(一)技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及復(fù)合材料制備領(lǐng)域，特別是涉及一種金屬基復(fù)合材料的制備方法。

(二)

背景技術(shù)：

通常情況下，制備合金或者金屬基復(fù)合材料需要加熱到高熔點組元的熔化溫度以上，通過冶煉或者鑄造的方法制得所需要的材料，這種方法需要大量的熱能和高的設(shè)備投入，難以防止晶粒的異常長大。后來，人們通過粉末冶金的方法來進行材料的制備，其優(yōu)勢是成分容易調(diào)節(jié)，控制準確；缺點是由于高熔點組元的不易收縮，導(dǎo)致燒結(jié)得到的產(chǎn)品常常出現(xiàn)大量的孔洞結(jié)構(gòu)。而在采用熱壓時，通常只能在相對較低的溫度下進行，材料的界面結(jié)合強度低，不夠致密；而如果溫度較高，達到甚至超過低熔點金屬組元的融化溫度，液體常常被擠出模具，導(dǎo)致材料制備失敗。液相浸滲也是人們后來大量采用的方法，通過制備出高熔點組元的預(yù)制件，然后對其進行低熔點金屬組元的液相浸滲。液相浸滲基本能夠制備出滿足要求的材料或者復(fù)合材料，但其較長的生產(chǎn)周期和較高的生產(chǎn)成本，使得該方法制備出來的材料價格昂貴。

針對鑄造或者冶煉過程中晶粒異常長大的問題，也經(jīng)常采用噴射沉積法來解決，在液態(tài)噴射過程中高速氣流會將粗大的晶粒打碎，使得沉積的晶粒變?。换蛘咧苯訃娚涞腿埸c金屬組元液體，加入高熔點組元，直接沉積成型所需要的材料，該方法工藝參數(shù)較難控制，直接沉積會有大量的孔洞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，該方法制備出來的材料必須通過二次擠壓或者熱等靜壓進行致密化，工藝復(fù)雜。而二次擠壓或者熱等靜壓采用的溫度相對較低，在進行操作的過程中，材料處于固態(tài)。熱等靜壓雖然設(shè)備昂貴，但該方法通過加高壓制備出來的材料致密化程度高，材料一致性較好。

(三)

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠以低成本實現(xiàn)制備所得的復(fù)合材料致密化程度高、材料一致性好，各組元之間的界面的結(jié)合力較高，并具有簡單、快速、經(jīng)濟的金屬基復(fù)合材料的制備方法。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種金屬基復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)取高熔點組元粉末和低熔點金屬組元粉末，混合均勻后得到混合粉末，其中高熔點組元占混合粉末的總體積比的40％～60％，備用；

(2)將步驟(1)制得的混合粉末裝入一端封閉的包套中，封閉包套另一端，將包套裝入模具內(nèi)；

(3)將步驟(2)裝入包套的模具放入熱壓設(shè)備中，加壓至10～40mpa，以2～100℃/min的升溫速率升溫到低熔點金屬組元熔點以下10～150℃，保溫5min；

(4)在步驟(3)保溫結(jié)束后，以2～100℃/min的升溫速率升溫至低熔點金屬組元熔點以上0～100℃，同時降低壓力，降低壓力后熱壓設(shè)備內(nèi)的壓力保持在1～40mpa，保溫1～10min；

(5)在步驟(4)保溫結(jié)束后，以2～100℃/min的降溫速率降低至室溫；當(dāng)降溫至低熔點金屬組元熔點以下10～150℃時，提高壓力，使得熱壓設(shè)備內(nèi)的壓力保持在10～40mpa；

(6)在步驟(5)結(jié)束以后，開爐，從模具中取出包套，再從包套中取出樣品，獲得所需的金屬基復(fù)合材料。

在本發(fā)明的具體實施例中，所述的高熔點組元包括碳化硼陶瓷粉末、碳化硅陶瓷粉末、碳化鋯陶瓷粉末、碳化鈦陶瓷粉末、氮化鈦陶瓷粉末、氮化鋯陶瓷粉末、硅粉或鎢粉中的一種或者其中兩兩組分的相互結(jié)合。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述的低熔點金屬組元包括鋁、銅、鎂、鋁合金、鎂合金或銅合金中的任意一種。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明提供了一種金屬基復(fù)合材料的制備方法，能夠以低成本實現(xiàn)制備所得的復(fù)合材料致密化程度高、材料一致性好，各組元之間的界面的結(jié)合力較高，并具有簡單、快速、經(jīng)濟的金屬基復(fù)合材料的制備方法。

