一种轻金属块体复合材料的制备方法、复合材料及装置与流程

本发明属于金属基复合材料和制造技术领域，具体涉及一种轻金属块体复合材料的制备方法、复合材料及装置。

背景技术

镁合金、铝合金轻金属材料具有密度低、比强度、比刚度高等优点，被广泛地应用于制造工业中，逐渐成为最具应用前景的轻质有色金属材料。近年来，随着航空航天等工业技术的高速发展，对轻金属高性能块体复合材料的要求越来越高。

块体复合材料的制备方法包括三种，液相法、固相法和气相法，固相法和气相法由于工作温度较高，适用于高温和难熔金属复合材料的制备。对于轻金属块体复合材料，通常采用液相法制备，液相法常用的有铸造法，铸造法液相温度易于控制，设备简单，生产成本低。但铸造法铸造时，由于强化相颗粒的加入造成成形的粘滞阻力、微观组织的不均匀性、过度的界面反应等问题，常常出现成形质量差，铸造组织中易产生气孔、缩松以及成分偏析等缺陷，其铸造材料性能无法满足轻金属块体复合材料的使用要求。因此，针对轻金属块体复合材料制备时，高温成形质量差、易产生宏观组织缺陷，造成性能严重下降等问题，急需选用一种制备轻金属块体复合材料的方法，解决目前常规铸造方法所面临的主要问题，以获得致密性好，组织混合均匀，综合性能优异的轻金属块体复合材料。

技术实现要素：

为了克服上述技术存在的缺陷和不足，本发明的第一个目的是提供一种轻金属块体复合材料的制备方法，解决传统复合材料制备方法在轻金属块体复合材料制备上的瓶颈问题，获得成本低廉，效率高，可控性好，综合性能优异的轻金属块体复合材料。

本发明的第二个目的是提供一种复合材料，该复合材料采用本发明的轻金属块体复合材料的制备方法制备得到。

本发明的第三个目的是提供一种轻金属块体复合材料的制备装置，该装置主要包括振动碾压构件，通过振动碾压技术的加入，提高复合材料的整体加工性能。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

为达到本发明的第一个目的，一种轻金属块体复合材料的制备方法，包括采用冷喷涂沉积累加方法在轻金属基体表面进行轻金属粉末涂层的喷涂沉积，再利用滚式振动方法将增强粉体嵌入轻金属粉末涂层和/或提高轻金属粉末涂层的紧实度，最后利用搅拌摩擦焊进行轻金属粉末涂层的搅拌摩擦处理。

可选的，喷涂沉积完成后的轻金属粉末涂层的温度在100～150℃时进行滚式振动方法处理。

可选的，所述的增强粉体选自硼酸铝、sic、cr3c2、cu、al、si、zn和w中的一种或一种以上的混合物，增强粉体的粒度为10～20μm；增强粉体在每层轻金属粉末涂层中的添加量为0.08～0.1g/cm²。

可选的，所述轻金属粉末选自al粉、mg粉、2024al合金粉、alsi10mg铝合金粉、az31镁合金粉和az91镁合金粉中的一种或一种以上的混合物，所述的轻金属粉末的粒径是26～45μm；所述基体为al合金板或mg合金板。

可选的，所述的滚式振动方法中的滚压深度为0.2～0.5mm，振动频率50～100hz。

可选的，所述的冷喷涂沉积累加的喷涂压力为1.5～3.5mpa，喷涂厚度为4.4～4.5mm；

所述的搅拌摩擦焊的处理工艺包括：搅拌头的旋转速度为450～750r/min，焊接速度为50～100mm/min，压下量为0.2～0.3mm。

为达到本发明的第二个目的，一种复合材料，该复合材料采用本发明所述的轻金属块体复合材料的制备方法至少一次制备得到。

为达到本发明的第三个目的，一种轻金属块体复合材料的制备装置，其特征在于，所述的制备装置包括振动碾压构件，所述的振动碾压构件包括依次连接的振动源和碾压轮，碾压轮为带有沿母线方向设置的多个并列凸台的滚轮，所述的碾压轮内为空腔结构，凸台与空腔结构通过针孔连通，振动源为碾压轮提供振动和滚动的动力。

