一種金屬基複合材料的製備方法與流程

2023-06-16 12:34:46

(一)技術領域

本發明涉及複合材料製備領域，特別是涉及一種金屬基複合材料的製備方法。

(二)

背景技術：

通常情況下，製備合金或者金屬基複合材料需要加熱到高熔點組元的熔化溫度以上，通過冶煉或者鑄造的方法製得所需要的材料，這種方法需要大量的熱能和高的設備投入，難以防止晶粒的異常長大。後來，人們通過粉末冶金的方法來進行材料的製備，其優勢是成分容易調節，控制準確；缺點是由於高熔點組元的不易收縮，導致燒結得到的產品常常出現大量的孔洞結構。而在採用熱壓時，通常只能在相對較低的溫度下進行，材料的界面結合強度低，不夠緻密；而如果溫度較高，達到甚至超過低熔點金屬組元的融化溫度，液體常常被擠出模具，導致材料製備失敗。液相浸滲也是人們後來大量採用的方法，通過製備出高熔點組元的預製件，然後對其進行低熔點金屬組元的液相浸滲。液相浸滲基本能夠製備出滿足要求的材料或者複合材料，但其較長的生產周期和較高的生產成本，使得該方法製備出來的材料價格昂貴。

針對鑄造或者冶煉過程中晶粒異常長大的問題，也經常採用噴射沉積法來解決，在液態噴射過程中高速氣流會將粗大的晶粒打碎，使得沉積的晶粒變小；或者直接噴射低熔點金屬組元液體，加入高熔點組元，直接沉積成型所需要的材料，該方法工藝參數較難控制，直接沉積會有大量的孔洞結構產生，該方法製備出來的材料必須通過二次擠壓或者熱等靜壓進行緻密化，工藝複雜。而二次擠壓或者熱等靜壓採用的溫度相對較低，在進行操作的過程中，材料處於固態。熱等靜壓雖然設備昂貴，但該方法通過加高壓製備出來的材料緻密化程度高，材料一致性較好。

(三)

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供一種能夠以低成本實現製備所得的複合材料緻密化程度高、材料一致性好，各組元之間的界面的結合力較高，並具有簡單、快速、經濟的金屬基複合材料的製備方法。

為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是：

一種金屬基複合材料的製備方法，包括如下步驟：

(1)取高熔點組元粉末和低熔點金屬組元粉末，混合均勻後得到混合粉末，其中高熔點組元佔混合粉末的總體積比的40％～60％，備用；

(2)將步驟(1)製得的混合粉末裝入一端封閉的包套中，封閉包套另一端，將包套裝入模具內；

(3)將步驟(2)裝入包套的模具放入熱壓設備中，加壓至10～40mpa，以2～100℃/min的升溫速率升溫到低熔點金屬組元熔點以下10～150℃，保溫5min；

(4)在步驟(3)保溫結束後，以2～100℃/min的升溫速率升溫至低熔點金屬組元熔點以上0～100℃，同時降低壓力，降低壓力後熱壓設備內的壓力保持在1～40mpa，保溫1～10min；

(5)在步驟(4)保溫結束後，以2～100℃/min的降溫速率降低至室溫；當降溫至低熔點金屬組元熔點以下10～150℃時，提高壓力，使得熱壓設備內的壓力保持在10～40mpa；

(6)在步驟(5)結束以後，開爐，從模具中取出包套，再從包套中取出樣品，獲得所需的金屬基複合材料。

在本發明的具體實施例中，所述的高熔點組元包括碳化硼陶瓷粉末、碳化矽陶瓷粉末、碳化鋯陶瓷粉末、碳化鈦陶瓷粉末、氮化鈦陶瓷粉末、氮化鋯陶瓷粉末、矽粉或鎢粉中的一種或者其中兩兩組分的相互結合。

