納米顆粒彌散化的超細晶金屬基納米復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超細晶金屬基納米復(fù)合材料的制備領(lǐng)域，具體涉及一種納米顆粒彌散化的超細晶金屬基納米復(fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬基復(fù)合材料聯(lián)合了金屬基體良好的延展性、韌性以及增強體的高強度、高硬度、高熱穩(wěn)定性，在許多重要的工程領(lǐng)域(如汽車業(yè)、航空航天業(yè)等)有著廣闊的應(yīng)用空間。采用液相法制備金屬基納米復(fù)合材料時，納米顆粒因其表面能高，與金屬或合金液潤濕性差而難以加入；納米顆粒間的范德華力使其易于團聚；同時，制得的復(fù)合材料晶粒粗大，鑄造缺陷明顯。因此，如何提高納米顆粒在晶體合金中的分散性和穩(wěn)定性，減少鑄造缺陷成為納米顆粒增強金屬基復(fù)合材料的關(guān)鍵問題之一。
[0003]經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，Yong Yang等人在《Materials Scienceand Engineering A》材料科學(xué)與工程 A 刊，2004，380:378-383 上發(fā)表的 “Study onbulk aluminum matrix nano-composite fabricated by ultrasonic dispers1n ofnano-sized SiC particles in molten aluminum alloy” (高能超聲法制備納米碳化娃增強鋁基復(fù)合材料)一文中，提出了利用高能超聲法制備了納米SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料，研宄表明高能超聲產(chǎn)生的聲空化和聲流效應(yīng)，能夠?qū)︻w粒/熔體起到除渣、除氣及潤濕作用，從而促進SiC納米顆粒分散到金屬熔體中。但是之后的顯微組織觀察表明，納米SiC顆粒在基體中仍然存在團聚和偏聚；同時，此方法無法制備大尺寸鑄錠。
[0004]進一步檢索發(fā)現(xiàn)，公開號為CN102134664A的中國發(fā)明專利，發(fā)明名稱:一種均勻彌散顆粒增強金屬基復(fù)合材料及其制備方法，該技術(shù)通過對顆粒增強金屬基復(fù)合材料的大塑性/累積變形加工，使團聚在金屬基體中的第二相顆粒均勻分布于基體中，再經(jīng)過后續(xù)加工，制得顆粒增強金屬基復(fù)合材料制品。該方法的缺陷在于，大塑性變形工藝局限于多次軋制以及擠壓過程，道次加工量小，金屬流動極不充分，同時，加工效率低，難以推廣于實際工業(yè)生產(chǎn)過程。公開號為CN103572186A的中國發(fā)明專利，發(fā)明名稱:采用等徑彎曲通道變形制備超細晶鈦基復(fù)合材料的方法，該方法有效利用通道轉(zhuǎn)角的剪切應(yīng)力，金屬以及增強顆粒在三維空間中流動充分，但是，該方法成材率低，也難推廣應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種納米顆粒彌散化的超細晶金屬基納米復(fù)合材料的制備方法；該方法將常規(guī)攪拌(人工攪拌、機械攪拌、電磁攪拌)與高能超聲法聯(lián)合起來，制得有少量團聚以及偏聚的納米顆粒增強金屬基復(fù)合材料；然后對該納米復(fù)合材料引入多道次、多路徑反復(fù)壓縮大塑性加工，細化基體晶粒，改善鑄造缺陷，同時促使增強相在三維空間中充分流動，獲得納米顆粒均勻、彌散分布，基體組織細化的金屬基納米復(fù)合材料。該方法可用于制備包括以鎂、鋁、鋅、銅等金屬及其合金為基體，納米SiC、A1203、B4C, TiC、AlN或ZrO2等顆粒為增強相的多種超細晶金屬基納米復(fù)合材料。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明涉及一種納米顆粒彌散化的超細晶金屬基納米復(fù)合材料的制備方法，所述制備方法包括如下步驟:
[0008]第一步、采用攪拌的方式將納米顆粒加入金屬熔體或合金熔體中，使納米顆粒分散于所述金屬熔體或合金熔體中；同時采用高能超聲法將局部團簇或偏聚的納米顆粒分散開來，澆鑄，制得納米顆粒增強金屬基復(fù)合材料；所述納米顆粒(增強體)為25?SOnm的SiC、Al2O3N B4C> TiC、AlN或21*02納米顆粒，所述納米顆粒增強金屬基復(fù)合材料中納米顆粒的添加量為0.5wt%?10.0wt % ；
[0009]第二步、第一步制得的納米顆粒增強金屬基復(fù)合材料固溶處理后，進行多道次反復(fù)壓縮大塑性變形，即得所述納米顆粒彌散化的超細晶金屬基納米復(fù)合材料。
