实现纳米颗粒增强相在铝基复合材料中弥散分布的方法技术

本发明专利技术公开了一种实现纳米颗粒增强相在铝基复合材料中弥散分布的方法，包括如下步骤：S1：将待加工的复合材料板材水平放置于垫板上并装夹固定；S2：将搅拌摩擦焊的搅拌头以50～2000rpm的转速插入所述复合材料板材的表面，直至轴肩的下端与复合材料板材的上表面紧密接触，对复合材料板材进行预热；S3：将所述搅拌头以10～500mm/min的走速从复合材料板材的一端开始沿复合材料板材的纵向方向前进，达到终点后使搅拌头保持走速不变向起点移动；S4：待搅拌头移动到起点后，将搅拌头向复合材料板材的另一端平移1～10mm，再次沿复合材料板材的纵向方向前进；S5：重复步骤S3和S4的操作，直至整块复合材料板材加工完毕。本发明专利技术解决了纳米增强相团聚的问题，使其强度和塑性同时得到了提高。

Method for realizing dispersion distribution of nano particle reinforced phase in Aluminum Matrix Composites

The invention discloses a method for realizing the dispersion and distribution of nano-particle reinforced phase in aluminum matrix composite material, which comprises the following steps: S1: placing the composite plate to be processed horizontally on the backing plate and fixing it; S2: inserting the stirring head of friction stir welding into the surface of the composite plate at a speed of 50-2000 rpm. Preheat the composite sheet until the lower end of the shaft shoulder is in close contact with the upper surface of the composite sheet; S3: The stirring head moves along the longitudinal direction of the composite sheet from one end of the composite sheet at a speed of 10-500 mm/min, and makes the stirring head move to the starting point after reaching the end. S4: After the stirring head is moved to the starting point, the stirring head is shifted to the other end of the composite sheet by 1-10 mm, and then moves along the longitudinal direction of the composite sheet again; S5: repeat the operation of S 4 until the whole composite sheet is processed. The invention solves the problem of agglomeration of nano reinforced phase and improves its strength and plasticity simultaneously.

