一种颗粒增强金属基复合材料的熔融金属包覆热等静压制备方法与流程

本发明涉及材料领域，尤其是合金材料制备领域，具体为一种颗粒增强金属基复合材料的熔融金属包覆热等静压制备方法。本发明作为一种颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其能够有效简化合金材料的制备工序，缩短生产周期，具有较好的效果和应用前景。

背景技术：

颗粒增强金属基复合材料作为一种较成熟的非连续相增强复合材料，其具有高比模量、高比强度、高微屈服强度、低膨胀系数、耐磨性良好等优异性能，已被广泛应用于航空航天、武器装备、电子等行业，并带来了巨大的经济效益。

英国最早将SiC_p/Al复合材料应用于直升机旋翼系统，随后在欧美国家得到广泛推广，起到了良好的减重和耐磨效果。

美国空军对于C-130等大型战略运输机的结构升级改进的一个重要部分在于，大量利用SiC_p/Al复合材料零件替代原有的钢制零件，试车试验结果表明：在大幅度减重的同时，很好的保持了刚度要求；并且，SiC_p/Al复合材料还被用作部分火箭的支撑件。基于颗粒增强金属基复合材料的优点，美国最大军火制造商Lockheed公司在其生产的机载电子设备及仪表支架中，已大量采用25vol%SiC_p/6061Al。日本Kurumoto公司采用粉末冶金制备的WC增强高Cr含量铸铁复合材料，作为一种新的超耐蚀材料，已被应用于大型运输机衬板，并将运输机衬板的使用寿命由30～50d提高至670d。为满足低膨胀字数、低密度和高导热的要求，美国空军已使用Gr_sf/Mg与SiC_w/Al复合材料制造部分电子封装器件。同时，已有数种SiC_p/Al与Gr_p/Al复合材料被用于制造地面—轨道通信卫星及GPS全球定位系统卫星的部分散热部件，在地球同步轨道卫星的动力模块上取代Cu-W合金，取得了良好的效果。

同时，在民用领域，颗粒增强金属基复合材料也取得了长足的进步。

基于颗粒增强金属基复合材料高比刚度、高比强度和高耐磨性、高耐疲劳性的特点，使其适宜于制造机械设备的动力、传动和制动装置。20世纪80年代初，日本Toyota公司与Art Metal公司合作，首先将挤压铸造法制备的Al₂O₃·SiO_2sf/Al应用于汽车发动机活塞部件，大大提升了活塞部件的耐磨损性能和散热性，开创了金属基复合材料在民品领域应用的先河。之后，日本Mazda公司由研制出Al₂O_3p/Al复合材料连杆，在减重30%以上的同时，提高了连杆的抗拉强度和疲劳强度。美国Duralcan公司用SiC_p/Al复合材料生产汽车制动盘部件，经试验验证，效果良好。美国Lanxide公司用SiC_p/Al复合材料生产的刹车片，已于1996年大量投入生产。美国DWA公司将SiC颗粒体积分数为30～70%的SiC_p/Al复合材料，用于电子封装基片。

同时，颗粒增强金属基复合材料中基体与增强体的可选择性，为复合材料功能的按需设计，提供了得天独厚的优势。DWA公司生产的B₄C_p/Al复合材料及其板材，具有良好的热中子屏蔽吸收性能，已应用于核电站等的乏燃料贮存及转运设备中，取得了良好的环境效益。

目前，粉末冶金法是制备颗粒增强金属基复合材料的最常用的生产工艺之一，该方法几乎能以所有金属作为基体，增强体含量在一定范围内能任意可调，材料的制备和成型一体化完成。粉末冶金的热等静压工艺采用气体作为介质，使得粉体、压坯或与烧结坯在高温高压共同作用下均匀受力，从而促进材料的致密化。

然而，传统的热等静压工艺需要制作密封性良好的包套，包套的材料选择、封焊、除气、夹封等工序繁杂，且通常只能制备形状简单的坯料，如果制备与成型的材料工件形状较为复杂，包套的制作难度也会非常高。受这些因素影响，颗粒增强金属基复合材料的生产效率受到极大制约；同时，焊接过程中，会产生强光和烟尘等，对环境友好性较差。

