一种高强韧金属基纳米复合材料的制备方法

摘要

本发明涉及复合材料制备技术领域，特指一种高强韧金属基纳米复合材料的制备方法。本发明通过二次球磨、放电等离子原位反应烧结与大应变塑性变形技术相结合的复合工艺，有效控制增强体的尺度、分布、界面结构以及金属基体的微结构，从而制备原位自生纳米颗粒均匀分布、界面结合良好的超细晶金属基复合材料，获得良好的强度与韧性匹配。

权利要求

1.一种高强韧金属基纳米复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将能够反应生成增强相的金属粉末或金属化合物粉末与非金属粉末按比例混合，并采用高能球磨机进行球磨均匀化，得到混合粉末；

2)将均匀的能够生成增强相的混合粉末与金属基体粉末混合，同样采用高能球磨机进行球磨，制得混合均匀的复合粉末；

3)将均匀的复合粉末压制成型；

4)将压坯置于放电等离子烧结装置中真空烧结，制得原位自生纳米颗粒增强的金属基复合材料；

5)将纳米颗粒增强的金属基复合材料进行大应变塑性变形，最终制得原位纳米颗粒增强的超细晶金属基复合材料；

所述的生成增强相的金属粉末为Ti、V、W、Mo、Zr中的一种或两种以上的混合粉末，金属化合物粉末为TiO2或/和ZrO2，非金属粉末为C、B、B4C、BN、SiC、SiO2中的一种或两种以上的混合粉末；所述的生成增强相的金属粉末的平均粒度为0.1-100µm，金属化合物粉末的平均粒度为0.1-100µm，非金属粉末的平均粒度为0.1-100µm；

所述的放电等离子烧结工艺参数为：烧结温度850-1000℃，加热速度50-150℃/min，烧结时间5-30min，压力5-30MPa；

所述的大应变塑性变形技术为等通道转角挤压技术，通道夹角Φ为90°-135°，外接角Ψ为10°-40°，挤压路径为Bc，挤压温度为20-500℃，挤压道次N为1-10。

2.如权利要求1所述的一种高强韧金属基纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述的金属基体粉末为Al、Ti、Cu、Mg或Ni；所述的金属基体粉末的平均粒度为0.1-100µm，金属基体粉末与生成增强相的混合粉末的质量比为20:1-1:1。

3.如权利要求1所述的一种高强韧金属基纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述的球磨工艺参数为：球料比10：1-20：1，转速200-300r/min，球磨时间0.5-3h，球磨气氛为惰性气体保护或真空。

4.如权利要求1所述的一种高强韧金属基纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述的压制成型的压力为120-350MPa。

说明书

一种高强韧金属基纳米复合材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及复合材料制备技术领域，特指一种高强韧金属基纳米复合材料的制备方法。

背景技术

[0002] 金属基复合材料具有高的比强度、比刚度、低的热膨胀系数、低成本等优点，在汽车工业、航空航天、军工等领域具有广泛的应用前景；但增强体的引入同时严重降低了材料的塑性和韧性，限制了其实际应用。

[0003] 金属基复合材料的性能与增强体的性质(种类、形态、尺度与分布)、增强体-金属基体界面结构、基体的微结构等密切相关；增强体的引入方式主要有外部加入与原位自生两种，与前者相比，后者得到的增强体与基体间有更好的相容性，成为近年来金属基复合材TM料研究的热点；发展至今，已有原位凝固自生法、XD 原位反应生成法、燃烧合成、反应喷射沉积等原位制备方法；然而，现有大部分方法反应生成的增强体平均尺度相对较大，而且尺度分布不均匀，这严重影响了材料性能的提高，与粗颗粒增强体相比，纳米尺度增强体能够使金属基复合材料的强度和韧性匹配更好，因此，控制增强体的尺度是实现高强韧复合材料制备的重要因素，除增强体外，现有制备方法制得的金属基复合材料的基体微结构也比较粗大，这不能有效获得强度与韧性的良好匹配，由此可见，获得原位自生纳米颗粒增强的超细晶金属基复合材料是同时实现高强度与高韧性的有效途径。

