一種均勻彌散顆粒增強金屬基複合材料及其製備方法

2023-07-24 19:07:16 1

專利名稱：一種均勻彌散顆粒增強金屬基複合材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及金屬基複合材料科學領域，特別是涉及均勻彌散顆粒增強金屬基複合 材料中第二相的加工技術。
背景技術：
顆粒增強金屬基複合材料(Particulate Reinforced Metal Matrix Composites, 簡稱PRMMC)是金屬基複合材料中的一類，是將陶瓷顆粒第二相(增強相)外加或自生進入 金屬基體中得到兼有金屬優點(韌性和塑性)和增強顆粒優點(高硬度和高模量)的複合 材料。公知的顆粒增強金屬基複合材料的製備方法主要有粉未冶金法、鑄造法(預製塊 滲流法、機械攪拌法、高能超聲複合法等)、原位複合法(Lanxid 法、放熱彌散法、原位合成 技術等)等，幾種方法各有不足。粉末冶金法的缺點是工藝程序多，製備周期長，成本高，難 以獲得大尺寸及形狀複雜件，且顆粒與基體的界面潤溼性差、顆粒與基體間容易形成孔洞 等缺陷，導致顆粒與基體的界面結合強度降低，影響了材料的使用性能；鑄造法的缺點是不 能兼顧增強顆粒的含量與均勻性，製備出的金屬基複合材料性能一般較差，易帶鑄造缺陷； 原位複合法的缺點是第二相顆粒極易在基體中形成偏聚，影響材料的加工性能。顆粒增強金屬基複合材料並沒有如所預期的迅速得到廣泛應用，究其原因主要包 括(1)在顆粒增強金屬基複合材料中，第二相顆粒與基體的物理性質類別差別很大， 極易造成材料內部的應力不匹配；(2)在顆粒增強金屬基複合材料中，第二相顆粒的團聚或偏聚(暨顯微組織不均 勻)加劇了這種應力不匹配；(3)對於顯微組織不均勻的顆粒增強金屬基複合材料，暨局部應力集中的顆粒增 強金屬基複合材料，在加工過程中因應力集中而導致複合材料的加工失效(產生加工裂 紋，甚至斷裂)，降低了該類材料的加工成品率；(4)由於顆粒團聚或偏聚的第二相顆粒，在加工過程中也造成材料內部加工應力 的集中，造成材料加工流變過程中應力分布的不均勻，容易導致加工過程中第二相顆粒的 不均勻分布，使材料在加工過程中出現龜裂或脫皮現象，降低了材料品質；(5)在顆粒增強金屬基複合材料中，第二相顆粒的團聚或偏聚對塑性變形過程中 材料內部位錯的遷移有很強的阻礙作用，第二相顆粒對位錯的釘扎作用引起的材料硬化現 象，導致了顆粒增強金屬基複合材料難以變形加工。正是由於這些原因，造成顆粒增強金屬基材料成材率低，造價昂貴，材料使用性能 欠佳。

發明內容
本發明的目的是針對公知技術存在的不足而提出的一種新方法，該方法以材料大塑性變形理論為依據，通過對顆粒增強金屬基複合材料的大塑性/累積變形加工，使團聚 在金屬基體中的第二相顆粒均勻分布(彌散)於基體中，再經後續加工製得顆粒增強金屬 基複合材料製品(杆材、線材、片材或帶材、或零部件)，提高顆粒增強複合材料質量和成材 率、降低材料加工成本。本發明的另一目的是提供通過常規裝備對顆粒增強金屬基複合材料進行大塑性 變形加工的技術，獲得具有第二相顆粒均勻分布特點、性能優良的顆粒增強金屬基複合材 料。本發明是通過下面的技術方案實現的。1、一種均勻彌散顆粒增強金屬基複合材 料，其特徵在於顆粒增強金屬基複合材料組成範圍為基體材料為銀基體、鈦基體、銅基 體、鋁基體、鉛基體、鋅基體或鉬族金屬基體，第二相即增強相的顆粒材料為A1203、SnO2, ZrO2, TiO2, ERO即稀土氧化物、TiB2, SiC、B4C, AlN或Si3N4，按照質量百分比計，第二相即增 強相顆粒在各類基體中的含量第範圍為0. 1 40%。所述的金屬基複合材料為AgCeA複合材料、Cu/A1203複合材料、Pb/B4C複合材料、 AgY2O3複合材料、AVAl2O3複合材料或Μι/Ζι 2複合材料。所述的AgCeA複合材料中CeA質量百分比為10% ；CuAl2O3複合材料中Al2O3質 量百分比為3% ；Pb/B4C複合材料中B4C質量百分比為4% ；AgY2O3複合材料中^O3質量百 分比為10% ；AVAl2O3複合材料中Al2O3質量百分比為8% ；Rh/Zr02複合材料中^O2質量 百分比為0.3%。