可选的，所述的凸台为半圆形凸台，凸台在滚轮上的分布密度为16～17个/cm²。

可选的，还包括冷喷构件和搅拌摩擦焊构件，在所述的搅拌摩擦焊构件的轴肩表面设置至少一条阿基米德螺旋线形的搅拌凸台。

本发明的优点为：

本发明的一种轻金属块体复合材料的制备方法，适用具有熔点低，密度小，比强度、比刚性高的轻金属材料，实现了轻金属粉末制备复合块体材料的新方法，成本低廉，效率高，可控性好，获得的轻金属块体复合材料内应力小、无缺陷，综合性能优异。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1为本发明装置原理示意图；

图2是图1中搅拌头的仰视图；

图中各标号表示为：

1-压缩气体、2-拉瓦管、3-送粉器、4-喷涂粉末、5-超音速气流、6-基体、7-冷喷涂层、8-工作台、9-喷枪、10-载气、11-驱动电动机、12-传力机构、13-振动活塞、14-碾压轮、15-增强粉体、16-增强粉体存储腔、17-凸台、18-针孔、19-凸台压痕、20-第一腔壁、21-第二腔壁、22-搅拌头、23-夹持部分、24-轴肩、25-搅拌针、26-搅拌凸台；

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指相应部件轮廓的内和外。

结合图1和2，本发明可选的制备过程如下：

(一)一种冷喷涂沉积累加技术，利用压缩气体1通过拉瓦管2产生超音速气流，通过送粉器3将喷涂粉末4沿轴向送入超音速气流5中，形成气-固双向流，经加速后在完全固态下撞击基体6，发生较大的塑性变形而沉积在基体6表面上形成冷喷涂层7，该技术具有热输入小、加热温度低、颗粒飞行速度高，可有效防止轻金属材料的烧损，降低了喷涂层残余应力，为后续滚式振动填料温碾提供可靠的轻金属颗粒沉积层，喷涂前，采用化学方法清理基体6表面，并将基体6固定在工作台8上，喷涂时，喷枪9采用由左向右，再由右向左的移动顺序喷涂，整个面喷完一层后，再采用垂直于第一层的方向喷涂第二层，依次顺序喷涂三层，每层涂覆层冷却至30～40℃后方可喷涂下层，以防止涂层出现开裂。

压缩气体1选为he或n2，喷涂沉积时该两种气体易于加速，载气10温度为200～300℃，此温度有利于增加轻金属粒子喷涂飞行速度，载气10压力为2.0mpa～3.5mpa，喷涂粉末4为采用粒子雾化方法制备al粉、mg粉、2024al合金粉、alsi10mg铝合金粉、az31镁合金粉和az91镁合金粉中的一种或一种以上的混合物，一种或一种以上的粉末的用量和配比可以根据不同的板材的制作目标进行调整，比如，每层涂层的厚度可以为4.4～4.5mm，两种或三种混合粉末按1:1或1:1:1等体积分数配置。喷涂粉末4经300～500目标准筛过筛，使用前在80～100℃下干燥35～50分钟，粉末的精细处理，大大提高了涂层的沉积效率，节约了资源，生产成本降低。基体6为al或mg合金板，尺寸为(300～1000)×(300～1000)×(2～4)mm，所述基体6表面经化学清理，喷涂前对基体6喷涂表面先采用hf弱酸洗，再采用naoh强碱洗的方法进行表面处理。喷涂沉积是在以上所选材料和参数中，选用至少一种粒度为26～45μm的纯金属或合金粉末喷涂粉末4，与所给工艺参数搭配进行冷喷涂，每个涂层在喷涂时一般需要每次喷涂3～4层，每层涂覆层厚度为1.2～1.5mm，涂覆层7增厚至约4.4-4.5mm时，进行下道工序的加工，本工序在整个制备方法中共计进行5～10次，喷涂时，喷涂距离为15～18mm，送粉率为30～45g，喷枪9移动速度15～18mm/min，以上所述参数范围均可得到沉积效率高，孔隙率低的轻金属冷喷涂层7，并且结合强度可达35mpa以上。

(二)一种滚式振动填料温碾技术是采用驱动电动机11通过传力机构12带动振动活塞13运动，在压缩弹簧27等构件辅助作用下驱使振动填料碾压碾压轮14压紧具有一定温度的被碾压冷喷涂层7表面，并做旋转运动，从而实现冷喷涂层7被压平压紧及纳米晶合金粉末颗粒或混合粉末15颗粒镶进复合层表面的目的，该技术设备使用方便，成本低，碾压效率高，通过滚动温碾冷喷涂层7，实现了增强粉体或混合粉末15的填加，使喷涂层7致密化、大面积平整化，残余应力有效消除，冷喷涂层7综合性能显著提高，为后续搅拌摩擦加工提供了高质量的加工面，以及减少了孔洞等缺陷产生的可能。

