一种柔性颗粒增强金属基复合材料的制备方法技术

一种柔性颗粒增强金属基复合材料的制备方法，它涉及金属基复合材料制备发方法。本发明专利技术旨在针对高性能金属基复合材料复杂结构零件的增强相的选取及制备中出现的问题，本发明专利技术的增强相选用柔性颗粒(钨、铌、钽、钒、锆等单质金属以及金属化合物)，金属基体为铝、钛、镍、铁、铜、镁等纯金属或者合金中的一种或多种。在金属基复合材料制备中，柔性颗粒表面与金属基体发生反应，使二者较好的结合；柔性颗粒在熔池中作为形核质点，有利于进一步细化晶粒尺寸；同时，柔性颗粒具有较好的韧性，在金属基体中均匀分布，可有效承受外部载荷及参与塑性变形，显著提高材料强度的同时进一步提升复合材料的韧性及抑制开裂能力。本发明专利技术应用于材料加工工程领域。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性颗粒增强金属基复合材料的制备方法
本专利技术涉及一种柔性颗粒增强金属基复合材料的制备方法，属于材料加工工程领域。
技术介绍
金属基复合材料由于其比强度高、耐磨性好，同时又兼具导热导电、热膨胀系数小、阻尼性好等一系列优势，被广泛应用于航空航天、汽车工业以及石油化工等领域。金属基复合材料是以金属及合金为基体，以一种或几种金属、非金属增强相互相结合而成的复合材料。按其增强相的不同，主要分为纤维增强、晶须增强和颗粒增强金属基复合材料三种。其中，颗粒增强金属基复合材料由于其组成范围广、成产工艺简单、成本较低、容易批量生产等优势，相比于纤维增强及晶须增强金属基复合材料，颗粒增强金属基复合材料具有更广阔的市场应用前景。对于颗粒增强金属基复合材料来说，其增强相一般为TiB2、TiC、SiC、Si3N4、Al2O3、B4C等硬质陶瓷颗粒，目前针对柔性颗粒增强的金属基复合材料制备鲜有报道。由于硬质陶瓷颗粒熔点较高，且自身热膨胀系数与金属材料存在较大差异，这就造成采用陶瓷颗粒制备金属基复合材料存在一系列问题：(1)增强相与基体材料之间界面反应不充分，使复合材料的界面效应、混杂效应和复合效应无法充分发挥。(2)颗粒与基体的润湿性较差，容易产生气孔，造成材料的强度及使用寿命降低。(3)陶瓷颗粒的塑性韧性较差，降低金属基复合材料整体的塑性变形能力。金属基复合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决于金属基复合材料的制备方法和和工艺。金属基复合材的传统制备方法主要有粉末冶金复合法、铸造凝固成型法、喷射成形法、叠层复合法以及原位生成复合法。目前制备颗粒增强金属基复合材料方法主要集中于球磨混粉后压实得到预制坯，真空烧结后得到(如专利201610144500.1)；层叠技术将熔融状态的金属与陶瓷颗粒结合，逐层叠加直至得到指定厚度的颗粒增强金属基复合材料(如专利201010588884.9)；及金属粉末与硬质相颗粒球磨混合后，采用冷喷涂+热处理的方法得到颗粒增强金属基复合材料(如专利201611037038.1)。虽然目前已经研制出不少制造方法和工艺，但使用上述工艺制备金属基复合材料存在以下问题：增强颗粒在金属基体中分布不均匀，造成不同区域材料组织性能存在差异，难以满足复合材料结构和强度的要求；对于复杂结构部件而言，上述方法制造出来的零件形状简单，结构单一，无法一次制造出接近最终产品的零件，需要后续加工，生产成本较高。因此研究发展高效新颖的金属基复合材料制造方法一直是金属基复合材料研究中最关注的问题。采用激光选区熔化(SLM)工艺可在保证工件的成形精度的同时实现近净成形，显著降低材料浪费及能源消耗。同时，基于SLM熔池急速冷却的特性，可显著细化成形零件的晶粒尺寸，相比于其他方法，SLM成形的结构部件具有更高的力学性能。