對常規方法製成的顆粒增強金屬基複合材料坯料進行大塑性/累積變形加工，達 到材料真應變達到或超過10.0的變形量，使團聚在金屬基體中的第二相顆粒均勻彌散分 布於基體中，再經後續加工製得顆粒增強金屬基複合材料製品。所述的大塑性/累積變形加工是指軋制變形加工或擠壓變形加工所述的軋制變形加工是針對板/帶材的顆粒增強金屬基複合材料坯料，採用多 層坯料疊軋方式進行軋制變形，每次變形以單層坯料厚度的變形量為計算單元，經過多次 疊軋，軋制溫度的範圍200 1000°C ；所述的擠壓變形加工是針對棒/線材的顆粒增強 金屬基複合材料坯料，採用多次擠壓方式進行擠壓變形，每次變形以單根坯料直徑的變形 量為計算單元，經過多次擠壓，直至累積變形的真應變達到10.0及以上。擠壓溫度的範圍 400 1000°C。所述的常規方法為反應合成法、內氧化法、粉末冶金法、鑄造法或內氧化法。所述的後續加工是軋制、擠壓、拉拔或鍛造；複合材料製品是杆材、線材、片材或帶 材、或零部件。所述的金屬基複合材料為AgCeA複合材料、Cu/A1203複合材料、Pb/B4C複合材料、 AgY2O3複合材料、AVAl2O3複合材料或Μι/Ζι 2複合材料。所述的AgCeA複合材料中質量百分比為10% ；CuAl2O3複合材料中Al2O3質 量百分比為3% ；Pb/B4C複合材料中B4C質量百分比為4% ；AgY2O3複合材料中^O3質量百 分比為10% ；AVAl2O3複合材料中Al2O3質量百分比為8% ；Rh/Zr02複合材料中^O2質量 百分比為0.3%。與共知技術相比所具有的優點及積極效果1.充分利用顆粒增強金屬基複合物材料可以進行傳統塑性變形的特點，通過累積塑性變形，使複合材料中團聚/偏聚的第二相顆粒均勻分布於基體中，改善了第二相顆粒 在基體中的分布狀態，有利於發揮複合材料的綜合性能。2.使用常規軋機、擠壓機組，實現顆粒增強金屬基複合材料的累積大塑性變形，不 需要昂貴的大變形設備投入、工藝過程容易控制，有利於顆粒增強金屬基複合材料的規模
化生產。3.通過本發明實施的顆粒增強金屬複合材料的加工技術，不僅使第二相顆粒均勻 分布於基體中，而且基體的顯微組織也得到均勻化，明顯降低了複合材料中應力分布不均 勻的問題，對顆粒增強金屬基複合材料的加工帶來積極的作用。


圖1是本發明工藝流程圖。
具體實施例方式下面以實例進一步說明本發明的實質內容，但本發明的內容並不限於此。根據圖 1的本發明的工藝流程圖，將各種方法製成的顆粒增強金屬基複合材料坯料通過累積軋制、 或累積擠壓，獲得材料真應變達到或超過10.0的變形量。再將變形加工後的複合材料通過 壓製成型的方法重新製成坯料，按照顆粒增強金屬基複合材料的常規加工技術，如軋制、擠 壓、拉拔、鍛造等技術將坯料製成滿足用戶要求的產品。一、顆粒增強金屬基複合材料組成範圍基體材料的種類銀基體、鈦基體、銅基體、鋁基體、鉛基體、鋅基體、鉬族金屬基體等。第二相(增強相)顆粒的種類Al2O3、SnO2、ZrO2、TiO2、ERO (稀土氧化物)、TiB2, SiC、B4C, WC、A1N、Si3N4 等。第二相(增強相)顆粒在各類基體中的含量按照質量百分比，第二相(增強相)顆粒在各類基體中的含量範圍為0. 1 40%。二、技術條件①軋制變形工藝針對板/帶材的顆粒增強金屬基複合材料坯料，採用多層坯料疊軋方式進行軋制 變形，每次變形以單層坯料厚度的變形量為計算單元，經過多次疊軋，直至累積變形的真應 變達到10.0及以上。根據所進行變形的複合材料性質選定軋機和軋制溫度，一般情況下，軋制溫度的 範圍控制在200 1000°C，視複合材料中基體材料的熔點而定。②擠壓變形工藝針對棒/線材的顆粒增強金屬基複合材料坯料，採用多次擠壓方式進行擠壓變 形，每次變形以單根坯料直徑的變形量為計算單元，經過多次擠壓，直至累積變形的真應變 達到10. 0及以上。根據所進行變形的複合材料性質選定擠壓機和擠壓溫度，一般情況下，擠壓溫度 的範圍控制在400 1000°C，視複合材料中基體材料的熔點而定。