本方法綜合了熱壓和熱等靜壓的優(yōu)勢，能夠同時實現(xiàn)熱壓和熱等靜壓的效果。在制備過程中，先期快速加熱，并保溫一段時間，使得高低熔點金屬組元溫度都趨近低熔點金屬組元的熔點，再加熱至低熔點金屬組元的熔點溫度以上，低熔點金屬組元液化；由于低熔點金屬組元液化，加上一定的壓力，通過液體傳遞，能夠?qū)崿F(xiàn)熱等靜壓的效果。包套能夠防止處于液態(tài)的低熔點金屬組元的金屬液溢出，同時，組元液態(tài)化也能夠使得材料界面間具有較高的結(jié)合力，密閉的包套結(jié)構(gòu)空間也為液固態(tài)的結(jié)合提供了一個前提。因此，采用這一方法能夠獲得致密的金屬基復(fù)合材料，并且制得的材料的一致性好。同時，該方法具有簡單、快速、經(jīng)濟的特性。

包套的結(jié)構(gòu)特性使得在制備過程中，分別處于液態(tài)和固態(tài)的低熔點金屬組元和高熔點組元能夠更好的進行接觸；在粉末顆粒相互之間的作用下，造成堆積效應(yīng)，而被包套所包裹，無法溢出的液態(tài)的低熔點金屬組元則可以以液態(tài)的形式侵入到各高熔點組元顆粒之間的空隙中，達到對高熔點組元浸潤的效果，完成整個工藝中最重要的液固態(tài)互相浸潤的過程，使得最終獲得的復(fù)合材料具有更好的材料一致性，也在一定程度上影響了制得的復(fù)合材料最終的致密程度以及密度特性。

在進行復(fù)合材料的制備的過程中，在將包套進行密封后，可以對包套在10～40mpa的壓力下進行5～10min的預(yù)壓操作，能夠更好的制備得到致密的復(fù)合材料。

在制備過程中，可以在包套內(nèi)墊設(shè)一層石墨紙，在保證了熱量傳導(dǎo)的均勻性的同時，也使得在從包套中取出制備好的復(fù)合材料時更加的容易。

采用本方法不需要使用熱等靜壓設(shè)備，只需要常規(guī)熱壓爐即可實現(xiàn)熱等靜壓的效果，能夠高效、高質(zhì)量地制備組元具有高低熔點差異的合金或者金屬基復(fù)合材料。

當(dāng)然，實施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時達到以上所述的所有優(yōu)點。

(四)附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。

圖1是本發(fā)明模具與包套的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1、模具，2、塞子，3、包套，4、石墨紙，5、混合粉末。

(五)具體實施方式

針對現(xiàn)有技術(shù)在進行復(fù)合材料的制備的過程中，如果采用熱等靜壓設(shè)備，則存在價格高昂；如果不采用熱等靜壓設(shè)備在，則制備的材料存在具有孔洞結(jié)構(gòu)、材料一致性差的缺陷，本發(fā)明提供了一種金屬基復(fù)合材料的制備方法，下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進一步的描述。

實施例1:

參見圖1，本實施例中的金屬基復(fù)合材料的高熔點組元和低熔點金屬組元分別采用硅粉和鋁粉，其制備方法如下：

1)取制備材料所需的鋁粉與硅粉按照1:1的體積比，放入混料機，進行混料，得混合粉末5，備用；

2)將步驟(1)制得的混合粉末5裝入薄壁不銹鋼包套3中，包套3的一端以不銹鋼薄板焊接封閉；包套3內(nèi)部內(nèi)襯石墨紙4，預(yù)壓20mpa，5min，然后用比包套3內(nèi)徑略大的塞子2塞住封閉包套3的另一端，裝入模具1內(nèi)；

3)將步驟(2)裝入薄壁不銹鋼包套3的模具1放入熱壓爐中，加壓至30mpa進行壓制，并以5℃/min的升溫速率加熱到530℃，保溫5min；

4)降低壓力至10mpa，以5℃/min的升溫速率升溫至690℃，保溫保壓5min；

5)在步驟(4)保溫結(jié)束后，以10℃/min的降溫速率降溫至室溫；在溫度降至540℃時，加壓至40mpa，保持該壓力到溫度降低至室溫為止；

6)降溫取出模具內(nèi)材料，獲得所需的金屬基復(fù)合材料alsi50，密度達到2.51g/cm³。

實施例2:

參見圖1，本實施例中的金屬基復(fù)合材料的高熔點組元和低熔點金屬組元分別采用碳化硅粉末和鋁粉，其制備方法如下：

1)取制備材料所需的鋁粉與碳化硅粉末按照45:55的體積比，放入混料機，進行混料，得混合粉末5，備用；

2)將步驟(1)制得的混合粉末5裝入薄壁碳鋼包套3，包套3一端用不銹鋼薄板焊接封閉，包套3內(nèi)部內(nèi)襯石墨紙4，然后用比包套內(nèi)徑略大的塞子2塞住封閉包套另一端，裝入模具1內(nèi)；

3)將步驟(2)裝入薄壁不銹鋼包套的模具1放入熱壓爐，加壓至30mpa，以5℃/min的升溫速率加熱至630℃，保溫5min；

4)降低壓力至5mpa，以5℃/min的升溫速率升溫到700℃，保溫保壓5min；

5)在步驟(4)保溫結(jié)束，以10℃/min的降溫速率降溫至室溫；當(dāng)溫度降至600℃時，加壓至40mpa，保持該壓力到溫度降低至室溫為止；

6)降溫取出模具內(nèi)材料，獲得所需的金屬基復(fù)合材料alsic55，密度達到2.97g/cm³。

實施例3:

參見圖1，本實施例中的金屬基復(fù)合材料的高熔點組元和低熔點金屬組元分別采用鎢粉和銅粉，其制備方法如下：

1)取制備材料所需的鎢粉與銅粉按照52:48的體積比，放入混料機，進行混料，得混合粉末5，備用；

2)將步驟(1)制得的混合粉末5裝入薄壁不銹鋼鋼包套3，包套3一端用不銹鋼薄板焊接封閉，包套3內(nèi)部內(nèi)襯石墨紙4，在30mpa下預(yù)壓5min，然后用比包套內(nèi)徑略大的塞子塞住封閉包套另一端，裝入模具1內(nèi)；

3)將步驟(2)裝入薄壁不銹鋼包套的模具1放入熱壓爐，加壓至30mpa，以10℃/min升溫速率加熱到950℃，保溫5min；

4)降低壓力至10mpa，以5℃/min的升溫速率升溫至1100℃，保溫保壓5min；

5)在步驟(4)保溫結(jié)束，以20℃/min的降溫速率降溫至室溫；當(dāng)溫度降低至950℃時，加壓至40mpa，保持該壓力到溫度降低至室溫為止；

6)降溫取出模具內(nèi)材料，獲得所需的金屬基復(fù)合材料w70cu，密度達到14.2g/cm³。

實施例4:

參見圖1，本實施例中的金屬基復(fù)合材料的高熔點組元和低熔點金屬組元分別采用硅粉、碳化硅粉末和鋁粉，其制備方法如下：

1)取制備材料所需的鋁粉、硅粉、碳化硅粉末按照45:5：50的體積比，放入混料機，進行混料，得混合粉末5，備用；

2)將步驟(1)制得的混合粉末5裝入薄壁碳鋼包套3，包套3一端用不銹鋼薄板焊接封閉，包套3內(nèi)部內(nèi)襯石墨紙4，預(yù)壓20mpa，5min，然后用比包套內(nèi)徑略大的塞子2塞住封閉包套另一端，裝入模具1內(nèi)；

3)將步驟(2)裝入薄壁不銹鋼包套的模具1放入熱壓爐，加壓至30mpa，以10℃/min的升溫速率加熱到530℃，保溫5min；

4)降低壓力至3mpa，以5℃/min的升溫速率升溫到700℃，保溫保壓5min；

5)在步驟(4)保溫結(jié)束，以10℃/min的降溫速率降溫到540℃，加壓至40mpa，一直保持到溫度降低到室溫左右；

6)降溫取出模具內(nèi)材料，獲得所需的金屬基復(fù)合材料alsi5sic50，密度達到2.92g/cm³。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。本發(fā)明未詳述之處，均為本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。