滚式振动填料温碾技术，其作用是：由于冷喷涂喷涂过程中粒子的摩擦会产生热量，晶粒尺寸往往会粗化，同时由于喷涂时会使得晶粒变形，都会对材料的性能产生影响，因而采用碾压法将材料压实压紧，使晶粒细化，同时均匀填进喷涂层一定深度增强粉体或混合粉末，解决了后续搅拌摩擦加工时，粉末飞溅、不均匀、深度不够的问题，滚式振动填料温碾技术为搅拌摩擦加工制备复合块体材料简化了工艺，生产效率大大提高。

驱动电机11功率3kw，输出扭矩1200n·m，转速20r/min，活塞13振动频率50～100hz，最大压入深度0.2～0.5mm。

压缩弹簧27是市场上所购标准弹簧，其作用是辅助并确保传力机构、振动填料碾压碾压轮与冷喷涂层之间相互压紧，同时，减少冲击振动时间和能量消耗。

振动填料碾压碾压轮14为钢制空心圆柱体，其母线长300～1000mm，包括由内到外沿轴向同轴嵌套的增强粉体存储腔16和能相对于增强粉体存储腔16转动的碾压体，碾压体直径800mm，增强粉体存储腔16直径300mm，碾压体表面沿母线方向并列设置多个凸台17，凸台17上沿碾压体直径方向设置贯穿的针孔18，凸台17为在碾压轮14外圆上设置有均匀分布的半圆形凸台，凸台半径r为1.2mm，凸台17分布密度为16个/cm²，凸台上针孔18直径0.7mm；

增强粉体存储腔16的结构可以是，包括由内到外依次设置的第一腔壁20和第二腔壁21，增强粉体存储腔16的空腔内装有纳米晶合金粉末的增强粉体15，采用螺柱连接将厚度4mm“回”字形铸铁形成的第一腔壁20两侧与2mm厚不锈钢板形成的第二腔壁21连接封闭，呈圆筒状，长度300～1000mm，与碾压轮14长度一致，贯穿第一腔壁20和第二腔壁21开设通口，通口的尺寸为2×(290～980)mm，碾压轮14转动时，“回”字形铸铁形成的第一腔壁20较重，始终位于碾压轮14的6点位置，当凸台17上针孔18转动到6点位置时，即与通口对准，粉末便从通口流入针孔18，再由针孔18流向碾压轮凸台压痕19内，即采用了“插秧”式方式向喷涂层7均匀填进了增强粉体15，“插秧”式保证了增强粉体15等间距的填进，同时，填进的增强粉体15具有凸台17的深度，在后续搅拌摩擦加工时，增强粉体颗粒或混合粉末颗粒的增强粉体15不易溢出，减少了损耗，节约了资源。再者，由于增强粉体或混合粉末的增强粉体15均匀分布在冷喷涂层7中，由于其具有较高的硬度或加工时发生相变引起硬度的增加，在后续搅拌摩擦加工时，较高硬度相与搅拌头轴肩24的摩擦起到了切削金属塑性流的作用，从而减轻了金属塑性流的黏针现象，大大降低了缺陷的产生。

增强粉体15可以为：硼酸铝、sic、cr3c2、cu、al、si、zn和w中的一种或一种以上的混合物，增强粉体的粒度为10～20μm，增强粉体在每层轻金属粉末涂层中的添加量可以根据需要进行选择，比如可以为0.08～0.1g/cm²，具体的不同的粉末配比根据需要选择使用。比如两种混合粉末按质量分数1:1、2:1或5:1比例配置，比如三种混合粉末按质量分数1:1:2或1:2:3比例配置。填进时选用一种或两种增强粉体或混合粉末的增强粉体15装入增强粉体存储腔16空腔中密封待用，一种或两种增强粉体或混合粉末的增强粉体15填进al或mg或al合金或mg合金任意一种冷喷涂层7中，填进的增强粉体或混合粉末的增强粉体15在后续搅拌摩擦加工中都会均匀破碎和混合，混合均匀的复合层具有高硬度，高耐磨性、高腐蚀性等优异性能，制备完成一层后，待第二层制备时冷喷涂层粉末4及填进的增强粉体或混合粉末的增强粉体15与上层可不同或相同，根据需要的性能灵活调整。

