合金基复合材料的制备方法与流程

本发明涉及一种合金基复合材料的制备方法。

背景技术：

随着机械、电工电子、航空航天等领域的不断发展，合金作为一类重要的具备多种多样的力学、电学、化学与加工性能的结构与功能材料，在相关领域的研究和应用上受到了广泛的关注。

目前，制备合金基复合材料主要采用粉末冶金法，即将增强相粉末加入合金基体粉末，再通过压制和烧结形成合金基复合材料。根据对性能的实际需求，可以有针对性地选择增强相的种类及加入量，以此制备出的合金基复合材料为合金的研究与发展带来了更多的机遇与可能，进一步丰富和完善了合金的性能与应用范围。

然而，在采用粉末冶金法制备的过程中，高温烧结容易导致增强相与合金基体间界面产物的生成，使合金基复合材料的性能发生恶化，甚至限制了增强相的种类，使不耐高温的增强相无法得到应用；同时，制备形成的合金基复合材料中存在孔洞，降低了合金基复合材料的强度和韧性。

技术实现要素：

有鉴于此，确有必要提供一种能够提高强度和韧性且同时拓宽增强相可用种类的合金基复合材料的制备方法。

一种合金基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

s11，提供一金属基复合材料，该金属基复合材料包括一金属相和一增强相；

s12，在所述金属基复合材料的表面设置一合金元素层，形成第一复合结构；

s13，对所述第一复合结构进行轧制；

s14，对轧制后的第一复合结构进行多次折叠-轧制，形成第二复合结构；

s15，对所述第二复合结构进行退火，得到合金基复合材料。

与现有技术相比较，本发明提供的合金基复合材料的制备方法，通过累积轧制和退火制备合金基复合材料，制备过程中退火所需的温度不高，避免了增强相与合金基体间界面产物的生成，拓宽了增强相的可用种类；同时使制备得到的合金基复合材料几乎没有孔洞，致密度高，提高了合金基复合材料的塑性和韧性。

附图说明

图1是本发明实施例合金基复合材料的制备方法的工作示意图。

图2a是本发明第一实施例中退火前后第二复合结构的x射线衍射图谱。

图2b是本发明第一实施例中形成的铜镍合金基复合材料截面的电子扫描图。

图3a是本发明第二实施例中退火前后第二复合结构的x射线衍射图谱。

图3b是本发明第二实施例中形成的铜锌合金基复合材料截面的电子扫描图。

具体实施方式

以下将结合附图及具体实施例，对本发明提供的合金基复合材料的制备方法作进一步详细说明。

请参阅图1，本发明实施例提供一种合金基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

s11，提供一金属基复合材料，该金属基复合材料包括一金属相和一增强相；

s12，在所述金属基复合材料的表面设置一合金元素层，形成第一复合结构；

s13，对所述第一复合结构进行轧制；

s14，对轧制后的第一复合结构进行多次折叠-轧制，形成第二复合结构；

s15，对所述第二复合结构进行退火，得到合金基复合材料。

在步骤s11中，所述金属基复合材料的结构不限，其中，所述增强相可以与所述金属相堆叠设置，也可以设置于所述金属相内。该金属基复合材料的厚度不限，可以根据实际需要选择。优选的，所述金属基复合材料的厚度为0.03mm～3mm。

所述金属相的材料不限，可以为铜、铝、银、金等软金属，该软金属是指塑性、延展性较好的金属。本实施例中，所述金属相的材料为铜。

所述增强相的材料不限，可以为碳纳米管结构、石墨烯、三氧化二铝、氮化硅等。所述碳纳米管结构形式不限，可以包括一根或多根碳纳米管，当所述碳纳米管结构包括多根碳纳米管时，该多根碳纳米管可以杂乱无章，无规则设置，也可以是多根碳纳米管形成膜状结构，该膜状结构包括碳纳米管拉膜、碳纳米管碾压膜、碳纳米管絮化膜。

所述碳纳米管拉膜中的多根碳纳米管通过范德华力首尾相连且沿同一方向延伸。所述碳纳米管碾压膜中的多根碳纳米管无序，沿同一方向或不同方向择优取向排列。所述碳纳米管絮化膜中的多根碳纳米管之间通过范德华力相互吸引、缠绕形成网状结构。

在步骤s12中，将所述合金元素层设置于所述金属基复合材料表面的方式不限，可以包括：(一)直接将合金元素层堆叠在金属基复合材料表面；(二)通过电镀法将合金元素层电镀于所述金属基复合材料的表面；或(三)折叠所述金属基复合材料并将合金元素层夹在中间。

所述合金元素层的材料不限，根据需要形成的合金基复合材料选择。对于所述金属相为铜时，所述合金元素层可以为锌、镍、铝或锡。该合金元素层的厚度不限，优选的，所述合金元素层的厚度为0.03mm～3mm。通过同时控制金属基复合材料和合金元素层的厚度可以控制形成合金基复合材料中合金的成分。

在步骤s13中，可以对所述第一复合结构先进行剪裁，使第一复合结构中的金属基复合材料和合金元素层边缘重叠。对所述第一复合结构进行轧制的方法不限，只需确保使所述第一复合结构的厚度减薄即可。优选的，使第一复合结构的厚度减薄至初始厚度的70％以下，所述初始厚度是指第一复合结构未经轧制前的厚度。本实施例中，将第一复合结构在丙酮溶液中超声去油脂，在常温下通过轧机对所述第一复合结构的上下表面施加压力，使其减薄至初始厚度的一半，之后将轧制后的第一复合结构边缘的裂纹去掉。

