脉冲电场辅助的真空包套轧制制备金属基复合材料的方法与流程

本发明属于外场辅助下的包套轧制技术领域，具体为一种脉冲电流辅助的金属基复合材料在烧结的同时包套轧制成型的技术，特别是一种基于脉冲电流辅助的通过包套轧制生产陶瓷、石墨烯或碳纤维颗粒增强相的铝、镁、铜、铁、钛基复合材料烧结的同时包套轧制成型的方法。

背景技术：

高端装备和制造业的快速发展离不开高性能材料的支持，尤其对材料的轻质化、强磨损、高强韧、耐腐蚀、耐高温、功能/结构一体化等高参数提出了更为苛刻的要求。金属基复合材料是金属与陶瓷、纤维或碳纳米管颗粒等增强相组成的非均质复合材料，体现金属特性的同时具有超高强度，是国计民生各个领域重要的结构及工具材料。然而，增强相与金属基体的成分、结构和性能相差极大，导致成品韧塑性较低、机械加工困难、尤其合成工艺复杂，不仅需要在真空或者保护气氛下高温合成，且难以制成大型或形状复杂构件，从而严重掣肘其在相关领域的应用。现有的金属基复合材料的制备方法主要有高温真空烧结、放电等离子烧结、自蔓延高温合成和热等静压成型等方法。相关的研究和应用取得了较大进展，但是，这些方法均无法制备大体积构件，且普遍存在设备要求高、成本高、效率低以及难以实现规模化生产等问题。针对于此，亟待开发一种在真空或保护气氛条件下，低成本、规模化、高效生产较大尺寸的金属基复合材料的新方法，满足各行业对金属基复合材料的大量需求。

粉末包套轧制技术可以保证轧制粉末在真空及近等高温状态下成型，因而有效避免了粉体材料损失、氧化及晶粒长大，易于实现一体化及近净成型。但其应用于金属基复合材料的制备却鲜有报道，主要原因在于增强相如陶瓷颗粒与金属基体物化差异大，润湿困难，需要高温烧结并持续保温，但即便高温包套轧制，其温度及保温时间均难以达到烧结标准。

技术实现要素：

为了采用高效、低成本、可规模化的轧制工艺获得晶粒细小且大尺寸的含增强相的金属基复合材料构件，本发明目的是提供一种将脉冲电流应用到多辊轧机上，进行金属基复合材料粉末烧结的同时成型烧结件的新方法。该方法适用于不同的陶瓷、石墨烯或碳纤维增强相与铝、镁、铜、铁或钛单质（合金）粉末组合，例如b4c陶瓷颗粒与纯铝粉末。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种脉冲电场辅助的真空包套轧制制备金属基复合材料的方法，包括如下步骤：

（1）、原材料制备

以陶瓷、石墨烯或碳纤维增强相与铝、镁、铜、铁或钛的单质（合金）粉末经机械球磨混料，增强相所占原子分数为3%~30%。

（2）、热处理及高温除气

将增强相与金属单质或合金的混合粉置于真空或惰性气体中加热至金属单质或合金熔点的50%~90%，保温时间60min，然后冷却。

（3）、板材表面处理

根据基体金属单质（合金）选择与其强度和高温塑性接近，热导率低的包套材料，选取厚度在0.5~3mm之间的金属板材进行裁剪用作包套覆板，使板材长度为600~1200mm，宽度为100~300mm。

依据氧化层组成选择不同配比的硫酸、硝酸、盐酸、氢氟酸等的水溶液腐蚀清洗金属板材与粉末生坯待接触表面，然后进行机械和砂纸打磨完全去除表面氧化层并暴露表面新鲜金属，保证表面粗糙度为40~110μm，用酒精和丙酮溶液多次清洗去除表面油污，待干燥后在待接触表面涂抹水玻璃和玻璃润滑剂备用。

（4）、制备粉末生坯

将步骤（2）获得的混合粉末送入轧辊进行粉末轧制，轧制环境温度为20~80℃，粉末无需加热，生坯尺寸长为597~1197mm，宽为97~297mm，厚度为1~15mm。

（5）、真空包套试件装配

按照上覆板/粉末生坯/下覆板的顺序叠放，四周设有封焊板，其中两侧封焊板均开有真空孔，在包套焊接前置于真空室内加热除气，加热温度为300℃，保温时间60min，然后边冷却边进行真空边部焊接，构成包套试件，并通过真空孔将包套试件内部抽至真空，真空度为：低真空抽至：5×10^-1pa、高真空抽至：1×10^-2pa，待试件冷却后，对真空孔进行真空封焊。

（6）、轧制及烧结

将包套试件放入接有脉冲电流的轧机，轧机至少由3组轧辊组成，且包套试件长度略大于首末轧辊轴线距离，位于上层轧辊的两侧均设有能够与包套试件表面接触的电刷，金属基复合材料的烧结是利用脉冲电流在粉末颗粒间产生的电阻热和等离子放电热，正直流脉冲电流发生器产生电流由高压输出端、接地端经置于包套试件表面的电刷形成电流回路，电流发生器端口与电刷的通断取决于包套的轧制行程，基本原则是包套尽可能多的区域与脉冲电源形成闭合回路，从而将烧结时间最大化。进给过程如下：轧机的轧辊数为n，各组电刷通过电极引线可以与脉冲电流发生器的输出端和接地端连接，并与包套试件的上表面或下表面接触，分布于第一组轧辊之前、最末组轧辊之后以及各组轧辊之间，分别为电刷1、电刷2、……、电刷n，从第一组轧辊至最末组轧辊依次分布；包套试件前端最先进入轧机并与第一组轧辊接触后开始辊轧，当前端与第电刷2接触后，将电刷1和电刷2分别接入输出端和接地端，此时电刷1与电刷2之间的包套内粉末生坯进行烧结；随着包套进给，每当前端开始接触某电刷m（2≤m≤n）的同时，断开电刷m﹣1，并接通电刷m与接地端，直至电刷1与电刷n分别接入输出端和接地端，此时具有最大烧结区域；继续进给，包套后端离开电刷1，断开电刷1并接通电刷2与输出端，此时电刷2与电刷n之间的包套内粉末生坯进行烧结，随着后端与某电刷k（k≤n﹣2）分离，断开该电刷k的同时接通电刷k+1至输出端，该接法可保证包套试件内部尽可能多的粉末生坯处于烧结状态。为降低电流损失，各组轧辊均由绝缘材料制成，如sialon陶瓷轧辊。