技术实现思路
本专利技术旨在针对高性能金属基复合材料复杂结构零件的增强相的选取及制备中出现的上述问题，提出一种新方法——柔性颗粒增强金属基复合材料的激光选区熔化制备方法。本专利技术的一种柔性颗粒增强金属基复合材料的制备方法，它包以下步骤：步骤一:将金属粉末与柔性颗粒介质混合后，得混合粉末并装入研磨罐，并放入研磨球，在惰性气体保护条件下，进行干混或湿混，混粉时间为1-24h；其中，研磨球直径1-10mm；研磨球与混合粉末的质量比为1～10：1；柔性颗粒介质的加入量不超过金属粉末与柔性颗粒介质总质量的40％；步骤二:将混合粉末在负压的空气气氛下，或在常的压保护气氛下条件下进行烘干，烘干温度为353-393K，烘干时间为1-24h；步骤三:采用激光增材工艺制备金属基复合材料，激光选区熔化参数：激光功率为80-1000W，扫描速度为200mm/s-7000mm/s，层厚为25-100μm，基板温度为25-500℃，扫描间距为50-150μm，保护气选择氩气，氧气及水分的总含量小于1PPM；扫描策略：往复式扫描或单向扫描，层层转换角度；步骤四:对步骤三制备的金属基复合材料进行表面打磨或喷砂处理，即完成所述的柔性颗粒增强金属基复合材料的制备。本专利技术的增强相选用柔性颗粒(钨、铌、钽、钒、锆等单质金属以及金属化合物)，金属基体为铝、钛、镍、铁、铜、镁等纯金属或者合金中的一种或多种。在金属基复合材料制备过程中，柔性颗粒表面可与金属基体发生反应，使二者较好的结合；柔性颗粒在熔池中可作为形核质点，有利于进一步细化晶粒尺寸；同时，柔性颗粒具有较好的韧性，在金属基体中均匀分布，可有效承受外部载荷及参与塑性变形，显著提高材料强度的同时进一步提升复合材料的韧性及抑制开裂能力。本专利技术旨在制备高强高韧的复杂结构金属基复合材料构件，颗粒比重小于40％。首先选用粒度大小20-50nm的柔性颗粒介质(钨、铌、钽、钒、锆等单质金属以及金属化合物)与金属粉末进行机械混合，使柔性纳米颗粒均匀的分布在基体粉末的表面。然后对混合粉末进行干燥处理并将其转入激光选区熔化的设备中，并对打印零件模型输入及切片处理，根据切片的二维形貌信息对粉末进行层层熔化成形，取出得到成形零件后在对其表面进行喷砂处理，最后得到零件成品。在SLM过程中，由于激光能量密度较高，柔性颗粒收到激光辐照会发生部分熔融，有利于其与金属基体的结合。本专利技术的工艺流程图如图1所示。本专利技术相比于传统硬质陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法主要有以下几点优势：1、相比于硬质陶瓷颗粒增强金属基复合材料，采用柔性颗粒介质可有效消除增强颗粒与金属基体润湿不良及内部缺陷。2、柔性颗粒韧性好且可与基体金属发生反应，使颗粒与金属基体较高的结合力，使构件具有较高强度、塑性的同时又兼具良好的疲劳性能。3、相比于传统金属基材料制备方法，所得零件的组织细小，增强相在基体分布均匀，可一次成形复杂结构部件，同时保证成形零件具有较高尺寸精度。附图说明图1为本专利技术柔性颗粒增强金属基复合材料制备工艺流程图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的一种柔性颗粒增强金属基复合材料的制备方法，它包以下步骤：步骤一:将金属粉末与柔性颗粒介质混合后，得混合粉末并装入研磨罐，并放入研磨球，在惰性气体保护条件下，进行干混或湿混，混粉时间为1-24h；其中，研磨球直径1-10mm；研磨球与混合粉末的质量比为1：1～10：1；柔性颗粒介质的加入量不超过金属粉末与柔性颗粒介质总质量的40％；步骤二:将混合粉末在负压的空气气氛下，或在常的压保护气氛下条件下进行烘干，烘干温度为353-393K，烘干时间为1-24h；步骤三:采用激光增材工艺制备金属基复合材料，激光选区熔化参数：激光功率为80-1000W，扫描速度为200mm/s-7000mm/s，层厚为25-100μm，基板温度为25-500℃，扫描间距为50-150μm，成形仓内保护气选择氩气，仓内氧气及水分含量小于1PPM；扫描策略：往复式扫描或单向扫描，层层转换角度；步骤四:对步骤三制备的金属基复合材料进行表面打磨或喷砂处理，即完成所述的柔性颗粒增强金属基复合材料的制备。