[发明专利]一种表面/块体金属基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料，具体涉及一种表面/块体金属基复合材料及其制备方法。

背景技术

金属材料具有轻质、高强、成形性好等优点，在汽车、航空航天等工业领域有着广泛的应用。陶瓷材料具有弹性模量高、耐磨性好、高温性能好等优点。将陶瓷颗粒添加到金属合金中制备成金属基复合材料可充分发挥二者的优势，是提升材料性能或生产出新型结构/功能材料的有效途径。这类复合材料在工程应用领域有着广阔的应用前景。

目前，颗粒增强金属基复合材料制备方法主要有两类，即液态法和固态法。在液态法中，一是先将金属基体熔化然后将陶瓷颗粒加入金属液中搅拌均匀，冷却后形成复合材料，但由于存在密度差，很难使颗粒分布均匀。另一是将陶瓷颗粒制成预制块后，将金属液挤压进入其中形成复合材料，由于要求预制块有足够的强度，颗粒含量很高，因此无法制备出低体积分数的复合材料。固态法是先将金属粉末和陶瓷颗粒混均，在真空或惰性气体保护下经高温高压烧结而成。不管是液态法还是固态法，由于制备温度高，都容易产生化学反应生成有害相，而且它们的制备工艺非常复杂，生产周期长，成本昂贵。

搅拌摩擦加工(Friction stir processing，FSP)是近年来发展起来的一种短流程、高效能、适用范围广泛的新型材料制备与加工技术，已被成功应用于金属基复合材料的制备，特别是对于制备在高温下易于反应的复合材料体系具有突出优势。这是由于一方面FSP是在固态下加工，其加工温度低于常规成型技术；另一方面FSP加工速度快，材料在高温下经历的时间非常短。

在FSP制备金属基复合材料工艺中，一种是先将增强相颗粒与基体粉末混合，经冷压或热压烧结成块体生坯，然后对生坯进行FSP生成复合材料，可称为间接法。另一种是先将增强相颗粒以一定方式预置在金属板材上然后直接FSP，利用FSP过程中加工工具的搅拌作用将颗粒直接搅进金属板材中形成复合材料，可称为直接法。与间接法相比，直接法更为经济、快速、高效。然而，该方法有两点不足：一是增强相的分布均匀性不理想，二是目前主要应用于制备表面复合材料，对于大尺寸块体复合材料的制备来说非常困难。

在直接法FSP制备金属基复合材料中，以何种方式将增强相颗粒预置在金属板材中是最终获得具有均匀分布增强相复合材料的关键。目前已报导的颗粒预置方式有以下几种：(1)将颗粒直接铺在板材表面。这种方法始于FSP制备复合材料的最初阶段，简单、高效，但粉末易飞溅，且只适用于制备非常浅的表面复合材料层。(2)在板材表面开设一个具有一定长度、深度的凹槽，在凹槽中装入颗粒后沿其长度方向沿进行FSP。有时为了防止加工时颗粒的飞浅，在凹槽上加一层金属盖板。这种方法是目前研究中所广泛采用的，减少了颗粒的飞溅，所制备的复合材料层也更厚一些。(3)在紧贴金属板表面下方钻一个平行于表面的深孔，在孔中装入颗粒，沿孔的深度方向进行FSP。显而易见，其目的、作用与凹槽上加盖板是一个道理。同凹槽上加盖板方法相比，这种方法虽然省去了加盖板的环节，但其钻孔难度大，特别是对于深度很大的盲孔而言，因此不适合于生产应用。总的来说，用上述方制备的多为表面复合材料，而且增强相的分布均匀性不理想。这是由于FSP时，行进中的搅拌工具在将颗粒搅入基体的同时，也会将前方松散的预置颗粒向前推进，形成堆积，从而造成颗粒分布的不均匀。对于敞开式的凹槽，颗粒会直接飞溅出来，尽管加了盖板后能防止粉末飞溅，但却不能消除颗粒的移动、堆积，因此也就不能从根本上解决粉末分布不均匀的问题。

本发明提供一种表面/块体金属基复合材料制备技术，可用于在镁、铝、铜、锌、钛合金板材上制备表面复合材料层或块体复合材料，其增强相为陶瓷或金属颗粒。

发明内容

本发明的目的是提供一种表面/块体金属基复合材料及其制备方法。

本发明提供了一种表面/块体金属基复合材料，该表面/块体金属基复合材料由基体和增强相组成，其中增强相的体积含量为5～40％；该复合材料的厚度为0.5～20毫米。

本发明提供的表面/块体金属基复合材料，所述基体为镁合金、铝合金、铜合金、锌合金、钛合金中的一种；所述增强相为陶瓷或金属颗粒。

本发明还提供了表面/块体金属基复合材料的制备方法，采用点阵式多孔颗粒预置方式，通过搅拌摩擦加工工艺制备出表面/块体金属基复合材料。

本发明提供的表面/块体金属基复合材料的制备方法，所述点阵式多孔颗粒预置方式为在金属板材表面上钻出一系列以点阵规律排列的小孔，小孔的直径为0.5～20毫米，深度为0.5～20毫米，将直径在0.1微米～0.5毫米的增强相颗粒均匀地装满小孔并压实。