[0010]本發(fā)明中，第一步熔融鑄造過程采用常規(guī)攪拌與高能超聲復(fù)合法將納米顆粒添加并分散于金屬或合金熔體中；第二步中，通過多道次反復(fù)壓縮大塑性變形，可細化基體組織，均勻彌散局部團簇以及偏聚的納米顆粒，同時改善鑄造缺陷。
[0011]作為優(yōu)選技術(shù)方案，所述金屬熔體為鎂、鋁、鋅或銅的熔融金屬液；所述合金熔體為鎂合金、鋁合金、鋅合金或銅合金的熔融合金液。本發(fā)明的納米顆粒增強金屬基復(fù)合材料為外加增強復(fù)合材料，其中:基體為鎂、鋁、鋅、銅等金屬及其合金。
[0012]本發(fā)明以高強度、高硬度的納米硬質(zhì)陶瓷顆粒為增強相的金屬基納米復(fù)合材料，相比于基體合金，具有優(yōu)異的機械性能和物理性能、高的比強度和比模量，良好的抗疲勞性能、低的熱膨脹系數(shù)和良好的熱穩(wěn)定性。鎂、鋁、鋅以及銅四種金屬或合金熔點相對較低，具有良好的鑄造性能，因此該發(fā)明專利中首先采用熔融鑄造法制備相應(yīng)的納米顆粒增強金屬基復(fù)合材料。該發(fā)明專利中采用的反復(fù)壓縮大塑性變形，在加工過程中能產(chǎn)生強烈的雙向或三向壓應(yīng)力，適于加工鎂和鋅等塑性加工能力差的六方晶系結(jié)構(gòu)的金屬及合金；而對于塑性加工性能好的鋁和銅，反復(fù)壓縮大塑性變形引入的累積應(yīng)變能夠充分促進金屬基體在三維空間中的流動，使得納米顆粒在基體中分散均勻。
[0013]作為優(yōu)選技術(shù)方案，所述納米顆粒在加入加入金屬熔體或合金熔體前，需在低于金屬或合金恪點100?200°C下進行加熱預(yù)處理，以提高納米顆粒與合金液的潤濕性。
[0014]作為優(yōu)選技術(shù)方案，所述攪拌為人工攪拌、機械攪拌或電磁攪拌。具體選擇視實際生產(chǎn)設(shè)備而定。
[0015]作為優(yōu)選技術(shù)方案，所述攪拌采用的攪拌子可以為單個或多個；當(dāng)使用單個攪拌子攪拌大體積金屬熔體或合金熔體時，通過該攪拌子在容器中的運動，實現(xiàn)大體積范圍內(nèi)納米顆粒的均勻分散。
[0016]作為優(yōu)選技術(shù)方案，所述高能超聲的功率為2.5kff?4kW，頻率為15?40KHz，超聲時間為15?30min。具體選擇視實際生產(chǎn)設(shè)備而定。
[0017]作為優(yōu)選技術(shù)方案，所述反復(fù)壓縮大塑性變形包括往復(fù)擠壓變形工藝、反復(fù)鐓壓工藝、循環(huán)閉式模鍛工藝中的一種或幾種。本發(fā)明是利用反復(fù)壓縮大塑性變形來細化基體并促進納米增強顆粒進一步彌散分布。
[0018]作為優(yōu)選技術(shù)方案，若需制備棒材，采用往復(fù)擠壓變形工藝；若制備大塊塊體材料，采用反復(fù)鐓壓工藝和/或循環(huán)閉式模鍛工藝。反復(fù)鐓壓工藝道次真應(yīng)變較大，形變較為均勻，而循環(huán)閉式模鍛成材率更高。
[0019]作為優(yōu)選技術(shù)方案，所述超細晶金屬基納米復(fù)合材料中基體晶粒尺寸為500nm?5um，納米顆粒在任意尺度均無團聚或偏聚情況。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0021]1、本發(fā)明在熔融鑄造法過程中，采用常規(guī)攪拌與高能超聲復(fù)合的方法，通過常規(guī)攪拌促進納米顆粒整個熔體中的分散，保證納米顆粒在大體積范圍內(nèi)分散性，可用于制備大體積的鑄錠；而高能超聲法在改善了納米顆粒與金屬或合金液之間的潤濕性的同時，促進了局部團聚或偏聚的納米顆粒分散開來，保證納米顆粒在局部范圍內(nèi)的分散性；
[0022]2、本發(fā)明解決了常規(guī)制備納米顆粒增強金屬基復(fù)合材料中納米顆粒團聚或局部偏聚的現(xiàn)象，制得了納米顆粒彌散化的超細晶金屬基納米復(fù)合材料；
[0023]3、本發(fā)明在彌散分布納米增強相的同時，實現(xiàn)了基體超細晶組織的控制，改善了鑄造缺陷，從而提高了材料的強韌性，拓寬了超細晶納米復(fù)合材料的應(yīng)用范圍；
[0024]4、本發(fā)明采用的反復(fù)壓縮大塑性變形引入強烈的雙向或三向壓應(yīng)力，改善了復(fù)合材料的變形性能，提高了成材率；同時，變形過程中引入的切應(yīng)變，能夠顯著細化基體晶粒，改善鑄造缺項，并且促進金屬在三維空間中的流動。
【附圖說明】
[0025]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0026]圖1為制備納米顆粒彌散化的超細晶金屬基納米復(fù)合材料的加工路線