[发明专利]基于钨纳米颗粒的增强型轻质金属基复合材料及制备方法

说明书

本发明公开了基于钨纳米颗粒的增强型轻质金属基复合材料及制备方法，解决现有技术中复合材料的金属基体与颗粒界面结合较差、颗粒分散不均匀的问题。本发明的制备方法，将钨纳米粉末和轻质金属粉末经过高能球磨后形成固溶体，再压制成型后烧结，纳米钨颗粒析出并均匀分布于轻质金属基体中，得到纳米钨颗粒强化型轻质金属基复合材料。本发明设计科学，方法简单，操作简便。本发明创造性地将高能球磨法与粉末烧结相结合，实现钨纳米颗粒的固溶‑析出，从而能够将尺度为50nm以下的钨纳米颗粒引入到轻质金属基材料中，大大提升了轻质金属基复合材料的强度和韧性以及高温力学性能，更好地满足航空航天等领域对结构材料低密度高性能的要求。

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种基于钨纳米颗粒的增强型轻质金属基复合材料及制备方法。

背景技术

航空航天领域作为21世纪人类认识自然和改造自然过程中发展最迅速、最活跃、对人类生活产生重要影响的科学技术领域之一。作为其中重要结构材料的轻质金属合金(例如钛合金、铝合金等)由于具有轻质、比强度高、机械性能好和耐腐蚀性等优点，在航空航天领域得到了广泛的应用。航空航天轻质金属合金结构材料主要用于制造飞行器各种结构部件，如飞机的机体、航天器的承力筒、发动机壳体等，其作用主要是承受各种载荷，包括由自重造成的静态载荷和飞行中产生的各种动态载荷。因此，轻质金属合金等结构材料性能的好坏直接决定了航空航天设备的使用寿命和安全性。

与此同时，随着新一代航天器和飞机对合金性能的不断提高，要求结构材料具有更高的强韧性和承受更高工作温度范围。例如，传统轻质金属合金Ti-6Al-4V(TC4)等抗拉强度只有900MPa左右，延伸率10％左右而工作温度仅为400℃，一般仅为300～350℃，已经不能满足未来航天设备的服役要求。而大多数新型的轻质金属合金既成本高昂又往往不能兼顾耐高温以及高强度和高韧性的匹配。因此，开发低成本耐高温高强韧轻质金属合金作为结构用材料具有非常广阔的应用前景。

迄今为止，制备颗粒分散增强型复合材料的方法主要有粉末冶金方法，铸造成型法等。但研究发现，铸造成型法制备的复合材料存在诸如金属基体与颗粒界面结合较差、颗粒分散不均匀等问题，而粉末冶金的方法能较好地解决颗粒分散不均匀的问题。与此同时，传统的粉末冶金法制备增强型金属基复合材料常采用陶瓷颗粒作为增强体，也存在金属基体与颗粒界面结合性差等问题。

因此，提供一种钨纳米颗粒增强型轻质金属基复合材料的制备方法，能将纳米尺寸钨颗粒作为增强相，在主动构造弥散强化微结构的同时形成异种金属强界面结合，在保持材料韧性在较高水平的前提下，提高材料的强度以及高温热稳定性，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种基于钨纳米颗粒的增强型轻质金属基复合材料的制备方法，解决现有技术中复合材料的金属基体与颗粒界面结合较差、颗粒分散不均匀的问题。

本发明还提供了采用该制备方法制成的基于钨纳米颗粒的增强型轻质金属基复合材料。

本发明采用的技术方案如下：

本发明所述的一种基于钨纳米颗粒的增强型轻质金属基复合材料的制备方法，将钨纳米粉末和轻质金属粉末经过高能球磨后形成固溶体，再压制成型后烧结，纳米钨颗粒析出并均匀分布于轻质金属基体中，得到纳米钨颗粒强化型轻质金属基复合材料。

本发明将钨纳米粉末和轻质金属粉末经过高能球磨后，钨纳米粉末的粒径被研磨得更小，粒径达50nm以下，与轻质粉末形成固溶体；而后采用烧结的方法，使钨纳米颗粒由轻质金属相中析出。通过固溶-析出的方法原位生成纳米级钨颗粒来弥散增强轻质金属基体。

本发明的技术方案中，所述轻质金属粉末选自纯钛粉、钛合金粉、纯铝粉、铝合金粉、纯镁粉、镁合金粉中的任意一种或几种，所述轻质金属粉末的粒径为0.1-100μm；所述钨纳米粉末的质量为轻质金属粉末质量的0.1％-50％；优选地，所述钨纳米粉末的质量为轻质金属粉末的质量的0.5％-25％。