(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)合材料的制備工藝。

(二)

背景技術(shù)：

在制備金屬或者金屬陶瓷復(fù)合材料時(shí)，常需要通過將溫度加熱到高熔點(diǎn)組元的熔化溫度以上，再通過冶煉或者鑄造的方法來制備所需要的材料，該方法需要大量的熱能以及高昂的設(shè)備費(fèi)用投入，同時(shí)還難以防止在材料的制備過程中晶粒的異常長大。在通過攪拌鑄造的方法進(jìn)行進(jìn)行材料的制備時(shí)，由于陶瓷和金屬之間的潤濕性較差，使得所制備材料的均勻一致性差。在通過粉末冶金的方法來制備材料時(shí)，其優(yōu)勢是成分容易調(diào)節(jié)，控制準(zhǔn)確，但由于高熔點(diǎn)組元的不易收縮，導(dǎo)致燒結(jié)常常出現(xiàn)大量的孔洞。采用熱壓時(shí)，只能在相對較低的溫度下進(jìn)行，材料的界面結(jié)合強(qiáng)度低，不夠致密，如果溫度較高，達(dá)到甚至超過低熔點(diǎn)組元的融化溫度，液體則常常被擠出模具，導(dǎo)致材料制備失敗。同時(shí)，采用粉末冶金法和熱壓法進(jìn)行材料的制備，難以對高體積分?jǐn)?shù)難熔相材料(陶瓷)進(jìn)行制備，其難熔相材料的體積分?jǐn)?shù)最多達(dá)到55～60％。液相浸滲是人們后來大量采用的方法，這種方法是通過預(yù)先制備出高熔點(diǎn)組元陶瓷的預(yù)制件后，對其進(jìn)行低熔點(diǎn)組元金屬的液相浸滲。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，但其過長的生產(chǎn)周期和高昂的生產(chǎn)成本，使得該方法制備出來的材料價(jià)格昂貴，不利于大規(guī)模的推廣使用。在針對鑄造或者冶煉的方法研究中，以液態(tài)噴射過程中的高速氣流打碎粗大的晶粒，使得沉積的晶粒變小，或者直接噴射低熔點(diǎn)組元液體，加入高熔點(diǎn)組元陶瓷，直接沉積成型得到所需材料的噴射沉積法被提出，以解決在材料制備過程中晶粒異常長大的問題，但該方法的工藝參數(shù)較難控制，直接沉積的過程中會在材料內(nèi)部產(chǎn)生大量的孔洞，該方法制備出來的復(fù)合材料必須通過二次擠壓或者熱等靜壓進(jìn)行進(jìn)一步的致密化，才能得到符合要求的材料，工藝過程復(fù)雜。而且在高體積分?jǐn)?shù)陶瓷的金屬復(fù)合材料的制備過程中，由于難熔組元陶瓷在材料中難以進(jìn)行高致密堆積，而且其通常具有較高的強(qiáng)度，難以被壓縮，即使采用二次擠壓或者熱等靜壓工藝也很難對材料進(jìn)行進(jìn)一步的致密化處理。綜合以上各種工藝方法的優(yōu)缺點(diǎn)，尋求一種經(jīng)濟(jì)可行的實(shí)現(xiàn)制備高體積分?jǐn)?shù)難熔組元復(fù)合材料的工藝方法已經(jīng)成為人們所關(guān)注的焦點(diǎn)。

(三)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠簡單、快速、經(jīng)濟(jì)的進(jìn)行成分中含有高體積分?jǐn)?shù)難熔組元的復(fù)合材料的制備工藝，通過該工藝方法能夠?qū)崿F(xiàn)得到的復(fù)合材料具有較高的堆積密度和材料一致性，并且得到的復(fù)合材料的各組元之間的界面結(jié)合力較高。

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)合材料的制備工藝，包括如下步驟：

(1)取高熔點(diǎn)組元粉末和低熔點(diǎn)金屬組元粉末，混合均勻后得到混合粉末，其中高熔點(diǎn)組元粉末占混合粉末的總體積比的60％～80％，備用；

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

(3)將步驟(2)中裝有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(diǎn)金屬組元熔點(diǎn)以上0～200℃，保溫5～10min；

(4)在步驟(3)中進(jìn)行保溫的過程中，控制模具內(nèi)的壓力在0.5～10hz的頻率下，在0mpa到10～40mpa的壓力范圍內(nèi)進(jìn)行周期性波動(dòng)變化，直至保溫過程結(jié)束；

(5)在步驟(3)保溫結(jié)束后，以2～100℃/min的降溫速率降低至室溫；

(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(shí)施例中，所述的高熔點(diǎn)組元粉末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)明的具體實(shí)施例中，所述的低熔點(diǎn)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。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述的熱壓設(shè)備包括熱壓爐或放電等離子燒結(jié)爐中的任意一種。

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)合材料的制備工藝，能夠簡單、快速、經(jīng)濟(jì)的進(jìn)行成分中含有高體積分?jǐn)?shù)難熔組元的復(fù)合材料的制備工藝，通過該工藝方法能夠?qū)崿F(xiàn)得到的復(fù)合材料具有較高的堆積密度和材料一致性，并且得到的復(fù)合材料的各組元之間的界面結(jié)合力較高。