振动填料是振动活塞13上下运动时碾压轮14内纳米晶合金粉末或混合粉末的增强粉体15均匀填充进碾压轮14凸台压痕19内，其作用是，凸台17和振动不但有利于压紧压实冷喷涂层7，而且利于纳米晶合金粉末或混合粉末的增强粉体15从碾压轮14内圆16空腔内流出，保证了纳米晶合金粉末或混合粉末15填进的均匀性，所述碾压碾压轮14是在机械传动的作用下圆柱形碾压轮向前滚动碾压冷喷涂层7。

具有一定温度的冷喷涂层7，冷喷涂层7制备完成后，涂层温度在100～150℃，在此温度下紧跟碾压工序进行冷喷涂层7温碾，其作用，一是简化了预热工序，节约了能源；二是碾压容易成形，涂层表面加工硬化率大大降低，从而有利于提高复合层的综合力学性能。

(三)搅拌摩擦加工技术是通过搅拌头的强烈搅拌作用使被加工材料发生剧烈塑性变形、混合、破碎，实现微观结构的致密化、均匀化和细化，其加工效率高，热输入小，应用在本发明中，冷喷涂层7孔隙率下降，晶粒发生动态再结晶进一步细化，变形小。加工时，首先将冷喷涂涂层7碾压板固定于工作台8上，再使用搅拌头22按照“回”字形路径，在给定加工工艺参数下，由外至里多道次实施加工，每道次加工方向相反，道次间距为8～12mm，“回”字形加工最后一道，搅拌头22从中心位置行走至加工面外辅助板27上，将搅拌头22拔出时形成的匙孔留在辅助板上，加工完一层后，将加工后表面作为待加工基体材料，重复上述(一)、(二)加工过程。该技术是在对前面所述两种技术制备的可靠冷喷涂层7进一步的加工复合，以形成混合均匀，晶粒得到显著细化的组织，增强粉体或混合粉末的增强粉体15的填进，使组织中形成硬质相，加工层硬度提高，搅拌摩擦加工还可使冷喷涂涂层7组织中高角度晶界增加，使延展性提升，从而使所制备的块体复合材料综合性能显著提高。

搅拌头22由夹持部分23、轴肩24和搅拌针25三部分组成，采用w18cr4v高速钢经冷加工制作成搅拌头22毛坯件，冷加工制作方法依次包括车削、铣削和磨削，搅拌头22毛坯件再经热处理得到成品。

轴肩24为带有阿基米德螺旋线形搅拌凸台26的台面，以圆柱形夹持部分23的横截面为基准面，在轴肩24上沿搅拌头22的自转方向设置流线型的凸台构件，轴肩24直径为21mm，搅拌凸台26构件为阿基米德螺旋线形棱线，由轴肩外沿向搅拌针22逼近，棱线截面为r0.8mm半圆凸台，高度为0.8mm。“阿基米德螺旋形”结构设计的作用是，在主轴正转时，“阿基米德螺旋形”结构可以将塑性金属聚拢至搅拌针根部，再由搅拌针25驱动金属向下运动。再者，轴肩24内圆带有倒角，在搅拌头22旋转行进的同时，以“铣削”方式将加工时产生的飞边去除，从而保证了后续喷涂层的表面成形及最终表面成形。

搅拌针25为六棱锥台形，搅拌针25一端六棱锥台外接圆面直径为8～8.2mm，所述搅拌针25的另一端六棱锥台外接圆面直径为4.2～4.5mm，搅拌针的长度为4.6～4.8mm，搅拌针25的锥台倾角为54～56°。

搅拌摩擦加工工艺参数：旋转速度为450～750r/min，焊接速度为50～100mm/min，压下量为0.2～0.3mm。

“回”字形路径，在冷喷涂时，由于增强粉体或混合粉末的增强粉体15加速接触基体6后发散，喷枪9喷至边沿时，造成基体6边沿沉积率低，往往在冷喷涂层7边沿会形成曲面，边沿冷喷涂层7厚度低于其余面，为使搅拌摩擦加工后，表面平整度一致，采用“回”字形路线加工，先加工冷喷涂层7四个边沿位置，再由边沿向中心过渡，即所述由外及里多道次加工，边沿30mm范围内道次间距稍宽，每道次搅拌头偏移量约为8～10mm，朝里过渡道次间距变窄，每道次搅拌头偏移量约为4～6mm，以保证加工后表面平整。