【技术实现步骤摘要】
实现纳米颗粒增强相在铝基复合材料中弥散分布的方法
本专利技术涉及一种实现纳米颗粒增强相在铝基复合材料中弥散分布的方法，属于材料的处理方法

技术介绍
随着科技的不断进步，对材料性能的要求也更高，希望其具有良好的综合性能。尤其是在航天航空、电子、汽车及军事等领域，不仅对材料的强度、塑性有很高的要求，对材料的比强度、比刚度、线膨胀率、热导率等都提出了特殊的要求。传统的单一材料难以满足。例如对于航天航空构件，传统的铝合金，虽然具有密度小，塑性高，易加工等优良性能，但其强度不如钢铁材料；而强度高的钢铁材料密度又不够小。为了满足各个领域对材料越来越高，越来越复杂的要求，金属基复合材料的产生及应用成为了一种必然趋势。其中，纳米颗粒增强铝基复合材料以其优良的性能引起了广泛的关注。在铝基复合材料中加入纳米陶瓷第二相可以明显提高材料的比强度、模量、硬度以及阻尼性能。但制备颗粒增强的铝基复合材料过程中，为了降低体系的自由能，小颗粒，尤其是纳米级的颗粒会趋于团聚在一起。这严重影响了复合材料的机械性能，如抗拉强度、塑性、流变应力、抗疲劳性能等。大量的二次处理工艺，如压缩、轧制、挤压、锻造、等通道角挤压、累积叠轧等技术被用于改善铝基复合材料的组织和性能。但这些传统的二次加工手段都有各自的局限性。如冷轧对颗粒本身会产生损害；等通道角挤压在常温下，当颗粒体积分数较高时，多次反复加工会造成复合材料表面产生裂纹。且对于纳米级的增强相颗粒，传统的二次加工手段难以使颗粒分散均匀。而搅拌摩擦加工过程中产生的极高的应变速率和伴随的动态再结晶使其能够有效的进行材料组织的改性。因此对于纳米级的增强相颗粒来说，基于搅拌摩擦处理的材料加工方法不仅是一种有效的细晶方法，也是一种有效的改善第二相颗粒分布状况的方法。故采用一种基于搅拌摩擦处理的工艺来实现纳米颗粒在铝基复合材料中的均匀化，进而同时提高材料的塑性及强度。
技术实现思路
本专利技术为了解决纳米颗粒增强相在铝基复合材料中的团聚问题，提出一种基于搅拌摩擦加工来处理材料的方法，以获得纳米颗粒增强相弥散分布，强度及塑性得到提高的铝基复合材料。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术提供了一种实现纳米颗粒增强相在铝基复合材料中弥散分布的方法，其包括如下步骤：S1：将待加工的复合材料板材水平放置于垫板上并装夹固定；S2：将搅拌摩擦焊的搅拌头以50～2000rpm的转速插入所述复合材料板材的表面，直至轴肩的下端与复合材料板材的上表面紧密接触，对复合材料板材进行预热；S3：将所述搅拌头以10～500mm/min的走速从复合材料板材的一端开始沿复合材料板材的纵向方向前进，达到终点后使搅拌头保持走速不变向起点移动；S4：待搅拌头移动到起点后，将搅拌头向复合材料板材的另一端平移1～10mm，再次沿复合材料板材的纵向方向前进；S5：重复步骤S3和S4的操作，直至整块复合材料板材加工完毕。作为优选方案，步骤S1中所述待加工的复合材料板材为纳米颗粒增强的铝基复合材料板材。作为优选方案，步骤S2中所述的搅拌投的转速为400～1000rpm。作为优选方案，步骤S2中，复合材料板材预热至其表面软化，出现熔池即可。作为优选方案，步骤S3～S5中搅拌头的走速均为50～200mm/min。作为优选方案，步骤S3～S5中，搅拌头的平移距离为3～5mm。作为优选方案，步骤S3～S5中，搅拌头在纵向移动和平移时转速恒定且均保持不提起。搅拌头的转速和走速时影响搅拌摩擦加工质量的关键因素。转速与走速比决定了加工过程中的能量输入。如果转速过低或走速过高，加工的热输入量不足，材料软化不足而流动性变差，会导致搅拌区出现沟槽等缺陷；如果转速过高或走速过低，则热输入量过高，搅拌区材料过热甚至熔化，因而在凝固过程中形成空洞、飞边等缺陷。本专利技术中所选择的搅拌头转速与走速是经过大量实验验证后的最佳选择。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：本专利技术通过控制搅拌头的转速、走速等加工参数来实现纳米颗粒增强相在铝基复合材料中的弥散分布。为增强铝合金的强度，会采用添加陶瓷第二相的方式。然而加入的颗粒增强相存在严重的团聚问题，导致强度和塑性的降低。传统的二次加工方式难以使颗粒分散均匀，尤其是对于纳米级的增强相颗粒。基于搅拌摩擦的处理方法使材料发生强塑性变形，同时产生剧烈的流动，增强相颗粒随之分布均匀。由此得到纳米颗粒均匀分布的铝基复合材料，解决了纳米增强相团聚的问题，使其强度和塑性同时得到了提高。