在粉末冶金中，人們常通過振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)粉料的高堆積密度。在常規(guī)材料制造中，熱鍛也是經(jīng)常被用來作為實(shí)現(xiàn)致密化的一種常規(guī)手段。同時(shí)，熱鍛也具有振動(dòng)的效果。但僅采用振動(dòng)熱壓的方法進(jìn)行復(fù)合材料的制備，由于難以在制備過程中防止高溫液體外滲，同樣會使得制備復(fù)合材料的過程失敗。而類似熱等靜壓的包套結(jié)構(gòu)能夠防止液體溢出，實(shí)現(xiàn)類似熱等靜壓的效果，在難熔組元陶瓷實(shí)現(xiàn)高堆積密度情況下，通過低熔點(diǎn)組元的液態(tài)化實(shí)現(xiàn)浸滲。因此，本工藝方法采用了類似包套的結(jié)構(gòu)進(jìn)行外包覆，然后進(jìn)行熱鍛，再利用壓力的變化模擬實(shí)現(xiàn)模具的振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)模具中高熔點(diǎn)組元粉末的高堆積密度和以及低熔點(diǎn)金屬組元的浸滲過程，最終獲得致密的復(fù)合材料。

在進(jìn)行復(fù)合材料的制備的過程中，在將包套進(jìn)行密封后，可以對包套在10～40mpa的壓力下進(jìn)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(shí)，也使得在從包套中取出制備好的復(fù)合材料時(shí)更加的容易。

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(diǎn)金屬組元和高熔點(diǎn)組元能夠更好的進(jìn)行接觸，在反復(fù)的壓力變化過程中，高熔點(diǎn)組元在這種不斷變化的壓力過程中產(chǎn)生一定的振動(dòng)，并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(diǎn)金屬組元?jiǎng)t可以以液態(tài)的形式侵入到各高熔點(diǎn)組元顆粒之間的空隙中，達(dá)到對高熔點(diǎn)組元浸潤的效果，完成整個(gè)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。

(四)附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)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(shí)施方式

為能清楚說明本方案的技術(shù)特點(diǎn)，下面通過具體實(shí)施方式，并結(jié)合其附圖，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)闡述。

實(shí)施例1：

參見圖1，在本實(shí)施例中，金屬基復(fù)合材料的高熔點(diǎn)組元和低熔點(diǎn)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25:75的體積比，放入混料機(jī)，進(jìn)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，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(jìn)行壓制，并以5℃/min的升溫速率加熱到830℃，保溫5min；

4)在步驟(3)中進(jìn)行保溫的過程中，控制模具內(nèi)的壓力在2hz的頻率下，在0mpa到30mpa的壓力范圍內(nèi)進(jìn)行周期性波動(dòng)變化，直至保溫過程結(jié)束；

5)在步驟(4)保溫結(jié)束后，以10℃/min的降溫速率降溫至室溫；

6)降至室溫后，取出模具內(nèi)材料，獲得所需的金屬基復(fù)合材料alsi75，密度達(dá)到2.4g/cm³。

實(shí)施例2：

參見圖1，在本實(shí)施例中，金屬基復(fù)合材料的高熔點(diǎn)組元和低熔點(diǎn)金屬組元分別采用碳化硅和鋁，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30:70的體積比，放入混料機(jī)，進(jìn)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，在10mpa的壓力下預(yù)壓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35mpa進(jìn)行壓制，并以5℃/min的升溫速率加熱到700℃，保溫5min；

4)在步驟(3)中進(jìn)行保溫的過程中，控制模具內(nèi)的壓力在2hz的頻率下，在0mpa到35mpa的壓力范圍內(nèi)進(jìn)行周期性波動(dòng)變化，直至保溫過程結(jié)束；

5)在步驟(4)保溫結(jié)束后，以10℃/min的降溫速率降溫至室溫；

6)降至室溫后，取出模具內(nèi)材料，獲得所需的金屬基復(fù)合材料alsic70，密度達(dá)到3.03g/cm³。

實(shí)施例3：

參見圖1，在本實(shí)施例中，金屬基復(fù)合材料的高熔點(diǎn)組元和低熔點(diǎn)金屬組元分別采用鎢和銅，其制備方法如下：

1)取制備材料所需的銅粉與鎢粉按照35:65的體積比，放入混料機(jī)，進(jìn)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，在30mpa的壓力下預(yù)壓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35mpa進(jìn)行壓制，并以5℃/min的升溫速率加熱到1150℃，保溫5min；

4)在步驟(3)中進(jìn)行保溫的過程中，控制模具內(nèi)的壓力在5hz的頻率下，在0mpa到35mpa的壓力范圍內(nèi)進(jìn)行周期性波動(dòng)變化，直至保溫過程結(jié)束；

5)在步驟(4)保溫結(jié)束后，以10℃/min的降溫速率降溫至室溫；

6)降至室溫后，取出模具內(nèi)材料，獲得所需的金屬基復(fù)合材料cuw80，密度達(dá)到15.4g/cm³。

實(shí)施例4：

參見圖1，在本實(shí)施例中，金屬基復(fù)合材料的高熔點(diǎn)組元采用硅和碳化硅，低熔點(diǎn)金屬組元采用鋁，其制備方法如下：

1)取制備材料所需的鋁粉、硅粉和碳化硅粉末按照25:5:70的體積比，放入混料機(jī)，進(jìn)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，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20mpa進(jìn)行壓制，并以5℃/min的升溫速率加熱到750℃，保溫5min；

4)在步驟(3)中進(jìn)行保溫的過程中，控制模具內(nèi)的壓力在3hz的頻率下，在0mpa到20mpa的壓力范圍內(nèi)進(jìn)行周期性波動(dòng)變化，直至保溫過程結(jié)束；

5)在步驟(4)保溫結(jié)束后，以10℃/min的降溫速率降溫至室溫；

6)降至室溫后，取出模具內(nèi)材料，獲得所需的金屬基復(fù)合材料alsi5cu70，密度達(dá)到3.0g/cm³。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)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(hù)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)。