一种金属基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种金属基复合材料的制备方法，首先准备不同的送粉器以及加热器，与对应喷枪相连接；将粉末装入送粉器后，打开气阀，向送粉器中通入高压工作气体，高压气体携带粒子进入喷枪，同时工作气体通入加热器，不同粉末被加热至适当温度，从喷嘴中喷出，共同沉积到基体上，形成涂层，若连续喷涂可形成块材。本发明专利技术解决了如何制备熔点不同的复合材料。不同熔点的粒子在各自喷枪内，已经达到了其最佳的喷涂参数，有助于实现性能更佳的涂层的制备。改变送粉器参数可实时改变送粉速率，调节复合材料的成分。

【技术实现步骤摘要】
一种金属基复合材料的制备方法
本专利技术属于材料工程与表面工程领域，涉及一种金属基复合材料的制备方法，主要适用于高性能颗粒增强金属基复合材料涂层或块体材料的成形制备，具体地说是一种同时加速多束粒子实现异种粉末材料有效共沉积的技术，以提供高质量复合材料的制备方法。
技术介绍
随着现代工业及高科技产业的发展，单一成分及结构材料难以满足日益提高的使用要求。复合材料往往由两种或两种以上材料组合而成，它可以发挥出各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，从而改善性能，是国家战略规划中新材料领域重点发展方向之一。纯金属(如Al、Mg、Cu)有良好的塑性；氧化物、碳化物、氮化物等陶瓷(如SiC、Al2O3、TiC、TiB2)具备较高的硬度，将这二者结合在一起形成的金属基复合材料可同时具备较高的强度和良好的耐磨性。目前，复合材料大体分为纤维增强和颗粒增强两大类。颗粒增强复合材料因其密度低、尺寸稳定、耐磨性好等优点，具备良好的发展前景。目前工业常用颗粒增强金属基复合材料制备方法有粉末冶金、铸造、喷射沉积、热喷涂法等。然而，高温是上述制备方法的一个共同特点，这可能会带来氧化、相变、界面反应、熔化/凝固等缺陷负面影响。近年来出现另外一种方法，它是在固相温度范围内，把粒子加速到特定的临界速度，通过粒子与基体碰撞产生剧烈塑性变形后沉积来制备复合材料。该方法沉积的复合涂层在强度、耐磨性、耐蚀性及耐冲蚀性等方面表现出不同程度的优势，具备在固态下快速获得致密涂层的能力。对于复合材料制备方法而言，既要满足增强体在基体材料中的含量、分布要求，又要使得基体材料与强化相有较好的结合。但是该种固相技术制备复合材料时，往往采用机械混合或球磨等方式将不同材料进行混合(如中国专利101285187)，然后再放入设备中进行制备。这种方式制备的复合材料可以有效增加颗粒相的沉积效率，但是改变复合材料的成分则需要重新进行材料混合，导致成分难以控制。另外，混合后的粉末在同一温度进行制备，这就导致某些材料难以达到最佳的沉积温度，增强体与基体材料之间的结合难以达到最优，造成复合材料性能下降。大量研究结果与团队前期专利技术(如中国专利101285187，106367749A，202877077U)均表明，现阶段所制备的金属基复合材料的难以满足关键场合强度和塑性的要求，尤其是塑/韧性差，极大地限制了应用。因此，开发一种便捷、强度高、塑/韧性好的复合材料制备方法将非常有工程应用价值。不仅能够缩短复合材料的制备时间，还可以提高复合材料的性能。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种金属基复合材料的制备方法，解决的技术问题是实现高质量的金属基复合材料块体/涂层的制备，同时可将不同材料加热至适宜温度，从而制备结合强度高、韧/塑性好的复合材料。技术方案一种金属基复合材料的制备方法，其特征在于：多束共沉积法，需要多个送粉器与喷枪组成多路送粉路径，高压气源提供工作气体及送粉气体，工作气体分别进入不同的加热器，将高压工作气体加热至一定温度后流入不同的喷枪，为粒子加速提供动力；送粉气体流入不同送粉器后携带不同粉末进入对应的喷枪，多路粉末分别在各自喷枪内被加热和加速，从喷枪出口喷出后分别高速撞击在基体上，发生剧烈塑性变形并最终在基体上沉积形成复合材料或涂层。所述喷枪的喷嘴为收缩-扩张式拉瓦尔喷嘴。所述各个送粉器分别调节和控制粉末的送入量，从而调节所制备材料中成分组成比例；同时将不同材料的沉积率耦合入送粉函数，从而精确控制复合材料中的成分。所述高压气源采用空气压缩机或高压气瓶。所述工作气体采用氮气、氦气、压缩空气或它们的混合气体。所述工作气体加热温度不超过材料和基体的熔点。所述送粉气体的压力高于工作气体的压力。所述工作气体压力在1.0～10.0MPa之间。