[0004] 针对上述问题，本发明从微结构调控出发，基于纳米增强颗粒的弥散强化与基体的细晶强化复合理论，提出放电等离子原位反应烧结与等通道转角挤压复合工艺制备高强韧金属基纳米复合材料的新方法；相对传统的原位自生技术，放电等离子原位反应烧结是一种快速、低温、节能、环保的材料制备新技术，具有表面活化、自发热、能量易集中与温度场可控等独特的优势，以及低温短时的烧结特点，采用这一原位自生技术，通过工艺条件及原位反应热力学与动力学的调控可以制备出增强体尺度更小的致密金属基复合材料，在此基础上，施以等通道转角挤压大应变塑性变形可以有效细化基体微结构，从而实现高强韧原位自生纳米颗粒增强的超细晶金属基复合材料的制备。

发明内容

[0005] 金属基复合材料的强度较高，但塑韧性较差，这严重限制了其应用；为使其更加实用化，必须在保证较高强度的前提下有效提高其塑韧性，增强体与金属基体的微观结构严重影响其力学性能，但现有方法制得的增强体与基体微观结构不能满足高塑韧性的要求，从而使其塑韧性大大下降。

[0006] 本发明的目的是为解决上面的问题，提供一种高强韧金属基纳米复合材料的制备方法，其通过二次球磨、放电等离子原位反应烧结与大应变塑性变形技术相结合的复合工艺，有效控制增强体的尺度、分布、界面结构以及金属基体的微结构，从而制备原位自生纳米颗粒均匀分布、界面结合良好的超细晶金属基复合材料，获得良好的强度与韧性匹配。

[0007] 本发明解决上述问题的技术方案是：采用二次球磨、放电等离子原位反应烧结与大应变塑性变形技术相结合的复合工艺制备原位自生纳米颗粒增强的超细晶金属基复合材料，获得均匀分布的纳米尺度增强体，超细晶金属基体，进而提高其强韧性，其步骤为：

[0008] 1)将能够反应生成增强相的金属粉末或金属化合物粉末与非金属粉末按比例混合，并采用高能球磨机进行球磨均匀化，得到混合粉末；

[0009] 2)将均匀的能够生成增强相的混合粉末与金属基体粉末混合，同样采用高能球磨机进行球磨，制得混合均匀的复合粉末；

[0010] 3)将均匀的复合粉末压制成型；

[0011] 4)将压坯置于放电等离子烧结装置中真空烧结，制得原位自生纳米颗粒增强的金属基复合材料；

[0012] 5)将纳米颗粒增强的金属基复合材料进行大应变塑性变形，最终制得原位纳米颗粒增强的超细晶金属基复合材料。

[0013] 所述的生成增强相的金属粉末为Ti、V、W、Mo、Zr中的一种或两种以上的混合粉末，金属化合物粉末为TiO2或/和ZrO2，非金属粉末为C、B、B4C、BN、SiC、SiO2中的一种或两种以上的混合粉末。

[0014] 所述的金属基体粉末为Al、Ti、Cu、Mg或Ni。

[0015] 所述的生成增强相的金属粉末的平均粒度为0.1-100µm，金属化合物粉末的平均粒度为0.1-100µm，非金属粉末的平均粒度为0.1-100µm。

[0016] 所述的金属基体粉末的平均粒度为0.1-100µm，金属基体粉末与生成增强相混合粉末的质量比为20:1-1:1。

[0017] 所述的球磨工艺参数为：球料比10：1-20：1，转速200-300r/min，球磨时间0.5-3h，球磨气氛为惰性气体保护或真空。

[0018] 所述的压制成型的压力为120-350MPa。

[0019] 所述的放电等离子烧结工艺参数为：烧结温度850-1000℃，加热速度50-150℃/min，烧结时间5-30min，压力5-30MPa。

[0020] 所述的大应变塑性变形技术为等通道转角挤压技术，通道夹角Φ为90°-135°，外接角Ψ为10°-40°，挤压路径为Bc，挤压温度为20-500℃，挤压道次N为1-10。

