[发明专利]金属合金复合材料

说明书

技术领域

本发明涉及金属复合材料和金属合金复合材料。本发明的金属合金复合材料包含金属合金，和层状无机纳米结构例如纳米管和球形纳米粒子。层状无机纳米结构为金属合金提供增强。揭露了所述金属合金复合材料的制造方法。

背景技术

节省燃料的考虑和新技术的发展强有力地推动金属合金进入汽车、航空航天、医疗技术和其他行业的日常生活领域。然而，这种合金的工艺工程常常因其较差的机械性能而受到损害。

例如，镁(Mg)合金由于它们的低密度和高刚度重量比，作为用于轻质应用中最轻的结构材料获得了更多的认识。尽管如此，Mg合金尚未被用于关键的机械应用，这主要是由于它们与其他工程材料例如钢和铝相比机械性能较差。因此，已经尝试通过不同的方法来制造基于Mg的金属基体复合材料(Mg MMC)，从而获得具有增强机械性能的轻质Mg MMC。

近年来，陶瓷纳米粒子例如SiC和Al₂O₃纳米粒子已被用于增强不同的金属材料以形成金属基体复合材料。针对强化的金属基体复合材料(MMC)提出的机制是热膨胀失配、Orowan成环、Hall-Petch关系和剪滞模型(shear-lag model)。纳米粒子与基体之间的热膨胀失配导致位错密度增加，从而增加了纳米MMC的屈服强度。基体中的纳米粒子可以阻碍拉伸试验过程中的位错运动。它们也可导致位错弯曲，并随后在纳米粒子周围形成位错环，即Orowan成环机制。Orowan成环机制在用低纵横比、即接近于一的陶瓷纳米粒子增强的MMC中更明显。根据Orowan机制，更细的粒子在改善复合材料的机械性能中更有效。

由于用来加工金属复合材料的苛刻制造条件，将纳米材料引入到金属基体中以形成复合材料是相当困难的。加工纳米MMC的主要挑战是：a.达到增强性纳米材料在金属基体中的均匀分散；b.形成足够强的界面结合；和c.保持纳米材料的化学和结构恒定性，特别是防止它氧化。

添加具有高纵横比的纳米粒子可增强MMC的机械性能，而不需要借助于引起实质塑性变形的重型机械加工。因此，MMC也可以使得Mg合金的抗应力腐蚀性改善。这种纳米填料的硬化和强化效应在很大程度上取决于在金属基体-纳米填料界面上实现有效的应力传递。纳米填料的纵横比、在基体中的均匀分散以及界面产物的形成也决定了纳米材料在MMC中的载荷传递效率。

由于范德华力(van der Walls force)和通过π电子的相互作用、即所谓的π-π相互作用，碳纳米管(CNT)倾向于彼此缠结。因为碳在升高的温度下与许多金属反应，所以CNT的结构完整性在高温处理和高压条件下受损。此外，CNT与熔融金属之间的化学反应导致形成界面产物，如碳化物，引起纳米材料的结构损坏。在界面处合成碳化物膜，例如Al₂MgC₂，对于制造具有高强度和合格延展性的CNT金属复合材料是至关重要的。富Mg合金(AZ61)MMC由CNT增强。首先使用两性离子表面活性剂将CNT分散在异丙醇(IPA)中。MMC的放电等离子体烧结(SPS)在CNT团聚体和Mg合金之间的界面处产生Al₂MgC₂相。与纯金属合金相比，所制造的复合材料显示出增加的伸长率。在另一系列实验中，利用粉末冶金(PM)将CNT添加到AZ61 Mg MMC中。像以前的研究一样，借助基于IPA的两性离子表面活性剂将纳米管分散在AZ61合金中。与原始AZ61(约225MPa)相比，屈服强度分别增加了21.1MPa、23.4MPa和28.5MPa。相反，基于水(CNT)的解决方案产生可观量的MgO，这降低了Mg合金的延展性。因此，采用基于IPA的解决方案可防止在MMC加工期间产生过量的MgO，并有益于MMC的机械性能。

粉末冶金(PM)技术由于它的简单性、灵活性和净成形能力而是用于制造纳米MMC的通用工艺。PM工艺的主要缺点是原材料粉末的成本高。纳米MMC的机械性能，例如硬度和屈服强度，在一定程度上可通过伴随热挤压的PM来提高。

与挤压AZ91D相比，与1wt％、3wt％、5wt％CNT复合的挤压AZ91D Mg MMC分别表现出27％、22.4％和19.4％的屈服强度增加。然而，随着CNT含量的增加，MMC的延展性劣化。与纯Mg(126MPa)相比，被0.3wt％和1.3wt％CNT增强的热挤压纯Mg MMC分别显示出1.5％和11.1％的屈服强度增加。