[发明专利]一种改善纳米颗粒增强铝基复合材料高温塑性的方法

说明书

本发明公开了一种改善纳米颗粒增强铝基复合材料高温塑性的方法，步骤包括：（1）设备准备；（2）将复合材料拟加工的表面进行除油及清洗预处理；（3）将待加工的复合材料放置在冷却介质储存盒内部；（4）采用喷射高纯氩气作为激光加工熔池的保护气；（5）通过激光控制器控制软件预制激光加工路线；（6）开启激光发生器、激光加工平台完成设定的激光重熔加工路线。本发明通过激光熔池高速搅动和快速冷却凝固，获得具有细小晶粒组织和均匀纳米增强颗粒分布的铝基复合材料显微结构，该显微结构有效改善复合材料的高温塑性，且该加工方法具有结构简单，工艺适用性广的优点。

技术领域

本发明涉及金属基复合材料的改性技术领域，特别涉及一种改善纳米颗粒增强铝基复合材料高温塑性的方法，是用高能束加工金属基复合材料的改性处理方法。

背景技术

铝基复合材料（AMC），逐渐成为航空航天等高端制造业的关键材料，也是联系有色金属新材料和航空航天工业的交叉和纽带。其中，颗粒增强铝基复合材料（PRAMC）作为AMC的重要分支，具有优越的力学、导电与耐热性能，且高体积分数PRAMC理论上具备更高的比强度及热稳定性。因此PRAMC在航空航天等轻量化应用领域极具开发潜力。PRAMC微观组织的优劣，是决定其材料力学性能的最重要因素，目前我国在铝基复合材料产业方面与国外的差距，主要体现在材料的微观组织及性能方面，尤其是适用于工业化生产的纳米增强相的均匀化分散技术未获得根本解决，且颗粒分散、界面结合、复合材料塑性变形机制尚未完全明确。因此开展PRAMC的制备、加工及成型技术的相关科学研究，对我国新材料及高端制造产业的发展具有重要意义。

目前已有多种PRAMC的制备方法。其中，原位合成法或熔体反应法是通过向熔体内添加能产生增强相的反应物，在特定反应条件下增强相在Al基体内部形核并长大，该方法消除了外加颗粒附带的污染物，改善了颗粒/基体间的润湿性和结合性，对于提升界面结合强度，改善材料力学性能具有关键意义。并且原位合成法基于成熟的铸造工艺，成本可控，相较外加颗粒法省去清洁增强颗粒的工序，进一步降低成本，是极具产业化前景的PRAMC制备方法。然而原位合成PRAMC技术仍不完善，尤其原位合成高体积分数PRAMC时，难以避免存在较多组织缺陷：

（1）PRAMC铸态组织存在晶粒粗大等铸造缺陷，典型晶粒尺寸在数十至数百μm。不满足晶界大量滑移的条件，已证明金属大量晶界滑移是获得细晶超塑性的必要条件。其次铸造过程形成粗大的树枝晶，树枝晶的大轴比不利于超塑性变形。由于铝合金的超塑性只属于细晶超塑性，但是基体晶粒尺寸和形态均不满足，因此铸态PRAMC的基体无法获得细晶强化效应及细晶超塑性；

（2）颗粒分散性较差并产生团聚现象，颗粒团聚会减弱其强化效果，也对延伸率为指标的塑性及可加工性有较大负面影响。团聚现象在高颗粒体积/质量分数、颗粒粒径为纳米级时趋于严重。

（3）由于上述组织缺陷，铸态复合材料的塑性变形能力较差，且高体积/质量分数PRAMC甚至出现延伸率大幅降低的现象

上述微观组织缺陷直接降低了复合材料的力学性能，并且由于不具备高温条件下的塑性成形能力，原位合成PRAMC的加工将受到设备、工艺窗口的更多制约，也制约了构件尺寸精度、残余应力等产品指标的提升潜力。因此，解决上述组织缺陷问题，使PRAMC具备理想的微观结构，是其具备优异比强度并兼顾延展性乃至获得超塑性的结构基础。

根据微观组织产生的机理和主要影响因素，可以有针对性地提出加工措施进行改善。如对纳米增强相团聚的缺陷，可以通过物理场冶金、粉末冶金、微波或等离子烧结技术进行改善。针对基体合金晶粒粗大的缺陷，可以通过大塑性变形、高能束增材制造、搅拌摩擦加工、激光表面加工等方法获得晶粒尺寸的减小。其中，激光表面加工技术有激光相变硬化、激光熔覆、激光冲击硬化、激光合金化、激光重熔等。