[0021] 本发明的优点在于：将混合粉末在高能球磨机中进行二次球磨，能够有效提高粉末的混合均匀性，尤其是生成增强体粉末在基体中的均匀分布，提高增强体反应生成的同步性与速率，最大限度地克服增强体的偏聚与尺度不均匀性；高效短时的放电等离子反应烧结有助于有效控制增强颗粒的尺度，使其达到纳米量级；后续的等通道转角挤压大应变塑性变形能够有效调节纳米增强颗粒的分布，使其分布更加均匀，而且可以显著细化金属基体的微观结构；因此，本发明可以制备现有工艺难以获得的均匀分布与界面结合良好的原位自生纳米尺度颗粒增强的超细晶金属基复合材料，这不仅显著提高了复合材料的强度，而且有效改善了其塑韧性，获得高强度与高韧性的良好配合，从而推动并扩大了其实际应用，此工艺过程简单，适合于大规模批量化生产，因此，通过本发明可以制备出高强韧的金属基纳米复合材料。

具体实施方式

[0022] 本发明中高强韧金属基复合材料是通过二次球磨、放电等离子反应烧结与等通道转角挤压相结合的复合工艺制备而成；首先将按比例配制的能够生成增强体的粉末与金属基体粉末通过二次球磨混合得到均匀的复合粉末，然后将均匀的复合粉末压制成型，并将压坯通过放电等离子反应烧结制成纳米颗粒增强的金属基材料，最后将得到的金属基复合材料进行等通道转角挤压大塑性变形；采用该发明制得的金属基复合材料基体晶粒尺寸细小、均匀，增强体为纳米尺度且分布均匀，界面结合牢固，强度与韧性匹配良好，推动了其在实际中的应用。

[0023] 实施例1：

[0024] 1)将50 m金属Ti粉末与30 m 非金属C粉末按原子比1:1混合，并采用高能球磨机在Ar气气氛下球磨1h，球料比为10：1，转速为300r/min，制得能够反应生成增强相的均匀混合粉末；

[0025] 2)将能够生成增强相的均匀混合粉末与100 m金属Mg基体粉末以质量比1:4在真空下进行二次球磨混合，球料比为12：1，转速220r/min，球磨时间3h，制得混合均匀的复合粉末；

[0026] 3)将均匀的复合粉末在120MPa下压制成型；

[0027] 4)将压坯置于放电等离子烧结装置中以150℃/min加热到1000℃，在30MPa压力下真空烧结5min，制得原位自生纳米颗粒增强的金属基复合材料；

[0028] 5)将纳米颗粒增强的金属基复合材料以Bc路径进行4道次等通道转角挤压大应变塑性变形，通道夹角Φ为90°，外接角Ψ为30°，挤压温度为500℃，最终制得原位纳米颗粒增强的超细晶金属基复合材料。

[0029] 采用本发明制备的金属基复合材料与传统原位凝固自生法相比，抗拉强度提高约25%，断裂韧性提高10%。

[0030] 实施例2：

[0031] 1)将100 m金属W粉末与80 m 非金属SiC粉末按原子比1:1混合，并采用高能球磨机在Ar气气氛下球磨3h，球料比为15：1，转速为240r/min，制得能够反应生成增强相的均匀混合粉末；

[0032] 2)将能够生成增强相的均匀混合粉末与80 m金属Al基体粉末以质量比1:2在真空下进行二次球磨混合，球料比为20：1，转速为200r/min，球磨时间1h，制得混合均匀的复合粉末；

