一种轻金属块体复合材料的制备方法、复合材料及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种轻金属块体复合材料的制备方法、复合材料及装置，包括采用冷喷涂沉积累加方法在轻金属基体表面进行轻金属粉末涂层的喷涂沉积，再利用滚式振动方法将增强粉体嵌入轻金属粉末涂层和/或提高轻金属粉末涂层的紧实度，最后利用搅拌摩擦焊进行轻金属粉末涂层的搅拌摩擦处理。从而制备出单层轻金属复合层材料，重复以上步骤，将获得具有一定厚度的轻金属块体复合材料，该方法成本低廉，加工效率高，可控性好，制备的轻金属块体复合材料内应力小、无缺陷，综合性能优异。

The preparation method, composite material and device of a light metal block composite material

The invention discloses a preparation method, a composite material and a device for light metal bulk composite material, including spraying deposition of light metal powder coating on the surface of light metal matrix by cold spraying deposition accumulation method, and then embedding reinforcing powder into light metal powder coating and/or improving light metal powder by rolling vibration method. The compactness of the coating, and finally the friction stir welding of light metal powder coating. The single-layer light metal composite material is prepared. Repeat the above steps, and light metal block composite material with a certain thickness will be obtained. This method has low cost, high processing efficiency and good controllability. The prepared light metal block composite material has small internal stress, no defects and excellent comprehensive performance.

【技术实现步骤摘要】
一种轻金属块体复合材料的制备方法、复合材料及装置
本专利技术属于金属基复合材料和制造
，具体涉及一种轻金属块体复合材料的制备方法、复合材料及装置。
技术介绍
镁合金、铝合金轻金属材料具有密度低、比强度、比刚度高等优点，被广泛地应用于制造工业中，逐渐成为最具应用前景的轻质有色金属材料。近年来，随着航空航天等工业技术的高速发展，对轻金属高性能块体复合材料的要求越来越高。块体复合材料的制备方法包括三种，液相法、固相法和气相法，固相法和气相法由于工作温度较高，适用于高温和难熔金属复合材料的制备。对于轻金属块体复合材料，通常采用液相法制备，液相法常用的有铸造法，铸造法液相温度易于控制，设备简单，生产成本低。但铸造法铸造时，由于强化相颗粒的加入造成成形的粘滞阻力、微观组织的不均匀性、过度的界面反应等问题，常常出现成形质量差，铸造组织中易产生气孔、缩松以及成分偏析等缺陷，其铸造材料性能无法满足轻金属块体复合材料的使用要求。因此，针对轻金属块体复合材料制备时，高温成形质量差、易产生宏观组织缺陷，造成性能严重下降等问题，急需选用一种制备轻金属块体复合材料的方法，解决目前常规铸造方法所面临的主要问题，以获得致密性好，组织混合均匀，综合性能优异的轻金属块体复合材料。
技术实现思路
为了克服上述技术存在的缺陷和不足，本专利技术的第一个目的是提供一种轻金属块体复合材料的制备方法，解决传统复合材料制备方法在轻金属块体复合材料制备上的瓶颈问题，获得成本低廉，效率高，可控性好，综合性能优异的轻金属块体复合材料。本专利技术的第二个目的是提供一种复合材料，该复合材料采用本专利技术的轻金属块体复合材料的制备方法制备得到。本专利技术的第三个目的是提供一种轻金属块体复合材料的制备装置，该装置主要包括振动碾压构件，通过振动碾压技术的加入，提高复合材料的整体加工性能。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：为达到本专利技术的第一个目的，一种轻金属块体复合材料的制备方法，包括采用冷喷涂沉积累加方法在轻金属基体表面进行轻金属粉末涂层的喷涂沉积，再利用滚式振动方法将增强粉体嵌入轻金属粉末涂层和/或提高轻金属粉末涂层的紧实度，最后利用搅拌摩擦焊进行轻金属粉末涂层的搅拌摩擦处理。可选的，喷涂沉积完成后的轻金属粉末涂层的温度在100～150℃时进行滚式振动方法处理。可选的，所述的增强粉体选自硼酸铝、SiC、Cr3C2、Cu、Al、Si、Zn和W中的一种或一种以上的混合物，增强粉体的粒度为10～20μm；增强粉体在每层轻金属粉末涂层中的添加量为0.08～0.1g/cm2。可选的，所述轻金属粉末选自Al粉、Mg粉、2024Al合金粉、AlSi10Mg铝合金粉、AZ31镁合金粉和AZ91镁合金粉中的一种或一种以上的混合物，所述的轻金属粉末的粒径是26～45μm；所述基体为Al合金板或Mg合金板。可选的，所述的滚式振动方法中的滚压深度为0.2～0.5mm，振动频率50～100Hz。可选的，所述的冷喷涂沉积累加的喷涂压力为1.5～3.5MPa，喷涂厚度为4.4～4.5mm；所述的搅拌摩擦焊的处理工艺包括：搅拌头的旋转速度为450～750r/min，焊接速度为50～100mm/min，压下量为0.2～0.3mm。为达到本专利技术的第二个目的，一种复合材料，该复合材料采用本专利技术所述的轻金属块体复合材料的制备方法至少一次制备得到。为达到本专利技术的第三个目的，一种轻金属块体复合材料的制备装置，其特征在于，所述的制备装置包括振动碾压构件，所述的振动碾压构件包括依次连接的振动源和碾压轮，碾压轮为带有沿母线方向设置的多个并列凸台的滚轮，所述的碾压轮内为空腔结构，凸台与空腔结构通过针孔连通，振动源为碾压轮提供振动和滚动的动力。可选的，所述的凸台为半圆形凸台，凸台在滚轮上的分布密度为16～17个/cm2。可选的，还包括冷喷构件和搅拌摩擦焊构件，在所述的搅拌摩擦焊构件的轴肩表面设置至少一条阿基米德螺旋线形的搅拌凸台。本专利技术的优点为：本专利技术的一种轻金属块体复合材料的制备方法，适用具有熔点低，密度小，比强度、比刚性高的轻金属材料，实现了轻金属粉末制备复合块体材料的新方法，成本低廉，效率高，可控性好，获得的轻金属块体复合材料内应力小、无缺陷，综合性能优异。附图说明附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：图1为本专利技术装置原理示意图；图2是图1中搅拌头的仰视图；图中各标号表示为：1-压缩气体、2-拉瓦管、3-送粉器、4-喷涂粉末、5-超音速气流、6-基体、7-冷喷涂层、8-工作台、9-喷枪、10-载气、11-驱动电动机、12-传力机构、13-振动活塞、14-碾压轮、15-增强粉体、16-增强粉体存储腔、17-凸台、18-针孔、19-凸台压痕、20-第一腔壁、21-第二腔壁、22-搅拌头、23-夹持部分、24-轴肩、25-搅拌针、26-搅拌凸台；以下结合说明书附图和具体实施方式对本专利技术做具体说明。具体实施方式以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指相应部件轮廓的内和外。结合图1和2，本专利技术可选的制备过程如下：(一)一种冷喷涂沉积累加技术，利用压缩气体1通过拉瓦管2产生超音速气流，通过送粉器3将喷涂粉末4沿轴向送入超音速气流5中，形成气-固双向流，经加速后在完全固态下撞击基体6，发生较大的塑性变形而沉积在基体6表面上形成冷喷涂层7，该技术具有热输入小、加热温度低、颗粒飞行速度高，可有效防止轻金属材料的烧损，降低了喷涂层残余应力，为后续滚式振动填料温碾提供可靠的轻金属颗粒沉积层，喷涂前，采用化学方法清理基体6表面，并将基体6固定在工作台8上，喷涂时，喷枪9采用由左向右，再由右向左的移动顺序喷涂，整个面喷完一层后，再采用垂直于第一层的方向喷涂第二层，依次顺序喷涂三层，每层涂覆层冷却至30～40℃后方可喷涂下层，以防止涂层出现开裂。压缩气体1选为He或N2，喷涂沉积时该两种气体易于加速，载气10温度为200～300℃，此温度有利于增加轻金属粒子喷涂飞行速度，载气10压力为2.0MPa～3.5MPa，喷涂粉末4为采用粒子雾化方法制备Al粉、Mg粉、2024Al合金粉、AlSi10Mg铝合金粉、AZ31镁合金粉和AZ91镁合金粉中的一种或一种以上的混合物，一种或一种以上的粉末的用量和配比可以根据不同的板材的制作目标进行调整，比如，每层涂层的厚度可以为4.4～4.5mm，两种或三种混合粉末按1:1或1:1:1等体积分数配置。喷涂粉末4经300～500目标准筛过筛，使用前在80～100℃下干燥35～50分钟，粉末的精细处理，大大提高了涂层的沉积效率，节约了资源，生产成本降低。基体6为Al或Mg合金板，尺寸为(300～1000)×(300～1000)×(2～4)mm，所述基体6表面经化学清理，喷涂前对基体6喷涂表面先采用HF弱酸洗，再采用NaOH强碱洗的方法进行表面处理。喷涂沉积是在以上所选材料和参数中，选用至少一种粒度为26～45μm的纯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轻金属块体复合材料的制备方法，其特征在于，包括采用冷喷涂沉积累加方法在轻金属基体表面进行轻金属粉末涂层的喷涂沉积，再利用滚式振动方法将增强粉体嵌入轻金属粉末涂层和/或提高轻金属粉末涂层的紧实度，最后利用搅拌摩擦焊进行轻金属粉末涂层的搅拌摩擦处理。

