),利用基體金屬粉末鋁粉或鎂粉對微納米顆粒的微焊合效應(yīng)實現(xiàn)包覆，待混合粉體冷卻后在真空手套箱中取出待用。
[0019]作為再改進(jìn)，本發(fā)明中將合金金屬熔化后，將球磨后的微納米顆粒增強(qiáng)相和基體金屬粉體的混合體用錫箔紙包裹后壓入合金金屬熔體，待自然混合后澆入鑄型，然后施加超聲場或超聲和電磁復(fù)合場進(jìn)行處理，對于小型鑄件，僅施加頻率IOkHz~30kHz，功率300W~2000W的超聲場，對于較大型鑄件，施加頻率IOkHz~30kHz，功率300W~2000W的超聲場，同時施加頻率20Hz~IOOHz的旋轉(zhuǎn)磁場，金屬熔體隨后隨鑄型冷卻，制備出微納米顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料鑄件。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明微納米顆粒增強(qiáng)相在復(fù)合材料中的彌散分布技術(shù)的優(yōu)點在于以下幾個方面:
[0021]1.微納米顆粒增強(qiáng)相的潤濕性提高，微納米顆粒增強(qiáng)相和金屬粉體的低速球磨使二者均勻混合，隨后高速球磨的強(qiáng)烈機(jī)械撞擊促使金屬粉體和微納米顆粒增強(qiáng)相產(chǎn)生焊合效應(yīng)，從而使微納米顆粒增強(qiáng)相包裹一層金屬粉體，提高了微納米顆粒增強(qiáng)相的潤濕性。
[0022]2.微納米顆粒增強(qiáng)相不易與熔體界面的反應(yīng)，由于微納米顆粒增強(qiáng)相通過球磨處理，表面包裹的金屬粉體優(yōu)先與熔體進(jìn)行作用，降低了微納米顆粒增強(qiáng)相與熔體反應(yīng)幾率，減少了界面脆性層或脆性相的形成。
[0023]3.微納米顆粒增強(qiáng)相在基體中彌散分布，超聲波在金屬液中傳播時，液體分子受到周期交變應(yīng)力場的作用，產(chǎn)生的聲流、聲空化、超聲細(xì)化等特殊效應(yīng)，施加超聲場能夠在極短的時間內(nèi)使微納米顆粒增強(qiáng)相在熔體中潤濕和分散，對于大型鑄件，同時施加電磁場，電磁場產(chǎn)生的洛倫磁力的攪拌作用能夠更好地改善顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料中顆粒的空間分布，達(dá)到微納米顆粒增強(qiáng)相在金屬基體中呈彌散分布。
【具體實施方式】
[0024]下面用實例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，旨在有助于對本發(fā)明微納米顆粒增強(qiáng)相在復(fù)合材料中的彌散分布方法及其優(yōu)點作進(jìn)一步的理解，本發(fā)明的保護(hù)范圍不受實施例的限定，本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求書來限定。
[0025]實施例1
[0026]本實施例為ZrB2增強(qiáng)AZ31鎂基復(fù)合材料，其中ZrB2為粒度在3 μ m~10 μ m的球形顆粒，彌散分布于AZ31鎂基復(fù)合材料中，ZrB2質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為10%。
`[0027]按照質(zhì)量比為1:1的比例稱出ZrB2顆粒和鎂粉各200g，鎂粉的粒度在30 μ m左右，將二者混合后加入剛玉罐，同時加入剛玉球磨球，封好裝料口，抽真空值5 X IO-1Pa,充入惰性氣體氬氣，所充入的氬氣壓力為1.02X IO5Pa,放入行星球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，在30revmirT1的速度下球磨2h后停止，然后將球磨速度提高到120rev mirT1，球磨5h后停止，待完全冷卻后在真空手套箱中取出備用。