在步骤s14之前，可以进一步包括对所述轧制后的第一复合结构进行刮擦处理的步骤，使该轧制后的第一复合结构的表面粗糙化，方便后续表面之间更好的结合。本实施例中，使用钢丝刷对所述轧制后的第一复合结构进行刮擦。

在步骤s14中，所述“折叠-轧制”代表的是一个工序，具体指的是先对轧制后的第一复合结构进行折叠，再对折叠后的第一复合结构进行轧制。对轧制后的第一复合结构进行折叠的方式不限，优选的，以刮擦处理的表面为内侧将所述轧制后的第一复合结构进行对半折叠。对所述折叠后的第一复合结构再次进行轧制，使其厚度减薄至折叠后的第一复合结构厚度的70％以下。本实施例中，对所述折叠后的第一复合结构再次进行轧制使其厚度减薄至一半。所述多次是指2次以上，可以理解，对“折叠-轧制”这一套工序重复2次以上。

在步骤s15中，对步骤s14形成的结构不断重复进行折叠和轧制，在折叠的过程中所述合金元素层以多层的形式存在于所述金属基复合材料内，使形成的合金基体均匀化；在轧制时每一层合金元素层的厚度减小且与金属基复合材料的表面紧密结合，使均匀化退火所需的时间显著缩短。步骤s14的重复次数可以根据合金元素层中合金元素的种类与厚度确定。

所述第二复合结构中存在多个三明治结构，该多个三明治结构依次堆叠设置。所述三明治结构包括两层金属基复合材料和夹持在两层金属基复合材料中的合金元素层。

在步骤s16中，退火过程中，所述合金元素层中的原子与所述金属基复合材料中金属相的原子相互扩散、互溶，形成组织均匀的合金基体。所述金属基复合材料中增强相的形貌并不改变，该增强相穿插于所述合金基体内。

所述退火的温度和时间可以根据需要形成的合金基复合材料中合金的种类与成分确定。优选的，所述退火温度范围为100℃～600℃，退火时间为1h-24h。本实施例中，将第二复合结构放置于充有氩气的真空管式炉内进行退火处理。

请参阅图2a、图2b，本发明第一实施例提供一种铜镍合金基复合材料的制备方法，具体步骤如下：

s31，选取长度为75mm，宽度为22mm，高度为0.08mm的碳纳米管增强纯铜基复合材料，其中，多个碳纳米管通过范德华力首尾相连且沿同一方向延伸；

s32，利用乙醇对上述复合材料的表面进行清洗并干燥，在反应面的背面粘贴绝缘胶带，利用瓦特镍镀液在其反应面电镀一层厚度为0.02mm的镍层，得到第一复合结构；

s33，去掉绝缘胶带，在丙酮溶液中对所述第一复合结构进行超声处理，利用轧机将第一复合结构轧制至0.05mm；

s34，在轧制后第一复合结构的镍层表面用钢丝刷进行刮擦处理，并将四周边沿剪去1mm，将经过刮擦处理的一面作为内侧沿中线折叠，高度变为0.1mm，再次利用轧机将材料轧制至0.05mm。

s35，将所述步骤s34重复8次，得到第二复合结构；

s36，将所述第二复合结构在氩气气氛中，500℃下进行退火处理12h，得到铜镍合金基复合材料，该铜镍合金基复合材料中铜镍的质量比为3.8：1。

退火前第二复合结构的表面颜色为红色，这是因为第二复合结构中表面为纯铜，经过退火之后，铜元素和镍元素形成了铜镍合金，表面颜色变成了白色。进一步可以从图2a中看出最终铜和镍形成了铜镍合金。从图2b中可以明显看出形成的铜镍合金基复合材料没有孔洞，致密性良好。

请参阅图3a、图3b，本发明第二实施例提供一种铜锌合金基复合材料的制备方法，具体步骤如下：

s41，将选取长度为75mm，宽度为22mm，高度为0.06mm的碳纳米管增强纯铜基复合材料，其中，多根碳纳米管通过范德华力首尾相连且沿同一方向延伸，将所述碳纳米管增强纯铜基复合材料沿中线折叠，并将一片长度为37.5mm，宽度为22mm，高度为0.04mm的锌箔夹持在中间，得到第一复合结构；

s42，在丙酮溶液中对所述第一复合结构进行超声处理，利用轧机将材料轧制至0.08mm；

s43，在轧制后第一复合结构的任意一侧表面用钢丝刷进行刮擦处理，并将四周边沿剪去1mm，将经过刮擦处理的一面作为内侧沿中线折叠，高度变为0.16mm，再次利用轧机将材料轧制至0.08mm。

s44，将所述步骤s43重复8次，得到第二复合结构；

s45，将所述第二复合结构在氩气气氛中，300℃下进行退火处理12h，得到铜锌合金基复合材料，该铜锌合金基复合材料中铜锌质量比为1.78：1。

退火前所述第二复合结构的表面颜色为红色，这是因为第二复合结构的表面为纯铜，经过退火之后，铜元素和锌元素形成了铜锌合金，表面颜色变成了黄色。进一步可以从图2a中看出最终铜和锌形成了铜锌合金。从图2b中可以明显看出形成的铜锌合金基复合材料没有孔洞，致密性良好。

本发明提供的合金基复合材料的制备方法，采用累积轧制加退火的方法制备合金基复合材料，该方法可以通过金属基复合材料和合金元素层的初始厚度来控制合金元素的含量；第二，制备过程中所需的温度不高，避免了增强相与合金基体间界面产物的生成，并极大拓宽了增强相的可用种类；第三，制备得到的合金基复合材料的孔洞少、致密度高、塑性和韧性好；第四，可以大批量制备块体材料，容易实现流水线作业。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。