因此，需要设计一种新的热等静压包覆密封方法来，以简化材料的制备工艺流程，提高生产效率。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于：针对目前采用粉末冶金法中的热等静压工艺制备颗粒增强金属基复合材料时，需要制作密封性良好的包套，工序繁杂，通常只能制备形状简单坯料，生产效率受限，且焊接过程中，会产生强光和烟尘等，对环境友好性较差的问题，提供一种颗粒增强金属基复合材料的熔融金属包覆热等静压制备方法。本发明作为一种新的热等静压方法，能有效解决传统方法需要进行封焊包套的问题，有效简化生产工艺，提高生产效率，突破生产效率的瓶颈。同时，本发明在保证材料质量的同时，有效降低生产能耗和成本，并且对环境友好，具有较高的应用价值，值得大规模推广和应用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种颗粒增强金属基复合材料的熔融金属包覆热等静压制备方法，包括如下步骤：

（1）原料混合

根据待制备的颗粒增强金属基复合材料的成分配比，称取相应的复合材料基体、复合材料增强体，混合均匀，得第一混合物；

（2）冷等静压成型

将步骤1制备的第一混合物装入软膜模具中，进行冷等静压成型，制备出冷压坯；

（3）包套制作

以复合材料基体材料或与其熔点接近的同系列合金为包套材料，制作出与步骤2冷压坯相配合的包套；

（4）装配

在包套内部涂上脱模剂，将涂有脱模剂的包套与步骤2的冷压坯装配在一起，形成待热等静压的装配体；

（5）热等静压

将步骤4制备的待热等静压装配体装入石墨坩埚中，并将待热等静压装配体与石墨坩埚装入热等静压炉内，再将热等静压炉抽真空后，将热等静压炉升温至包套熔点以上10—150℃，保温1—30min，然后向热等静压炉中充入加压气体至设定压力，保压1—30min；

（6）包套去除

待步骤5完成后，去除包套，即得产品。

所述步骤3中，以复合材料基体合金或与其熔点接近的同系列合金板材或块材为包套材料，通过塑性加工方式或机械加工方式制作出与步骤2冷压坯相配合的包套。

所述步骤6中，采用机械加工方式或直接剥离方式去除包套。

所述包套材料为铝、铝合金、铜、铜合金、钛、钛合金、铁、低碳钢中的一种或多种。

所述复合材料基体为铝、铝合金、镁、镁合金、铜、铜合金、钛、钛合金、铁、钢中的一种或多种，所述复合材料增强体为陶瓷颗粒。

所述复合材料增强体为SiC陶瓷颗粒、B₄C陶瓷颗粒、WC陶瓷颗粒、Al₂O₃陶瓷颗粒、AlN陶瓷颗粒、TiB₂陶瓷颗粒、ZrB₂陶瓷颗粒中的一种或多种。

针对前述问题，本发明提供一种颗粒增强金属基复合材料的熔融金属包覆热等静压制备方法，目的在于简化颗粒增强金属基复合材料的粉末冶金工艺，提高生产效率。本发明的方法包括原料混合、冷等静压成型、装配、热等静压四个关键步骤，具体如下。

一、原料混合：本发明中，首先根据待制备的颗粒增强金属基复合材料的成分配比，称取相应的复合材料基体、复合材料增强体，混合均匀，得第一混合物。

二、冷等静压成型：将步骤1制备的第一混合物装入软膜模具中，通过冷等静压的方式将其具有一定致密度、强度及形状的冷压坯。

三、包套制作：选取复合材料基体材料或与其熔点接近的材料为包套材料，比如复合材料基体合金或与复合材料基体合金熔点接近的同系列合金板材或块材料，通过塑性或机械加工方式制作与冷压坯相配合的包套。

四、装配：在包套内部涂上脱模剂，将涂有脱模剂的包套与冷压坯装配在一起，形成待热等静压的装配体。

五、热等静压：将制备的待热等静压的装配体装入石墨坩埚中，并将待热等静压的装配体与石墨坩埚装入热等静压炉内，再将热等静压炉抽真空后，然后将温度升至包套材料熔点以上10—150℃，保温1—30min，接着充入加压气氛至设定压力，保压1—30min。