[0028]AZ31鎂合金按照計算熔煉2Kg，AZ31鎂合金熔煉采用純Mg、純Al、Al_10%Mn中間合金熔煉而成，鎂合金熔煉過程中采用C02+2%SF6的混合氣體進(jìn)行保護(hù)熔煉。當(dāng)熔體溫度達(dá)到730°C時通入惰性氣體Ar進(jìn)行除氣處理，然后將球磨后ZrB2和鎂粉混合體用錫箔紙包裹后壓入AZ31鎂合金熔體，待ZrB2和鎂粉混合體在合金熔體中自然混合后澆入預(yù)熱好的金屬鑄型，同時施加超聲場，頻率為15kHz，功率為1200W，30s后停止施加超聲場，鑄型凝固后即制得質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為10%ZrB2增強(qiáng)AZ31鎂基復(fù)合材料。
[0029]實施例2
[0030]本實施例為B4C增強(qiáng)6061鋁基復(fù)合材料，其中B4C為粒度在20nm~50nm的球形顆粒，彌散分布于6061鋁基復(fù)合材料中，B4C質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為5%。
[0031]按照質(zhì)量比為1:2的比例稱出B4C顆粒和鋁粉各IKg和2Kg，鋁粉的粒度小于10 μ m,將二者混合后加入剛玉罐，同時加入剛玉球磨球，封好裝料口，抽真空值5 X KT1Pa,充入惰性氣體氬氣，所充入的氬氣壓力為1.02X IO5Pa,放入行星球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，在20rev mirT1的速度下球磨3h后停止,然后將球磨速度提高到IOOrev mirT1,球磨8h后停止，待完全冷卻后在真空手套箱中取出備用。
[0032]6061鋁合金按照計算熔煉20Kg，6061合金熔煉采用純Al，Al_10%Mn、Al_20%S1、Al-50%Cu和Al-1OTi中間合金、純Mg熔煉而成，在合金加入爐體之前，對配料進(jìn)行預(yù)熱處理，防止合金配料時吸收的水汽以及沾染的油污等雜質(zhì)。同時對合金熔煉過程中使用的攪拌棒、扒渣勺、鐘罩等工具涂抹涂料并進(jìn)行烘烤，防止鐵含量的增加和水分隨熔煉工具帶入熔體。為了避免添加鎂塊時鎂合金的氧化燃燒，在添加鎂元素的時候采用鐘罩將鎂塊壓入鋁液以下，待鎂塊完全熔化后再將鐘罩取出。待合金熔化后升高到750°C進(jìn)行凈化處理，然后將球磨后B4C顆粒和鋁粉混合體用錫箔紙包裹后壓入6061鋁合金熔體，待B4C顆粒和鋁粉混合體在合金熔體中自然混合后澆入預(yù)熱好的金屬鑄型，同時施加超聲場和電磁場，超聲場的頻率為15kHz，功率為1500W，電磁場的頻率為30Hz，功率為2000W，180s后停止施加超聲場和電磁場，鑄型凝固后即制得質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為5%B4c顆粒增強(qiáng)6061鋁基復(fù)合材料。
[0033]實施例3
[0034]本實施例為SiC和AlN增強(qiáng)6061鋁基復(fù)合材料，其中SiC為粒度在50nm~80nm的球形顆粒，AlN為粒度在0.1 μ m~5 μ m的球形顆粒，彌散分布于6061鋁基復(fù)合材料中，SiC質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為3%，AlN質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為2%。
[0035]按照設(shè)計稱出SiC顆粒、AlN顆粒和鋁粉各0.6Kg、0.4Kg和2Kg，鋁粉的粒度小于
10μ m，將二者混合后加入剛玉罐，同時加入剛玉球磨球，封好裝料口，抽真空值5 X KT1Pa,充入惰性氣體氬氣，所充入的氬氣壓力為1.02X IO5Pa,放入行星球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，在25rev mirT1的速度下球磨4h后停止,然后將球磨速度提高到IOOrev mirT1,球磨IOh后停止，待完全冷卻后在真空手套箱中取出備用。
