[发明专利]纳米颗粒弥散化的超细晶金属基纳米复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于超细晶金属基纳米复合材料的制备领域，具体涉及一种纳米颗粒弥散化的超细晶金属基纳米复合材料的制备方法。

背景技术

金属基复合材料联合了金属基体良好的延展性、韧性以及增强体的高强度、高硬度、高热稳定性，在许多重要的工程领域(如汽车业、航空航天业等)有着广阔的应用空间。采用液相法制备金属基纳米复合材料时，纳米颗粒因其表面能高，与金属或合金液润湿性差而难以加入；纳米颗粒间的范德华力使其易于团聚；同时，制得的复合材料晶粒粗大，铸造缺陷明显。因此，如何提高纳米颗粒在晶体合金中的分散性和稳定性，减少铸造缺陷成为纳米颗粒增强金属基复合材料的关键问题之一。

经过对现有技术的文献检索发现，Yong Yang等人在《Materials Science and Engineering A》材料科学与工程A刊，2004，380：378-383上发表的“Study on bulk aluminum matrix nano-composite fabricated by ultrasonic dispersion of nano-sized SiC particles in molten aluminum alloy”(高能超声法制备纳米碳化硅增强铝基复合材料)一文中，提出了利用高能超声法制备了纳米SiC颗粒增强铝基复合材料，研究表明高能超声产生的声空化和声流效应，能够对颗粒/熔体起到除渣、除气及润湿作用，从而促进SiC纳米颗粒分散到金属熔体中。但是之后的显微组织观察表明，纳米SiC颗粒在基体中仍然存在团聚和偏聚；同时，此方法无法制备大尺寸铸锭。

进一步检索发现，公开号为CN102134664A的中国发明专利，发明名称：一种均匀弥散颗粒增强金属基复合材料及其制备方法，该技术通过对颗粒增强金属基复合材料的大塑性/累积变形加工，使团聚在金属基体中的第二相颗粒均匀分布于基体中，再经过后续加工，制得颗粒增强金属基复合材料制品。该方法的缺陷在于，大塑性变形工艺局限于多次轧制以及挤压过程，道次加工量小，金属流动极不充分，同时，加工效率低，难以推广于实际工业生产过程。公开号为CN103572186A的中国发明专利，发明名称：采用等径弯曲通道变形制备超细晶钛基复合材料的方法，该方法有效利用通道转角的剪切应力，金属以及增强颗粒在三维空间中流动充分，但是，该方法成材率低，也难推广应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述不足，提供一种纳米颗粒弥散化的超细晶金属基纳米复合材料的制备方法；该方法将常规搅拌(人工搅拌、机械搅拌、电磁搅拌)与高能超声法联合起来，制得有少量团聚以及偏聚的纳米颗粒增强金属基复合材料；然后对该纳米复合材料引入多道次、多路径反复压缩大塑性加工，细化基体晶粒，改善铸造缺陷，同时促使增强相在三维空间中充分流动，获得纳米颗粒均匀、弥散分布，基体组织细化的金属基纳米复合材料。该方法可用于制备包括以镁、铝、锌、铜等金属及其合金为基体，纳米SiC、Al₂O₃、B₄C、TiC、AlN或ZrO₂等颗粒为增强相的多种超细晶金属基纳米复合材料。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种纳米颗粒弥散化的超细晶金属基纳米复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

第一步、采用搅拌的方式将纳米颗粒加入金属熔体或合金熔体中，使纳米颗粒分散于所述金属熔体或合金熔体中；同时采用高能超声法将局部团簇或偏聚的纳米颗粒分散开来，浇铸，制得纳米颗粒增强金属基复合材料；所述纳米颗粒(增强体)为25～80nm的SiC、Al₂O₃、B₄C、TiC、AlN或ZrO₂纳米颗粒，所述纳米颗粒增强金属基复合材料中纳米颗粒的添加量为0.5wt％～10.0wt％；

第二步、第一步制得的纳米颗粒增强金属基复合材料固溶处理后，进行多道次反复压缩大塑性变形，即得所述纳米颗粒弥散化的超细晶金属基纳米复合材料。

本发明中，第一步熔融铸造过程采用常规搅拌与高能超声复合法将纳米颗粒添加并分散于金属或合金熔体中；第二步中，通过多道次反复压缩大塑性变形，可细化基体组织，均匀弥散局部团簇以及偏聚的纳米颗粒，同时改善铸造缺陷。