[发明专利]一种基体为纳米叠层结构的金属基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属基复合材料技术领域，具体是一种基体为纳米叠层结构的陶瓷颗粒增强金属基复合材料及其片状粉末冶金制备方法。

背景技术

颗粒增强金属基复合材料具有高的比强度、比模量以及高导热、低膨胀、高耐磨、中子吸收等功能，在航空、航天、汽车、机械、电子和核工业等领域得到了广泛的应用。但增强体的加入使金属基复合材料的塑韧性明显降低，呈现整体脆性，导致材料变形加工困难、制备成本高、服役安全性低等问题，严重地制约了其实际应用的进一步扩大。因此，改善颗粒增强金属基复合材料，尤其是中高体积分数陶瓷颗粒增强金属基复合材料的塑韧性，是金属基复合材料领域亟待解决的关键问题。造成颗粒增强金属基复合材料塑韧性低的主要因素包括以下两个方面：1)陶瓷颗粒增强体和金属基体之间存在热失配和模量失配，使基体处于高度的加工硬化状态，导致基体塑变能力降低、缺陷敏感性增加。2)在变形过程中，增强体对基体塑性变形有阻碍作用，易导致局部应力集中、裂纹萌生并在基体中迅速扩展。为此，许多科学家通过调控增强体使之在金属基体中呈现非均匀空间分布，从而将金属基复合材料的微观组织分隔为脆性区(富含增强体)和韧性区(不含增强体)，通过韧性区的变形及其对裂纹的偏转、钝化和吸收实现能量耗散，从而达到提高金属基复合材料韧性的目的。大体上，这一类方法可统称之为“韧性区韧化”，或者“结构韧化”方法，常见的结构形式有：同心环状结构、藕状多芯结构、层状结构和梯度结构等。

经过对现有技术文献的检索发现，文献“Laminated particulate-reinforced aluminum composites with improved toughness”(韧性得到改善的分层结构颗粒增强铝基复合材料)(Acta Materialia.49(2001)405-417)采用粉末冶金工艺预先制备碳化硅颗粒增强7093铝合金复合材料薄板(SiC/7093，其中SiC体积含量为15％)，然后将之与3003铝合金薄板交替叠加热锻获得分层结构的SiC/7093-3003复合材料，其中SiC/7093和3003的层厚分别为1.4mm和200μm，SiC体积含量为12.9％，通过3003铝合金层的引入降低了复合材料中SiC/7093层的面外应力约束，有效的钝化和偏转复合材料内部产生的裂纹，使复合材料的韧性获得提高。其中，在欠时效状态下，SiC/7093-3003分层复合材料的韧性比SiC/7093复合材料提高了79％，证明了叠层结构可有效改善复合材料的韧性。但是，该方法存在两方面的缺陷：(1)增强体非均匀分布，牺牲材料的强度和塑性：由于增强体分布不均匀使韧性层(不含增强体)的强度低于脆性层(含增强体)，且二者变形能力差异也容易导致局部应力集中而提早破坏，因此所得分层结构复合材料的强度和塑性均有所降低；(2)制备工艺复杂、无法获得纳米叠层结构：先采用粉末冶金工艺制备颗粒增强金属基复合材料，然后再与纯金属或合金叠层复合，制备工艺复杂、成本高，且无法得到纳米尺度的叠层结构。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术的不足，提供一种基体为纳米叠层结构的金属基复合材料及其制备方法，该材料基体为纳米叠层结构、陶瓷颗粒增强体在基体中均匀分布。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的基体为纳米叠层结构的金属基复合材料，由等效粒径为1-200μm的微米陶瓷颗粒增强体和纳米叠层结构的金属基体组成，所述的金属基体由厚度为100-1000nm的金属层和厚度为0.5-100nm的陶瓷层交替叠加组成。

所述的纳米叠层结构的金属基体，由厚度为100-500nm的金属层和厚度为1-30nm的陶瓷层组成。

所述的纳米叠层结构的金属基体，其中的金属层为Al、Cu、Mg、Ti、Fe、Ni纯金属及其合金中的一至多种。

所述的纳米叠层结构的金属基体，其中的陶瓷层为金属氧化物、碳化物、氮化物、氮氧化物、碳氮化物、碳纳米管、石墨烯纳米片、碳纳米洋葱球、碳纳米片中的一至多种。

所述的微米陶瓷颗粒增强体为SiC、B₄C、TiC、TiB、TiB₂、AlN、TiN、Al₂O₃中的一至多种。

所述的微米陶瓷颗粒增强体，占整个复合材料的体积含量为5-50％。