在本發明的優選實施方式中，所述的低熔點金屬組元包括鋁、銅、鎂、鋁合金、鎂合金或銅合金中的任意一種。

與現有技術相比，本發明的有益效果如下：

本發明提供了一種金屬基複合材料的製備方法，能夠以低成本實現製備所得的複合材料緻密化程度高、材料一致性好，各組元之間的界面的結合力較高，並具有簡單、快速、經濟的金屬基複合材料的製備方法。

本方法綜合了熱壓和熱等靜壓的優勢，能夠同時實現熱壓和熱等靜壓的效果。在製備過程中，先期快速加熱，並保溫一段時間，使得高低熔點金屬組元溫度都趨近低熔點金屬組元的熔點，再加熱至低熔點金屬組元的熔點溫度以上，低熔點金屬組元液化；由於低熔點金屬組元液化，加上一定的壓力，通過液體傳遞，能夠實現熱等靜壓的效果。包套能夠防止處於液態的低熔點金屬組元的金屬液溢出，同時，組元液態化也能夠使得材料界面間具有較高的結合力，密閉的包套結構空間也為液固態的結合提供了一個前提。因此，採用這一方法能夠獲得緻密的金屬基複合材料，並且製得的材料的一致性好。同時，該方法具有簡單、快速、經濟的特性。

包套的結構特性使得在製備過程中，分別處於液態和固態的低熔點金屬組元和高熔點組元能夠更好的進行接觸；在粉末顆粒相互之間的作用下，造成堆積效應，而被包套所包裹，無法溢出的液態的低熔點金屬組元則可以以液態的形式侵入到各高熔點組元顆粒之間的空隙中，達到對高熔點組元浸潤的效果，完成整個工藝中最重要的液固態互相浸潤的過程，使得最終獲得的複合材料具有更好的材料一致性，也在一定程度上影響了製得的複合材料最終的緻密程度以及密度特性。

在進行複合材料的製備的過程中，在將包套進行密封后，可以對包套在10～40mpa的壓力下進行5～10min的預壓操作，能夠更好的製備得到緻密的複合材料。

在製備過程中，可以在包套內墊設一層石墨紙，在保證了熱量傳導的均勻性的同時，也使得在從包套中取出製備好的複合材料時更加的容易。

採用本方法不需要使用熱等靜壓設備，只需要常規熱壓爐即可實現熱等靜壓的效果，能夠高效、高質量地製備組元具有高低熔點差異的合金或者金屬基複合材料。

當然，實施本發明的任一產品並不一定需要同時達到以上所述的所有優點。

(四)附圖說明

下面結合附圖對本發明作進一步的說明。

圖1是本發明模具與包套的結構示意圖。

圖中，1、模具，2、塞子，3、包套，4、石墨紙，5、混合粉末。

(五)具體實施方式

針對現有技術在進行複合材料的製備的過程中，如果採用熱等靜壓設備，則存在價格高昂；如果不採用熱等靜壓設備在，則製備的材料存在具有孔洞結構、材料一致性差的缺陷，本發明提供了一種金屬基複合材料的製備方法，下面結合具體實施例對本發明做進一步的描述。

實施例1:

參見圖1，本實施例中的金屬基複合材料的高熔點組元和低熔點金屬組元分別採用矽粉和鋁粉，其製備方法如下：

1)取製備材料所需的鋁粉與矽粉按照1:1的體積比，放入混料機，進行混料，得混合粉末5，備用；

2)將步驟(1)製得的混合粉末5裝入薄壁不鏽鋼包套3中，包套3的一端以不鏽鋼薄板焊接封閉；包套3內部內襯石墨紙4，預壓20mpa，5min，然後用比包套3內徑略大的塞子2塞住封閉包套3的另一端，裝入模具1內；

3)將步驟(2)裝入薄壁不鏽鋼包套3的模具1放入熱壓爐中，加壓至30mpa進行壓制，並以5℃/min的升溫速率加熱到530℃，保溫5min；

4)降低壓力至10mpa，以5℃/min的升溫速率升溫至690℃，保溫保壓5min；

5)在步驟(4)保溫結束後，以10℃/min的降溫速率降溫至室溫；在溫度降至540℃時，加壓至40mpa，保持該壓力到溫度降低至室溫為止；

6)降溫取出模具內材料，獲得所需的金屬基複合材料alsi50，密度達到2.51g/cm3。

實施例2:

參見圖1，本實施例中的金屬基複合材料的高熔點組元和低熔點金屬組元分別採用碳化矽粉末和鋁粉，其製備方法如下：

1)取製備材料所需的鋁粉與碳化矽粉末按照45:55的體積比，放入混料機，進行混料，得混合粉末5，備用；

2)將步驟(1)製得的混合粉末5裝入薄壁碳鋼包套3，包套3一端用不鏽鋼薄板焊接封閉，包套3內部內襯石墨紙4，然後用比包套內徑略大的塞子2塞住封閉包套另一端，裝入模具1內；

3)將步驟(2)裝入薄壁不鏽鋼包套的模具1放入熱壓爐，加壓至30mpa，以5℃/min的升溫速率加熱至630℃，保溫5min；

4)降低壓力至5mpa，以5℃/min的升溫速率升溫到700℃，保溫保壓5min；

5)在步驟(4)保溫結束，以10℃/min的降溫速率降溫至室溫；當溫度降至600℃時，加壓至40mpa，保持該壓力到溫度降低至室溫為止；

6)降溫取出模具內材料，獲得所需的金屬基複合材料alsic55，密度達到2.97g/cm3。

實施例3:

參見圖1，本實施例中的金屬基複合材料的高熔點組元和低熔點金屬組元分別採用鎢粉和銅粉，其製備方法如下：

1)取製備材料所需的鎢粉與銅粉按照52:48的體積比，放入混料機，進行混料，得混合粉末5，備用；

2)將步驟(1)製得的混合粉末5裝入薄壁不鏽鋼鋼包套3，包套3一端用不鏽鋼薄板焊接封閉，包套3內部內襯石墨紙4，在30mpa下預壓5min，然後用比包套內徑略大的塞子塞住封閉包套另一端，裝入模具1內；

3)將步驟(2)裝入薄壁不鏽鋼包套的模具1放入熱壓爐，加壓至30mpa，以10℃/min升溫速率加熱到950℃，保溫5min；

4)降低壓力至10mpa，以5℃/min的升溫速率升溫至1100℃，保溫保壓5min；

5)在步驟(4)保溫結束，以20℃/min的降溫速率降溫至室溫；當溫度降低至950℃時，加壓至40mpa，保持該壓力到溫度降低至室溫為止；

6)降溫取出模具內材料，獲得所需的金屬基複合材料w70cu，密度達到14.2g/cm3。

實施例4:

參見圖1，本實施例中的金屬基複合材料的高熔點組元和低熔點金屬組元分別採用矽粉、碳化矽粉末和鋁粉，其製備方法如下：

1)取製備材料所需的鋁粉、矽粉、碳化矽粉末按照45:5：50的體積比，放入混料機，進行混料，得混合粉末5，備用；

2)將步驟(1)製得的混合粉末5裝入薄壁碳鋼包套3，包套3一端用不鏽鋼薄板焊接封閉，包套3內部內襯石墨紙4，預壓20mpa，5min，然後用比包套內徑略大的塞子2塞住封閉包套另一端，裝入模具1內；

3)將步驟(2)裝入薄壁不鏽鋼包套的模具1放入熱壓爐，加壓至30mpa，以10℃/min的升溫速率加熱到530℃，保溫5min；

4)降低壓力至3mpa，以5℃/min的升溫速率升溫到700℃，保溫保壓5min；

5)在步驟(4)保溫結束，以10℃/min的降溫速率降溫到540℃，加壓至40mpa，一直保持到溫度降低到室溫左右；

6)降溫取出模具內材料，獲得所需的金屬基複合材料alsi5sic50，密度達到2.92g/cm3。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。本發明未詳述之處，均為本技術領域技術人員的公知技術。