本发明利用冷喷涂低温工作特征制备出原位轻金属冷喷涂层7、采用滚式振动填料温碾技术压紧强化制备的涂层，同时，增强粉体颗粒或混合粉末颗粒15填进冷喷涂层7表面凸台17形成的凸台压痕19内，再利用搅拌摩擦加工，制备出综合性能优异的轻金属块体复合材料。

下面结合附图和具体实施例对本发明做详细叙述。

实施例一:

按照本发明的方法，将尺寸为300mm×300mm×3mm的al合金板表面化学清理后固定在工作台上，选用2024al纳米晶合金粉末制备冷喷涂层；

冷喷涂参数选用：载气温度200℃，载气压力3.0mpa，喷涂距离18mm，送粉率40g，喷枪移动速度18mm/min。

每层涂层厚度4.4～4.5mm，增强粉体选用cr3c2合金粉末颗粒，粒度为10～20μm，cr3c2合金粉末颗粒在每层涂层中的添加量为0.08g/cm²，将cr3c2合金粉末颗粒装入滚体内圆空腔，振动频率选为50hz，滚压深度0.3mm，待涂层温度100℃时，在恒定压力下温碾冷喷涂层，后采用旋转速度400r/min，焊接速度60mm/min，压下量0.2mm，进行搅拌摩擦加工，加工采用“回”字形路径，加工边沿30mm范围每道次搅拌头偏移量8mm，朝里每道次偏移量5mm，重复上述步骤8次，制备的轻金属块体复合材料总厚度约36mm。

块体复合材料检验，超声波检测结果：加工近表面、内部均无缺陷；磨粒磨损检验结果：失重较2024铝合金母材下降68％；沿搅拌摩擦加工方向制备拉伸试样，拉伸实验结果：抗拉强度为2024铝合金的1.3倍，延伸率为2024铝合金85.5％，电化学腐蚀结果：腐蚀性能优于2024铝合金。

实施例二:

按照本发明的方法，将尺寸为300mm×600mm×3mm的mg合金板表面化学清理后固定在工作台上，选用az91纳米晶合金粉末制备冷喷涂层；

本实施例与实施例一不同的是，选用的增强粉体为硼酸铝晶须(al18b4o33w)合金粉末，硼酸铝晶须(al18b4o33w)合金粉末颗粒在每层涂层中的添加量为0.08g/cm²；粒度为10～20μm。

块体复合材料检验，超声波检测结果，加工近表面、内部均无缺陷；磨粒磨损检验结果：失重较az91镁合金母材下降75％；沿搅拌摩擦加工方向制备拉伸试样，拉伸实验结果：抗拉强度比az91镁合金增加了42％，延伸率高于az91镁合金合金28％，电化学腐蚀结果：腐蚀性能优于az91镁合金。

实施例三:

本实施例与实施例一不同的是，增强粉体为al与cu和al与zn的混合金属粉，al与cu和al与zn分别按质量比5:1分别配置，配制好的两种混合粉末再按1:1的质量比配置混合。

块体复合材料检验，超声波检测结果：加工近表面、内部均无缺陷；磨粒磨损检验结果：失重较2024铝合金母材下降128％；沿搅拌摩擦加工方向制备拉伸试样，拉伸实验结果：抗拉强度为2024铝合金的2.1倍，延伸率为2024铝合金89％，中性盐雾腐蚀实验结果：1000h复合材料表面出现少许腐蚀产物，远远高于2024铝合金72h。

实施例四:

本实施例与实施例一不同的是：冷喷涂层中未填加增强粉体。块体复合材料检验，超声波检测结果：加工近表面、内部均无缺陷；磨粒磨损检验结果：失重较2024铝合金母材下降22％，较实施例一失重上升46％；沿搅拌摩擦加工方向制备拉伸试样，拉伸实验结果：抗拉强度为2024铝合金的1.1倍，较实施例一强度下降0.2倍，延伸率为2024铝合金86.8％，较实施例一延伸率上升1.3％，电化学腐蚀结果：腐蚀性能略优于2024铝合金。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。