實施例1 將反應合成法製成的AgCeO2複合材料(CeO2質量百分比為10% )錠坯通過擠壓 製成厚度為5. Omm的板坯，將此板坯截斷為四節，疊成厚度為20. Omm的軋制坯料，坯料經過 8600C X3h的加熱後送入軋機，軋製成5. Omm軋制變形後的坯料。再將軋制變形後的坯料 按照上述工藝進行處理，反覆軋制八次，複合材料的真應變達到11. 09，成為第二相彌散均 勻的AgCeO2複合材料板坯，將此板坯經過800°C X Ih加熱後，熱軋至厚度為0. 5mm的帶材 產品，也可以將此板坯通過冷軋成為1.0mm的帶材產品。按照同樣的工藝，還可對粉末冶金 或反應合成法製成的AgSnO2複合材料(SnO2質量百分比為10% )進行加工。實施例2將內氧化製成的CuAl2O3複合材料(Al2O3質量百分比為3% )錠坯通過擠壓制 成厚度為10. Omm的板坯，將此板坯截斷為五節，疊成厚度為50. Omm的軋制坯料，坯料經過 830°C的加熱後送入軋機，軋製成10. Omm軋制變形後的坯料。再將軋制變形後的坯料按照 上述工藝進行處理，反覆軋制七次，複合材料的真應變達到11. 3，成為第二相彌散均勻的 CuAl2O3複合材料板坯，將此板坯經過冷軋至厚度為1. 0 5. Omm的帶材產品。實施例3將粉末冶金法製成的Pb/B4C複合材料(B4C質量百分比為4% )板坯通過軋制制 成厚度為10. Omm的板坯，將此板坯截斷為四節，疊成厚度為40. Omm的軋制坯料，坯料經過 450°C的加熱後送入軋機，軋製成10. Omm軋制變形後的坯料。再將軋制變形後的坯料按照 上述工藝進行處理，反覆軋制八次，複合材料的真應變達到11. 09，成為第二相彌散均勻的 Pb/B4C複合材料板材產品。實施例4將反應合成法製成的AgY2O3複合材料(Y2O3質量百分比為10% )錠坯，通過擠壓 製成直徑為4. Omm的線坯，將此線坯截斷，再經過850°C的熱壓成型，製成擠壓坯，擠壓坯料 經過860°C X4h的加熱後送入擠壓機，擠壓成直徑為4. Omm的坯料。再將擠壓變形後的坯 料按照上述工藝進行處理，反覆擠壓4次，複合材料的真應變超過10. 0，成為第二相彌散均 勻的AgY2O3複合材料線坯。將此線坯經過冷拉拔，製成直徑1. 8 0. 4mm的線/絲材產品。 按照同樣的工藝，還可對粉末冶金或反應合成法製成的AgSnO2複合材料(SnO2質量百分比 為10% )進行加工。實施例5將鑄造法製成的AVAl2O3複合材料(Al2O3質量百分比為8% )錠坯，通過擠壓制 成直徑為4. Omm的線坯，將此線坯截斷，再經過550°C的熱壓成型，製成擠壓坯，擠壓坯料經 過560°C X 3h的加熱後送入擠壓機，擠壓成直徑為4. Omm的坯料。再將擠壓變形後的坯料 按照上述工藝進行處理，反覆擠壓4次，複合材料的真應變超過10. 0，成為第二相彌散均勻 的AgY2O3複合材料線坯。再將此線坯截斷，經過550°C熱壓成型，製成軋制坯，經過軋制變 形，冷製成厚度3. 0 10. Omm的板/帶材產品。實施例6將內氧化法製成的Rh/Zr02複合材料(&02質量百分比為0. 3 % )片材(0. 5mm 厚)，疊成厚度為20. Omm的軋制坯料，坯料經過960°C的加熱後送入軋機，軋製成0. 5mm軋 制變形後的坯料。再將軋制變形後的坯料按照上述工藝進行處理，反覆軋制三次，複合材料的真應變達到11.06，成為第二相彌散均勻的他/21<)2複合材料板坯，將此板坯經過900°C 熱軋至厚度為5. 0 15. Omm的板材產品。 本發明通過對顆粒增強金屬基複合材料的大塑性/累積變形加工，使團聚在金屬 基體中的第二相顆粒均勻分布(彌散)於基體中，再經後續加工製得顆粒增強金屬基複合 材料製品(杆材、線材、片材或帶材、或零部件)，提高顆粒增強複合材料質量和成材率、降 低材料加工成本。獲得具有第二相顆粒均勻分布特點、性能優良的顆粒增強金屬基複合材 料。
權利要求