六、包套去除：通过机械加工或直接剥离的方式去除包套，即得颗粒增强金属基复合材料。

本申请中，包套材质可以为铝、铝合金、铜、铜合金、钛、钛合金、铁、低碳钢的一种或多种。复合材料增强体为陶瓷颗粒，复合材料基体为铝、铝合金、镁、镁合金、铜、铜合金、钛、钛合金、铁、钢中的一种或多种。进一步，复合材料增强体为SiC、B₄C、WC、Al₂O₃、AlN、TiB₂、ZrB₂陶瓷颗粒中的一种或多种。本发明中，包套可以由单块或多块组件搭接或拼接而成。

在本发明的真空加热过程中，包套位于材料的最外部，因而最先被加热；其中的冷压坯为多孔结构，孔隙具有极大的导热热阻，因此，作为体材的包套具有比多孔冷压坯更高热导率；同时，冷压坯中的复合材料基体金属粉末表面具有一定厚度的高熔点的氧化物层，进一步增加了粉末之间的传热热阻，也使得粉体熔点略高于金属体材。综上，真空加热过程中，包套先熔化为具有一定流动性和黏度的熔融金属，通过流动作用包覆在冷压坯表面，形成密封的熔融包套，在随后的加压过程中，熔融包套作为压力传递介质，使得冷压坯受压实现致密化。

相对于常规颗粒增强金属基复合材料的制备方法，本发明具有热等静压包套制作及装配简单的优点，极大的简化了传统热等静压包套制作、封焊及检漏过程，突破了限制生产效率的瓶颈，并且易于将包套制作成一定的复杂形状，极大的突破了现有包套只能制作形状简单结构的缺陷；在保证颗粒增强金属基复合材料质量的同时，本发明能有效降低生产能耗和成本，省去包套焊接及检漏过程，缩短生产周期，极大增加生产工艺的环境友好性。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

（1）本发明采用复合材料基体合金或与其熔点接近的同系列合金（即与其成分接近的同系合金）作为包套材料，在真空加热过程中，包套先熔化为熔融包覆层，对冷压坯进行密封，同时也作为后续增压过程中对内部冷压坯的压力传递介质，本发明首次将包套形成与除气整合到热等静压过程中，有效避免了传统热等静压包套制作的繁杂工序，极大提高了生产效率，也消除了封焊过程对环境的影响；

（2）传统颗粒增强金属基复合材料热等静压工艺中，包套的制作受制于封焊工艺的限制，通常仅能制备出简单形状的包套，而本发明基于工艺的改进，包套可采用塑性加工或机械加工而成，故能成型成一定的复杂形状，从而满足复杂形状的冷压坯的加工要求；

（3）本发明中，包套材料与复合材料基体成分相同或相近，且包套与冷压坯的接触面涂有脱模剂，能有效避免热等静压过程中，由于扩散作用引起的基体化学成分的变化，保证颗粒增强金属基复合材料的质量；

（4）由于包套材料与复合材料基体差别小，其成型加工及去除更加方便，且包套与复合材料坯料之间能良好分离，可用于部分取代玻璃熔融包套；

（5）本发明中熔融的金属包套密封性好，能制备高致密度的颗粒增强金属基复合材料，这是对现有技术的极大创新，对于颗粒增强金属基复合材料的发展，具有重要的意义。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是实施例3中装配示意图。

图2是实施例1制备复合材料金相图。

图3是实施例2制备复合材料SEM图。

图4是实施例3制备复合材料SEM图。

图5是实施例4制备复合材料SEM图。

图6是实施例5制备复合材料SEM图。

图中标记：1、包套上件，2、冷压坯，3、包套下件，4、石墨坩埚。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

采用2024Al作为包套材料，制备35wt.%SiC_p/2024Al复合材料，具体步骤如下。

一、原料混合：将SiC陶瓷颗粒与2024Al合金粉末，按设计成分比例混合均匀，得第一混合物。

二、冷等静压成型：将第一混合物装入圆柱形的软膜模具中，通过冷等静压的方式将其具有一定致密度、强度及形状的冷压坯。

三、包套制作：选取2024Al薄板材为包套材料，弯曲制成圆柱面，冲裁圆柱端面，以圆柱面、圆柱端面为包套。

四、装配：将包套内表面涂上BN脱模剂，再将步骤二制备的圆柱体冷压坯装入由圆柱面和圆柱端面拼接而成的包套中，再将其装入石墨坩埚内。

五、热等静压：将步骤四中装配好的冷压坯、包套及石墨坩埚装入热等静压炉体中，抽真空，然后将温度升至650℃，保温10min，接着充入加压气氛至5MPa，保压20min。