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1是实施例1得到的Al-6Mg-0.3Sc-0.15Zr-1Cu-5TiB2复合材料的扫描电镜照片；图2是实施例3得到的Al-0.3Sc-0.15Zr-5TiB2复合材料的扫描电镜照片。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。实施例1待加工的复合材料板材为Al-6Mg-0.3Sc-0.15Zr-1Cu-5TiB2(wt％)。其处理方法为：(1)将待加工的复合材料板材水平放置在垫板上并装夹固定；(2)将搅拌头以600r/min的转速插入板材表面，直到轴肩的下端面与板材上表面紧密接触后，停止下扎，对材料进行预热；(3)使搅拌头以80mm/min的走速从待加工板材左侧开始沿着板材纵向方向前进，达到终点后使搅拌头保持走速不变反向移动；(4)回到起点后将搅拌头向右侧平移5mm，再沿纵向方向往返前进，周而复始，直至整块板加工完成。由附图1Al-6Mg-0.3Sc-0.15Zr-1Cu-5TiB2复合材料的扫描电镜照片可以看出，颗粒在基体中分布很均匀。力学性能测试结果：抗拉强度为470MPa，延伸率为12％。实施例2本实施例在步骤(2)中，所述的搅拌头的转速为800r/min。其它步骤与具体实施方式一相同。力学性能测试结果：抗拉强度为512MPa，延伸率为10.1％。实施例3本实施例在步骤(1)中，所述的待加工复合材料板材为Al-0.3Sc-0.15Zr-5TiB2(wt％)。其它步骤与具体实施方式一相同。由附图2Al-0.3Sc-0.15Zr-5TiB2复合材料的扫描电镜照片可以看出，颗粒在基体中分布很均匀。力学性能测试结果：延伸率为27％。实施例4本实施例在步骤(1)中，所述的待加工复合材料板材为5wt.％TiB2/7075Al复合材料。其它步骤与具体实施方式一相同。将加工后的板材在475℃进行固溶处理1h,取出水淬后，在120℃等温时效20h。力学性能测试结果：抗拉强度为583MPa，延伸率为6.3％。实施例5本实施例在步骤(1)中，所述的待加工复合材料板材为10wt.％TiB2/7075Al复合材料。其它步骤与具体实施方式一相同。将加工后的板材在475℃进行固溶处理1h，取出水淬后，在120℃等温时效20h。对比例6本对比例在步骤(2)中，所述的搅拌头的转速为40r/min。其它步骤与具体实施方式一相同。力学性能测试结果：抗拉强度为380MPa，延伸率为4.4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实现纳米颗粒增强相在铝基复合材料中弥散分布的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：将待加工的复合材料板材水平放置于垫板上并装夹固定；S2：将搅拌摩擦焊的搅拌头以50～2000rpm的转速插入所述复合材料板材的表面，直至轴肩的下端与复合材料板材的上表面紧密接触，对复合材料板材进行预热；S3：将所述搅拌头以10～500mm/min的走速从复合材料板材的一端开始沿复合材料板材的纵向方向前进，达到终点后使搅拌头保持走速不变向起点移动；S4：待搅拌头移动到起点后，将搅拌头向复合材料板材的另一端平移1～10mm，再次沿复合材料板材的纵向方向前进；S5：重复步骤S3和S4的操作，直至整块复合材料板材加工完毕。

【技术特征摘要】
1.一种实现纳米颗粒增强相在铝基复合材料中弥散分布的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：将待加工的复合材料板材水平放置于垫板上并装夹固定；S2：将搅拌摩擦焊的搅拌头以50～2000rpm的转速插入所述复合材料板材的表面，直至轴肩的下端与复合材料板材的上表面紧密接触，对复合材料板材进行预热；S3：将所述搅拌头以10～500mm/min的走速从复合材料板材的一端开始沿复合材料板材的纵向方向前进，达到终点后使搅拌头保持走速不变向起点移动；S4：待搅拌头移动到起点后，将搅拌头向复合材料板材的另一端平移1～10mm，再次沿复合材料板材的纵向方向前进；S5：重复步骤S3和S4的操作，直至整块复合材料板材加工完毕。2.如权利要求1所述的实现纳米颗粒增强相在铝基复合材料中弥散分布的方法，其特征在于，步骤S1中所述待加工的复合材料板材为纳米颗...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈哲，吴一，鞠晓菲，王浩伟，汪明亮，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31