1.一種均勻彌散顆粒增強金屬基複合材料，其特徵在於顆粒增強金屬基複合材料組 成範圍為基體材料為銀基體、鈦基體、銅基體、鋁基體、鉛基體、鋅基體或鉬族金屬基體，第 二相即增強相的顆粒材料為Al203、Sn02、&02、Ti02、ER0即稀土氧化物、TiB2、SiC、B4C、AlN 或Si3N4，按照質量百分比計，第二相即增強相顆粒在各類基體中的含量第範圍為0. 1 40%。
2.根據權利要求1所述的均勻彌散顆粒增強金屬基複合材料，其特徵在於所述的金 屬基複合材料為AgCeA複合材料、CuAl2O3複合材料、Pb/B4C複合材料、AgY2O3複合材料、 AVAl2O3複合材料或Μι/ΖΙ 2複合材料。
3.根據權利要求2所述的均勻彌散顆粒增強金屬基複合材料，其特徵在於所述的 AgCeO2複合材料中( 質量百分比為10% ；CuAl2O3複合材料中Al2O3質量百分比為3% ； Pb/B4C複合材料中B4C質量百分比為4% ；AgY2O3複合材料中^O3質量百分比為10% ；Al/ Al2O3複合材料中Al2O3質量百分比為8% ；Rh/Zr02複合材料中^O2質量百分比為0. 3%。
4.一種均勻彌散顆粒增強金屬基複合材料中第二相的製備方法，其特徵在於對常規 方法製成的顆粒增強金屬基複合材料坯料進行大塑性/累積變形加工，達到材料真應變達 到或超過10. 0的變形量，使團聚在金屬基體中的第二相顆粒均勻彌散分布於基體中，再經 後續加工製得顆粒增強金屬基複合材料製品。
5.根據權利要求4所述的均勻彌散顆粒增強金屬基複合材料中第二相的製備方法，其 特徵在於所述的大塑性/累積變形加工是指軋制變形加工或擠壓變形加工
6.根據權利要求5所述的均勻彌散顆粒增強金屬基複合材料中第二相的製備方法，其 特徵在於所述的軋制變形加工是針對板/帶材的顆粒增強金屬基複合材料坯料，採用多 層坯料疊軋方式進行軋制變形，每次變形以單層坯料厚度的變形量為計算單元，經過多次 疊軋，軋制溫度的範圍200 1000°C ；所述的擠壓變形加工是針對棒/線材的顆粒增強 金屬基複合材料坯料，採用多次擠壓方式進行擠壓變形，每次變形以單根坯料直徑的變形 量為計算單元，經過多次擠壓，直至累積變形的真應變達到10.0及以上。擠壓溫度的範圍 400 1000°C。
7.根據權利要求4所述的均勻彌散顆粒增強金屬基複合材料中第二相的製備方法，其 特徵在於所述的常規方法為反應合成法、內氧化法、粉末冶金法、鑄造法或內氧化法。
8.根據權利要求4所述的均勻彌散顆粒增強金屬基複合材料中第二相的製備方法，其 特徵在於所述的後續加工是軋制、擠壓、拉拔或鍛造；複合材料製品是杆材、線材、片材或 帶材、或零部件。
9.根據權利要求4所述的均勻彌散顆粒增強金屬基複合材料中第二相的製備方法，其 特徵在於所述的金屬基複合材料為AgCeA複合材料、CuAl2O3複合材料、Pb/B4C複合材 料、AgY2O3複合材料、AVAl2O3複合材料或I h/ZiO2複合材料。
10.根據權利要求9所述的均勻彌散顆粒增強金屬基複合材料中第二相的製備方法， 其特徵在於所述的AgCeA複合材料中CeO2質量百分比為10% ;Cu/A1203複合材料中Al2O3 質量百分比為3% ；Pb/B4C複合材料中B4C質量百分比為4% ；AgY2O3複合材料中^O3質量 百分比為10% ；AVAl2O3複合材料中Al2O3質量百分比為8% ；Rh/Zr02複合材料中^O2質 量百分比為0.3%。
全文摘要
本發明公開了一種以材料大塑性變形理論為依據，通過對顆粒增強金屬基複合材料的大塑性/累積變形加工，使團聚在金屬基體中的第二相顆粒均勻分布(彌散)於基體中，再經後續加工製得顆粒增強金屬基複合材料製品(杆材、線材、片材或帶材、或零部件)，提高顆粒增強複合材料質量和成材率、降低材料加工成本。獲得具有第二相顆粒均勻分布特點、性能優良的顆粒增強金屬基複合材料。
文檔編號C22C1/10GK102134664SQ20101059706
公開日2011年7月27日 申請日期2010年12月20日 優先權日2010年12月20日
發明者於傑, 周曉龍, 張昆華, 杜焰, 管偉明, 陳敬超 申請人:昆明理工大學