【技术特征摘要】
1.一种轻金属块体复合材料的制备方法，其特征在于，包括采用冷喷涂沉积累加方法在轻金属基体表面进行轻金属粉末涂层的喷涂沉积，再利用滚式振动方法将增强粉体嵌入轻金属粉末涂层和/或提高轻金属粉末涂层的紧实度，最后利用搅拌摩擦焊进行轻金属粉末涂层的搅拌摩擦处理。2.根据权利要求1所述的轻金属块体复合材料的制备方法，其特征在于，喷涂沉积完成后的轻金属粉末涂层的温度在100～150℃时进行滚式振动方法处理。3.根据权利要求1或2所述的轻金属块体复合材料的制备方法，其特征在于，所述的增强粉体选自硼酸铝、SiC、Cr3C2、Cu、Al、Si、Zn和W中的一种或一种以上的混合物，增强粉体的粒度为10～20μm。4.根据权利要求1或2所述的轻金属块体复合材料的制备方法，其特征在于，所述轻金属粉末选自Al粉、Mg粉、2024Al合金粉、AlSi10Mg铝合金粉、AZ31镁合金粉和AZ91镁合金粉中的一种或一种以上的混合物，所述的轻金属粉末的粒径是26～45μm；所述基体为Al合金板或Mg合金板。5.根据权利要求1或2所述的轻金属块体复合材料的制备方法，其特征在于，所述的滚式振动方法中的滚压深度为0.2～0.5mm，振动频率50～100Hz。6.根据权利要求1或2所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文，王洪铎，乔柯，王快社，彭湃，王盈辉，金园园，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，西安石油大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61