[发明专利]用于生产金属纳米复合材料的材料和方法，以及由此获得的金属纳米复合材料

说明书

一些变型提供一种包含含金属的微米粒子和纳米粒子的金属基质纳米复合材料组合物，其中所述纳米粒子化学和/或物理地设置在所述微米粒子的表面上，并且其中所述纳米粒子遍及所述组合物以三维构造固结。所述组合物可以用作用于生产金属基质纳米复合材料的锭料。其他变型提供一种功能梯度金属基质纳米复合材料，其包含金属‑基质相和含有纳米粒子的增强相，其中所述纳米复合材料含有所述纳米粒子的浓度梯度。该纳米复合材料可以被或被转化为母合金。其他变型提供制备金属基质纳米复合材料的方法、制备功能梯度金属基质纳米复合材料的方法、和制备母合金金属基质纳米复合材料的方法。所述金属基质纳米复合材料可以具有铸造微观结构。披露的方法使得金属基质纳米复合材料中的纳米粒子的各种负载能够具有多种组成。

优先权数据

本国际专利申请要求2016年11月16日提交的美国临时专利申请号62/422,925；2016年11月16日提交的美国临时专利申请号62/422,930；和2016年11月16日提交的美国临时专利申请号62/422,940；以及2017年11月9日提交的美国专利申请号15/808,877的优先权，这些专利申请中的每一个特此通过引用并入本文。

技术领域

本发明整体上涉及金属基质纳米复合材料，及其制备和使用方法。

背景技术

金属基质纳米复合材料由于能够提供不同的刚度、强度重量比、高温性能、和硬度的组合而引起了相当大的关注。金属基质纳米复合材料具有广泛的商业用途，包括高耐磨合金系统、抗蠕变合金、具有改进机械特性的高温合金、和耐辐射合金。

目前，制备金属基质纳米复合材料存在困难，包括加工成本和设备加工材料的高资本投资。在金属基质中保持均匀分散的纳米粒子增强相的有效方法非常少，特别是在熔体加工中。纳米级增强的增强相反应性和颗粒附聚限制了目前生产的金属基质纳米复合材料的强化效果。

希望生产这些高性能纳米复合材料的低成本途径，包括低体积分数的纳米复合材料以及高体积分数的纳米复合材料(即含有各种浓度纳米粒子的纳米复合材料)。

目前生产低体积分数纳米复合材料的方法仅限于高度特异性合金体系中的原位反应机理。这些包括氧化物弥散强化铜和钢，其中氧化物形成剂(如铝)被引入合金中以便清除溶解的氧并形成纳米氧化物。类似的技术可以用于氮化物和碳化物。这些技术需要大量的气氛控制和温度控制，以确保材料内的成核速率稳定，从而不发生显著的粗化。因此，这些材料非常昂贵且几何形状有限。由于扩散、成核、和生长的动力学，几何形状必须相对均匀和薄，以允许均匀的复合物形成。厚材料部分需要更长的时间才能使材料中心开始成核氧化物、氮化物、或碳化物。因此，不能通过厚度制备具有均匀特性的材料。

非原位纳米级增强材料的大量负载仅限于少数工艺，并且没有能够以低成本生产几何形状复杂的形状。目前的熔体加工方法(如金属基质纳米复合材料的剪切混合或超声波处理)由于反应性和分散问题而受到相容材料的有限可用性的影响。这些方法能够分散低体积百分比的某些增强相；然而，在较高的增强体积负载百分比下出现并发症，因为分散的影响变得更加局部化并且在更高的熔体粘度下效果更差。

目前生产高体积分数纳米复合材料的方法依赖于各种高成本方法来掺入纳米粒子。这些可以使用高能球磨来掺入，该高能球磨将纳米材料物理地施加到基质材料中，并且然后将剩余的材料加工成部件。这需要批处理。另外，非常大的高能球磨机存在成本和安全障碍两者。纳米材料还可以掺入熔体中，但由于与液体金属相关的表面能，纳米材料的分布可能是困难的。超声波混合或高剪切混合可能是有效的，但它们的尺寸受限并且需要操纵熔化金属，这又带来成本和安全障碍。另一种方法利用半固态，其中通过摩擦搅拌过程掺入粒子。这是高度局部化的，并且不能立即规模化。

还希望功能梯度金属基质纳米复合材料，其在纳米复合材料内含有某种类型的功能梯度(例如，纳米粒子浓度)。功能梯度金属基质纳米复合材料尚未用常规熔体加工方法成功生产，这在很大程度上归因于金属熔体中增强相的高反应性。