有益效果本专利技术提出的一种金属基复合材料的制备方法，首先准备不同的送粉器以及加热器，与对应喷枪相连接；将粉末装入送粉器后，打开气阀，向送粉器中通入高压工作气体，高压气体携带粒子进入喷枪，同时工作气体通入加热器，不同粉末被加热至适当温度，从喷嘴中喷出，共同沉积到基体上，形成涂层，若连续喷涂可形成块材。本专利技术解决了如何制备熔点不同的复合材料。不同熔点的粒子在各自喷枪内，已经达到了其最佳的喷涂参数，有助于实现性能更佳的涂层的制备。改变送粉器参数可实时改变送粉速率，调节复合材料的成分。该方法中喷涂枪的内流道设计基于空气动力学原理，采用收缩-扩张型喷管，通过FLUENT软件优化，在气体条件一定的条件下，可获得较高的粒子速度，有利于颗粒沉积。该方法不仅可以用于制备金属-陶瓷类复合材料，还可以用于制备多种金属-金属类合金材料。附图说明图1为本专利技术的复合涂层制备方法示意图图2为双束喷枪示意图附图标记说明：粉末A、粉末B可以分别为金属粒子、陶瓷粒子等不同材料喷枪A、喷枪B分别为针对粉末A、粉末B喷涂优化的喷枪θ为两喷枪之间的夹角，可以为5～30°图3为本专利技术实施例：2024铝合金/Al2O3复合材料截面光镜组织图4为本专利技术实施例：Cu/W复合材料截面光镜组织具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：实施例：按照图1所示，连接设备，将喷枪、加热器、送粉器和高压气源连接好。喷枪呈一定角度θ(图2)，放置在距离基体10～50mm处，两喷枪之间的角度可以按需求设置。在送粉器A种加入陶瓷材料A，在送粉器B中加入金属材料B。然后打开高压气源开关，设置加热器A的工作压力为P1，送粉器A的送粉压力为P2；加热器的工作压力为P3，送粉器B的送粉压力为P4。设置加热器温度，其中加热器A温度设置为T1，加热器B温度设置为T2，当加热器温度均达到要求后，启动送粉程序，开始制备复合材料。上述步骤中，工作气体和送粉气体可选择压缩空气、氮气、氦气或它们的混合气体，气体压力P1～P4可在1.0～10.0MPa，送粉气体压力P2和P4应分别略大于P1和P3。工作气体及送粉气体混合后在喷枪内形成超音速气流，拖曳粒子高速运动，最后碰撞沉积于基体上或已制备复合材料上。上述步骤中，喷枪A和喷枪B收缩扩张流道采用计算流体动力学的方法进行优化设计，以提高粒子速度。上述步骤中，不同加热器的温度根据粒子材料熔点分别设定，一般为室温～1000℃之间，同时要低于喷涂材料熔点。上述步骤中，所制备复合材料厚度可以由实际需求确定，一般厚度在100～1000μm之间。上述步骤中，不同通道的参数可以由具体材料需要作出一定更改，两喷枪之间角度也可以由实际情况确定。尽管上述描述给出的是两路共沉积制备复合材料的方法，本专利技术完全可用于三路及以上多路共沉积实现质量良好的复合材料制备。实施例：本实施例的处理方法包括以下步骤：(1)选取用ZM5镁合金板(100mm×100mm×3mm)作为基体材料，使用喷砂机对进行基体表面进行喷砂处理，去除基体表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属基复合材料的制备方法，其特征在于：多束共沉积法，需要多个送粉器与喷枪组成多路送粉路径，高压气源提供工作气体及送粉气体，工作气体分别进入不同的加热器，将高压工作气体加热至一定温度后流入不同的喷枪，为粒子加速提供动力；送粉气体流入不同送粉器后携带不同粉末进入对应的喷枪，多路粉末分别在各自喷枪内被加热和加速，从喷枪出口喷出后分别高速撞击在基体上，发生剧烈塑性变形并最终在基体上沉积形成复合材料或涂层。/n

【技术特征摘要】
1.一种金属基复合材料的制备方法，其特征在于：多束共沉积法，需要多个送粉器与喷枪组成多路送粉路径，高压气源提供工作气体及送粉气体，工作气体分别进入不同的加热器，将高压工作气体加热至一定温度后流入不同的喷枪，为粒子加速提供动力；送粉气体流入不同送粉器后携带不同粉末进入对应的喷枪，多路粉末分别在各自喷枪内被加热和加速，从喷枪出口喷出后分别高速撞击在基体上，发生剧烈塑性变形并最终在基体上沉积形成复合材料或涂层。


2.根据权利要求1所述金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述喷枪的喷嘴为收缩-扩张式拉瓦尔喷嘴。


3.根据权利要求1所述金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述各个送粉器分别调节和控制粉末的送入量，从而调节所制备材料中成分组成比例；同时将不同...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文亚，吴东，胡凯玮，杨康，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61