本实施方式的金属粉末与柔性颗粒介质质量比并不局限于本实施方式所限定的上述参数，在本实施方式所给出的条件范围内的任意数值组合均落入本专利技术的保护范围内。本实施方式的研磨球与混合粉末的质量比并不局限于本实施方式所限定的上述参数，在本实施方式所给出的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于它包以下步骤：步骤一:将金属粉末与柔性颗粒介质混合后，得混合粉末并装入研磨罐，并放入研磨球，在惰性气体保护条件下，进行干混或湿混，混粉时间为1‑24h；其中，研磨球直径1‑10mm；研磨球与混合粉末的质量比为1～10：1；柔性颗粒介质的加入量不超过金属粉末与柔性颗粒介质总质量的40％；步骤二:将混合粉末在负压的空气气氛下，或在常的压保护气氛下条件下进行烘干，烘干温度为353‑393K，烘干时间为1‑24h；步骤三:采用激光增材工艺制备金属基复合材料，激光选区熔化参数：激光功率为80‑1000W，扫描速度为200mm/s‑7000mm/s，层厚为25‑100μm，基板温度为25‑500℃，扫描间距为50‑150μm，保护气选择氩气，氧气及水分的总含量小于1PPM；扫描策略：往复式扫描或单向扫描，层层转换角度；步骤四:对步骤三制备的金属基复合材料进行表面打磨或喷砂处理，即完成所述的柔性颗粒增强金属基复合材料的制备。

【技术特征摘要】
1.一种柔性颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于它包以下步骤：步骤一:将金属粉末与柔性颗粒介质混合后，得混合粉末并装入研磨罐，并放入研磨球，在惰性气体保护条件下，进行干混或湿混，混粉时间为1-24h；其中，研磨球直径1-10mm；研磨球与混合粉末的质量比为1～10：1；柔性颗粒介质的加入量不超过金属粉末与柔性颗粒介质总质量的40％；步骤二:将混合粉末在负压的空气气氛下，或在常的压保护气氛下条件下进行烘干，烘干温度为353-393K，烘干时间为1-24h；步骤三:采用激光增材工艺制备金属基复合材料，激光选区熔化参数：激光功率为80-1000W，扫描速度为200mm/s-7000mm/s，层厚为25-100μm，基板温度为25-500℃，扫描间距为50-150μm，保护气选择氩气，氧气及水分的总含量小于1PPM；扫描策略：往复式扫描或单向扫描，层层转换角度；步骤四:对步骤三制备的金属基复合材料进行表面打磨或喷砂处理，即完成所述的柔性颗粒增强金属基复合材料的制备。2.根据权利要求1所述的一种柔性颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于金属粉末的粒径为15-70μm。3.根据权利要求1所述的一种柔性颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于柔性颗粒介质的粒径为20-50nm。4.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷正龙，毕江，黎炳蔚，陈曦，陈彦宾，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23