[0036]6061鋁合金按照計算熔煉20`Kg，6061合金熔煉采用純Al，Al_10%Mn、Al_20%S1、Al-50%Cu和Al-1OTi中間合金、純Mg熔煉而成，在合金加入爐體之前，對配料進(jìn)行預(yù)熱處理，防止合金配料時吸收的水汽以及沾染的油污等雜質(zhì)。同時對合金熔煉過程中使用的攪拌棒、扒渣勺、鐘罩等工具涂抹涂料并進(jìn)行烘烤，防止鐵含量的增加和水分隨熔煉工具帶入熔體。為了避免添加鎂塊時鎂合金的氧化燃燒，在添加鎂元素的時候采用鐘罩將鎂塊壓入鋁液以下，待鎂塊完全熔化后再將鐘罩取出。待合金熔化后升高到750°C進(jìn)行凈化處理，然后將球磨后SiC顆粒、AlN顆粒和鋁粉混合體用錫箔紙包裹后壓入6061鋁合金熔體，SiC顆粒、AlN顆粒和鋁粉混合體在合金熔體中自然混合后澆入預(yù)熱好的金屬鑄型，同時施加超聲場和電磁場，超聲場的頻率為15kHz，功率為1500W，電磁場的頻率為30Hz，功率為2000W，180s后停止施加超聲場和電磁場，鑄型凝固后即制得SiC質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為3%，AlN質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為2%顆粒增強(qiáng)6061鋁基復(fù)合材料。
[0037]對于鑄件的大小的區(qū)分問題，其實沒有嚴(yán)格的概念，只是對于較大鑄件，超聲場無法全部作用，需要同時施加電磁場使微納米顆粒分布更加均勻彌散，一般認(rèn)為20公斤以上的鑄件為大型鑄件。
【權(quán)利要求】
1.一種復(fù)合材料中微納米顆粒增強(qiáng)相的彌散分布方法，其特征在于步驟依次為: (1)首先將微納米顆粒增強(qiáng)相與基體金屬粉體采用機(jī)械球磨法進(jìn)行球磨，以提高微納米顆粒增強(qiáng)相與合金金屬熔體的潤濕性； (2)將對應(yīng)于基體金屬的合金金屬熔體熔化后加入球磨后的混合粉體，待粉體和合金金屬熔體混合后利用超聲場或超聲和電磁的復(fù)合場對熔體進(jìn)行處理； (3)然后冷卻成型或澆注成型，制備出微納米顆粒增強(qiáng)相彌散分布的金屬基復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彌散分布方法，其特征在于:所述步驟(1)中微納米顆粒增強(qiáng)相和基體金屬粉體的混合方法如下，選擇SiC、WC、Al4C3、B4C、ZrB2、TiB2、Al203、AlN等陶瓷顆粒中的一種或多種，與基體金屬粉末鋁粉或鎂粉進(jìn)行混合，顆粒增強(qiáng)相與基體金屬粉末鋁粉或鎂粉的混合比例為1:3~2:1，然后將混合粉體與剛玉球磨球一起裝入剛玉球磨罐中，將剛玉罐抽真空后反充氬氣，隨后放入行星球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，開始球磨速度選擇低速，速度范圍為20rev min_l~60rev min_l,球磨時間0.5h~3h,此階段主要使粉體能夠均勻混合，然后高速球磨，球磨速度為IOOrev min-1~300revmin-l,球磨時間3h~IOh,此階段主要利用球磨過程的機(jī)械撞擊效應(yīng)，利用基體金屬粉末鋁粉或鎂粉對微納米顆粒的微焊合效應(yīng)實現(xiàn)包覆，待混合粉體冷卻后在真空手套箱中取出待用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彌散分布方法，其特征在于:所述的步驟(2)中將合金金屬熔化后，將球磨后的微納米顆粒增強(qiáng)相和基體金屬粉體的混合體用錫箔紙包裹后壓入合金金屬熔體，待自然混合后澆入鑄型，然后施加超聲場或超聲和電磁復(fù)合場進(jìn)行處理，對于小型鑄件，僅施加頻率IOkHz~30kHz，功率300W~2000W的超聲場，對于較大型鑄件，施加頻率IOkHz~30kHz，功率300W~2000W的超聲場，同時施加頻率20Hz~IOOHz的旋轉(zhuǎn)磁場，合金金屬熔體隨后 隨鑄型冷卻，制備出微納米顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料鑄件。
【文檔編號】C22C1/10GK103866154SQ201210543760
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2012年12月14日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月14日
【發(fā)明者】任政, 張瀟, 周靈展, 任靜, 陳剛, 朱秀榮, 連付奎, 譚鎖奎, 成建國 申請人:中國兵器科學(xué)研究院寧波分院