[发明专利]一种高强韧金属基纳米复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体是一种高强韧金属基纳米复合材料的制备方法。

背景技术

随着全球节能、环保可持续发展战略的推进，轻质高强材料在产品设计中的比重日益增加。超细晶/纳米晶金属材料与其对应的粗晶材料相比，因具有超高的强度，成为潜在的新一代轻质结构材料。但随着材料组织的细化，尤其是晶粒细化至亚微米、纳米级后，材料的塑韧性急剧降低，表现为整体脆性，使超细晶/纳米晶金属的工程化应用受到限制。因此，在保持超细晶/纳米晶金属高强度的同时，提高其塑韧性为超细晶/纳米晶金属亟待解决的关键问题。造成超细晶/纳米晶金属塑韧性低的主要原因是超细晶、纳米晶低的位错储存能力导致材料内部可运动位错密度大大降低，从而造成材料低的加工硬化能力和高的裂纹敏感性，在变形过程中易于产生局部颈缩而提早断裂。为此，许多科学家采用引入塑性相的“结构韧化”方法、在超细晶/纳米晶金属内部引入粗晶金属，通过粗晶的变形、以及对裂纹的偏转钝化来提高超细晶/纳米晶金属的塑韧性。但由于低强度粗晶的引入使材料强度大大降低(降低10％-50％)，超细晶/纳米晶金属高强的优势得不到充分的发挥。因此，亟需有效的效韧化方法，在不损失超细晶/纳米晶金属强度的同时，提高其塑韧性。

经过对现有技术文献的检索发现，文献“Enhanced tensile plasticity inultrafine-grained metallic composite fabricated by friction stir process”(搅拌摩擦加工超细晶金属基复合材料拉伸塑性的改善)(Scr.Mater.59(2008)1163-1166)通过对铝基体搅拌摩擦加工获得超细晶组织，并引入均匀弥散的纳米氧化铝颗粒有效钉扎位错，提高位错密度，达成改善超细晶铝基体强塑性的目的。该方法首先把纯铝粉和15wt.％氧化铝粉末(～30nm)混合冷压，然后通过搅拌摩擦加工获得纳米氧化铝颗粒均匀分布于超细晶铝(～470nm)基体上的金属基复合材料。与采用高压扭转、等通道弯角挤压等其他大变形加工方法制备的超细晶铝相比，该方法所得材料的强度提高了48％，均匀延伸率提高了7倍，充分证明了在超细晶/纳米晶金属基体内部引入纳米粒子可有效地钉扎位错，防止位错密度随着晶粒的减小而降低所导致的塑韧性降低。但是，该方法存在三方面的不足：(1)在摩擦热和机械搅拌的作用下，晶粒长大和晶粒细化同时进行，因此只能得到超细晶，无法得到纳米晶，难以最大化发挥细晶强化机制；(2)搅拌摩擦加工的搅拌区域小、效率低，难以制备大块均匀纳米材料；(3)搅拌摩擦加工虽然能实现外加纳米颗粒的均匀分散，但是难以实现外加纳米颗粒与基体的良好界面结合。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种由纳米晶片状金属基体和原位自生纳米陶瓷薄膜组成，具有叠层结构的高强韧金属基纳米复合材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明采用气氛热处理在片状金属粉末表面原位反应生成相应金属的氧化物、碳化物、氮化物、氮氧化物、碳氮化物等纳米陶瓷薄膜，然后再采用粉末冶金技术进行致密化处理，获得大块密实的金属基复合材料。本发明制备的金属基复合材料具有金属/陶瓷交替的叠层结构，原位反应生成的纳米陶瓷薄膜均匀分布于金属层间，并与金属基体形成良好的界面结合，因此能够有效地抑制金属晶粒长大，保持纳米晶基体组织。本发明的制备方法完全基于粉末冶金工艺，可以低成本、高效率、宏量化制备大块纳米复合材料。

本发明制备方法具体包括以下步骤：

(1)制备片状金属粉末：采用球磨技术，将原料金属粉末加工成厚度为50-1000nm的片状金属粉末；

(2)气氛热处理：在特定反应性气氛下对上述片状金属粉末进行热处理，在片状金属粉末表面原位生成一层厚度为5-100nm的陶瓷薄膜，得到片状陶瓷/金属粉末；

(3)致密化处理：采用粉末冶金技术，对上述片状陶瓷/金属粉末进行致密化处理，即可得到密实的大块金属基复合材料。

所述的原料金属粉末，选自Al、Cu、Mg、Ti、Fe、Ni等纯金属及其合金中的一至多种。

所述的陶瓷薄膜为所述原料金属的氧化物、碳化物、氮化物、氮氧化物、碳氮化物中的一至多种，通过气氛热处理，使反应性气氛通过分解渗透扩散的方式与粉末表面金属原位反应生成陶瓷薄膜。

所述的反应性气氛为氧气、氮气、氨气、甲烷、乙炔、乙醇、空气、天然气等中的一种，或者上述多种气体的混合气体。