[发明专利]一种高体积分数颗粒增强金属基复合材料大塑性变形的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种颗粒增强金属基复合材料大塑性变形的方法。

背景技术

颗粒增强金属基复合材料是自上世纪60年代发展起来的一种崭新材料体系，在塑性良好的金属基体中加入高强度、高硬的陶瓷颗粒增强相，起到承载、阻碍裂纹扩展的作用，这样制备出的复合材料就能综合基体的低密度、导电导热等物理性能和增强相的低膨胀、高刚度等的优点，表现出比强度高、比模量高，抗疲劳、抗高温蠕变，耐热、耐磨性好，导热性好，膨胀系数低等优异性能，自诞生以来一直是材料领域关注的热点。由于基体金属和增强体颗粒种类、含量、状态等都是可以选择的，所以复合材料具备了优异的可设计性，能目标明确、思路清晰地设计出所需的材料性能以克服传统材料的不足。目前颗粒增强铝基复合材料已经被大量的商业化生产，特别是在航天、航空、电子信息、陆上交通领域用途最广。

颗粒增强金属基复合材料因其高比刚度、高比强度、低膨胀、各向同性成本较低等特性应用发展最快。国外直升机旋翼系统上已大量使用SiC_p/Al复合材料，如英国一家金属基复合材料公司已将通过粉末冶金法制备出的SiC_p/Al复合材料成功使用于某一新型直升机。美国Lockheed公司生产的飞机上的电子设备以及支架仪表支架已大量由DWA公司的25vol%SiC_p/6061Al复合材料制成。另据文献报道，美国空军C-130和C-141大型运输机已进行了用SiC_p/Al复合材料制成的替代件的试车实验，在减重同时保持零件刚度方面取得良好效果，并且此种复合材料还用于制作助推火箭发动机部分零件。SiC_p/Al复合材料由于具有很高的尺寸稳定性，甚至好于铍材，所以也是一种优良的仪表级复合材料。早在20世纪80年代美国就采用SiC_p/Al复合材料加工出导弹惯性器件仪表外壳，用来代替铝合金和铍合金质零件。随后，这种材料又迅速应用到导弹、卫星、火箭、航天飞机等航天器上，并逐渐发展成为继铝合金和铍合金之后的第三代航天惯性器件用材。颗粒增强铝基复合材料还可以作为光学材料。1987年至1988年，亚利桑拉大学所属光学研究中心和ACMC公司合作，采用颗粒增强铝基复合材料制成坦克激光反射镜。不久用同种材料制成的主镜直径为0.3m的空间望远镜小于5kg，属于超轻量化的空间望远镜。

在民用领域，颗粒增强铝基复合材料也得到了较大发展和广泛应用。高比强度、高比模量的特点以及良好的耐磨性、耐疲劳性使颗粒增强铝基复合材料成为生产汽车发动机和传动装置部分零件的理想选择。1983年日本丰田汽车公司将SiC_p/Al复合材料用于制造发动机活塞，美国Duralcan公司用SiC_p/Al复合材料生产汽车制动盘，均取得良好效果。美国Lanxide公司用SiC_p/Al复合材料生产的刹车片已与1996年大量投入生产。颗粒增强铝基复合材料热膨胀系数远远小于基体金属，而热导率又与基体接近，很适合作为电子封装类材料。日本住友电子公司将采用粉末冶金法制备的30～70vol%SiC_p/Al复合材料应用于加工电子封装件壳体；美国DWA公司将同种复合材料用于电子封装基片。我国哈尔滨工业大学已制得SiC颗粒体积分数高达50%～70%的SiC_p/Al复合材料和AlN颗粒体积分数为50%～65%的AlN_p/Al复合材料并将其成功应用于如功率模块底座的二级电子封装中。

高体积分数颗粒增强金属基复合材料能满足高端装备对材料性能的要求，但必须加工成一定形状的构件才能使用。在金属基体中加入增强相陶瓷颗粒后，随之带来的问题就是复合材料的塑性变差，使得二次加工困难，这在很大程度上阻碍了颗粒增强铝基复合材料的成型，限制了它的发展，造成极大浪费。增强体颗粒高体积分数的复合材料是目前需求较为旺盛的优质结构材料，但由于其塑性太差、硬度很高，一般的塑性成型方法和切削加工方法已很难实现，近不可成型性在应用中造成了很大的问题。传统的工艺已经不能满足高体积分数颗粒增强金属基复合材料的成型加工，所以必须开拓一个新的思路，以让其物尽其用，充分发挥潜力。