六、包套去除：通过车床车削去除包套。

本实施例制备的复合材料的金相照片如图2所示。

实施例2

采用2024Al作为包套材料，制备20wt.%B₄C_p/6061Al复合材料，具体步骤如下。

一、原料混合：将B₄C颗粒与2024Al合金粉末按设计成分比例混合均匀，得第一混合物。

二、冷等静压成型：将第一混合物装入长方体的软膜模具中，通过冷等静压的方式将其具有一定致密度、强度及形状的压坯板。

三、包套制作：选取纯Al薄板材包套材料，线切割出长方体包套所需的六个平面。

四、装配：将包套内表面涂上BN脱模剂，再将长方体压坯板装入由六个平面拼接而成的包套中，再将其装入石墨坩埚内。

五、热等静压：将步骤四中装配好的压坯板、包套及石墨坩埚装入热等静压炉体中，抽真空，然后将温度升至750℃，保温5min，接着充入加压气氛至10MPa，保压3min。

六、包套去除：剥离去除包套。本实施例制备的复合材料的SEM图如图3所示。

实施例3

采用Cu作为包套材料，制备8wt%.Al₂O₃/Cu复合材料，具体步骤如下。

一、原料混合：将Al₂O₃颗粒与Cu粉末按设计成分比例混合均匀，得第一混合物。

二、冷等静压成型：将第一混合物装入半球体的软膜模具中，通过冷等静压的方式将其具有一定致密度、强度及形状的压坯半球。

三、包套制作：选取Cu金属块作为包套材料，采用车床车削出半球形包套上件及圆形包套下件，如图1所示。

四、装配：将包套内表面涂上石墨脱模剂，再将半球形的压坯半球装入拼接的包套中，再装入石墨坩埚，其结构如图1所示。

五、热等静压：将步骤四中装配好的压坯半球、包套及石墨坩埚装入热等静压炉体中，抽真空，然后将温度升至1200℃，保温25min，接着充入加压气氛至20MPa，保压5min。

六、包套去除：通过车床车削去除包套。

本实施例制备的复合材料的SEM图如图4所示。

实施例4

采用45号钢板作为包套材料，30wt%.WC_p/Fe复合材料，具体步骤如下。

一、原料混合：将WC颗粒与Fe粉末按设计成分比例混合均匀，得第一混合物。

二、冷等静压成型：将第一混合物粉体装入长方体的软膜模具中，通过冷等静压的方式将其具有一定致密度、强度及形状的冷压坯。

三、包套制作：选取45号钢薄板作为包套材料，冲裁出长方体包套所需的六个平面方块。

四、装配：将包套内表面涂上石墨脱模剂，再将长方体冷压坯装入由六个平面拼接而成的包套中，再将包套装入石墨坩埚内。

五、热等静压：将步骤四中装配好的冷压坯、包套及石墨坩埚装入热等静压炉体，抽真空，然后将温度升至1370℃，保温15min，接着充入加压气氛至55MPa，保压30min。

六、包套去除：通过剥离去除包套。

本实施例制备的复合材料的SEM图如图5所示。

实施例5

采用AZ91Mg合金作为包套材料，制备25wt.%SiC_p/AZ61Mg复合材料，具体步骤如下。

一、原料混合：将SiC颗粒与AZ61Mg粉末按设计成分比例混合均匀，得第一混合物。

二、冷等静压成型：将第一混合物粉体装入长方体的软膜模具中，通过冷等静压的方式将其具有一定致密度、强度及形状的冷压坯。

三、包套制作：选取AZ91Mg合金作为包套材料，线切割出长方体包套所需的六个平面方块。

四、装配：将包套内表面涂上BN脱模剂，再将长方体冷压坯装入由六个平面拼接而成的包套中，再将包套装入石墨坩埚内。

五、热等静压：将步骤四中装配好的冷压坯、包套及石墨坩埚装入热等静压炉体中，抽真空，然后将温度升至630℃，保温10min，接着充入加压气氛至15MPa，保压10min。

六、包套去除：通过车床车削去除包套。

本实施例制备的复合材料的SEM图如图6所示。

本发明实施例中的脱模剂可以为市售高温脱模剂。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。