[0033] 3)将均匀的复合粉末在350MPa下压制成型；

[0034] 4)将压坯置于放电等离子烧结装置中以50℃/min加热到850℃，在5MPa压力下真空烧结30min，制得原位自生纳米颗粒增强的金属基复合材料；

[0035] 5)将纳米颗粒增强的金属基复合材料以Bc路径进行1道次等通道转角挤压大应变塑性变形，通道夹角Φ为135°，外接角Ψ为40°，挤压温度为400℃，最终制得原位纳米颗粒增强的超细晶金属基复合材料。

[0036] 采用本发明制备的金属基复合材料与传统原位凝固自生法相比，抗拉强度提高约12%，断裂韧性提高8%。

[0037] 实施例3：

[0038] 1)将1 m金属化合物TiO2粉末与0.1 m 非金属SiC粉末按原子比1:1混合，并采用高能球磨机在Ar气气氛下球磨1.5h，球料比为20：1，转速为200r/min，制得能够反应生成增强相的均匀混合粉末；

[0039] 2)将能够生成增强相的均匀混合粉末与0.1 m金属Ni基体粉末以质量比1:20在真空下进行二次球磨混合，球料比为10：1，转速300r/min，球磨时间2h，制得混合均匀的复合粉末；

[0040] 3)将均匀的复合粉末在200MPa下压制成型；

[0041] 4)将压坯置于放电等离子烧结装置中以100℃/min加热到950℃，在25MPa压力下真空烧结10min，制得原位自生纳米颗粒增强的金属基复合材料；

[0042] 5)将纳米颗粒增强的金属基复合材料以Bc路径进行10道次等通道转角挤压大应变塑性变形，通道夹角Φ为120°，外接角Ψ为20°，挤压温度为20℃，最终制得原位纳米颗粒增强的超细晶金属基复合材料。

[0043] 采用本发明制备的金属基复合材料与传统原位凝固自生法相比，抗拉强度提高约162%，断裂韧性提高22%。

[0044] 实施例4：

[0045] 1)将10 m金属Zr粉末与1 m 非金属BN粉末按原子比3:4混合，并采用高能球磨机在Ar气气氛下球磨2h，球料比为12：1，转速为260r/min，制得能够反应生成增强相的均匀混合粉末；

[0046] 2)将能够生成增强相的均匀混合粉末与20 m金属Cu基体粉末以质量比1:1在真空下进行二次球磨混合，球料比为15：1，转速为240r/min，球磨时间1.5h，制得混合均匀的复合粉末；

[0047] 3)将均匀的复合粉末在300MPa下压制成型；

[0048] 4)将压坯置于放电等离子烧结装置中以80℃/min加热到900℃，在20MPa压力下真空烧结15min，制得原位自生纳米颗粒增强的金属基复合材料；

[0049] 5)将纳米颗粒增强的金属基复合材料以Bc路径进行2道次等通道转角挤压大应变塑性变形，通道夹角Φ为135°，外接角Ψ为30°，挤压温度为450℃，最终制得原位纳米颗粒增强的超细晶金属基复合材料。

[0050] 采用本发明制备的金属基复合材料与传统原位凝固自生法相比，抗拉强度提高约8%，断裂韧性提高5%。

[0051] 实施例5：

[0052] 1)将0.1 m金属Mo粉末与10 m 非金属SiO2粉末按原子比2:1混合，并采用高能球磨机在Ar气气氛下球磨0.5h，球料比为18：1，转速为280r/min，制得能够反应生成增强相的均匀混合粉末；

[0053] 2)将能够生成增强相的均匀混合粉末与1 m金属Ti基体粉末以质量比1:10在真空下进行二次球磨混合，球料比为16：1，转速260r/min，球磨时间0.5h，制得混合均匀的复合粉末；

[0054] 3)将均匀的复合粉末在260MPa下压制成型；

[0055] 4)将压坯置于放电等离子烧结装置中以120℃/min加热到980℃，在10MPa压力下真空烧结20min，制得原位自生纳米颗粒增强的金属基复合材料；

[0056] 5)将纳米颗粒增强的金属基复合材料以Bc路径进行8道次等通道转角挤压大应