电流输入到包套试件的待加工段，包套内部颗粒间发生等离子放电，温度迅速升高产生烧结颈并发生元素扩散和界面反应，在轧制力的协同作用下生坯迅速烧结致密，所述方式中，温度的快速提升、轧制力以及电流活化的作用使晶粒细化、增强相弥撒分布，显著提升了材料韧塑性；轧制时通过控制脉冲电流参数、轧制压下率和轧制速率进行多道次轧制，首道次压下率不小于13%，总压下率为50%~75%；根据烧结材料的不同，选择合适的轧制脉冲电流参数：脉冲电流密度200~1000a/mm²，频率300~3000hz，脉冲宽度30~100μs；为保证足够的烧结时间，以1000mm包套试件为例，轧制速度为200mm/min，轧制速度保证包套内粉末生坯各处均有≥5min的放电等离子烧结时间。包套试件内部材料在高温、轧制压力和电流活化作用下，可实现粉末颗粒间的快速冶金结合，形成致密烧结材料。

（7）、包套材料在室温下冷却，待温度降至100℃以下，破开包套试件，取出芯块，得到陶瓷、石墨烯或碳纤维增强金属基复合材料。

基于上述方法，采用的脉冲电场辅助的金属基复合材料包套轧制装置，包括用于对实验材料施加脉冲电流的脉冲电流电源、传导及电接触装置，用于对实验材料施加多道次辊轧的轧机。脉冲电流电源采用脉冲电流发生器，以igbt为数字功率模块，超微晶软磁合金材料为变压器铁芯，配有电压、电流自动反馈，系统故障诊断保护功能，电流峰值密度为1000a/mm²，脉冲频率为100~3000hz。

与传统技术相比本发明具有以下优势和效果：

1、本发明将外接脉冲电场和多辊轧机相结合，用于含增强相的金属基复合材料的制备。因脉冲电流通过复合材料生坯，在颗粒界面形成电阻热和等离子放电热作为界面原子扩散和冶金反应的主要能量，无需外接辐射热量，仅在颗粒界面迅速升温形成烧结颈，继而引起颗粒间元素扩散以及界面反应，环境温度较低，在大幅提高烧结效率的同时降低能耗。

2、电脉冲引发的电子风，可驱动元素扩散并降低界面反应的表观激活能，提高原子扩散和界面反应生长速率。随着粉末颗粒界面的温度迅速升高，当达到金属或合金熔点后，材料在接触微区熔化，产生液相，并在轧制力场的协同作用下，粉末生坯迅速致密化完成烧结，且多道次轧制使烧结体晶粒细化、增强相弥散均匀分布。脉冲电场与轧制力场的协同作用，使生坯完成烧结的同时轧制成型，更具备优良的综合性能。

3、脉冲电流不仅起到烧结作用，也会引起金属板和生坯的电致塑性效应，从而显著降低变形应力，降低轧制力，降低能耗的同时避免轧辊损伤。

4、与使用传统真空烧结炉进行扩散烧结不同，采用脉冲电流辅助包套轧制的方式烧结和成型生坯，不会受到烧结炉内狭小模具的限制，包套试件尺寸灵活，所述方法适用于大尺寸金属基复合材料构件尤其是大尺寸板材的生产，可实现构件的规模化生产，具有显著的工业应用前景。

5、本发明将含增强相的金属基复合材料的放电等离子烧结与包套轧制工艺集成融合为一体，包套轧制促进烧结，电致塑性效应又利于轧制应力降低，形成轧制力场-脉冲电场-温度场多场耦合协同效应，实现高效率、低成本、集约化、规模化制备大尺寸金属基复合材料构件的目的。

本发明设计合理，将脉冲电流快速烧结技术与粉末包套轧制工艺结合，提出一种将增强相金属基复合材料的烧结与轧制成型一体化的新方法。该方法综合利用了脉冲电流在异质界面产生的电阻热和等离子放电热，活化元素扩散、促进界面反应的效应，以及包套轧制在维持真空、保持近等高温、细化晶粒和成型较大尺寸构件方面的作用，将金属基复合材料置于温度场、压力场及脉冲电场的多场耦合作用下，实现大尺寸金属基复合构件的快速、低成本烧结轧制一体化制备。

附图说明

图1表示本发明中基于脉冲电流辅助的包套轧制制备金属基复合材料的装置示意图，图中箭头表示轧制进给方向。

图2表示本发明中金属基复合材料粉末生坯包套试件的结构示意图。

图中：1-辊轧机机架，2-第一组轧辊，3-最末组轧辊，4-中间组轧辊，5-电刷ⅰ，6-电刷ⅱ，7-电刷ⅲ，8-电刷ⅳ，9-脉冲电流发生器，10-输出端，11-接地端，12-上覆板，13-下覆板，14-封焊板，15-粉末生坯，16-焊缝，17-真空孔，18-包套试件，a-包套试件前端，b-包套试件后端。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种脉冲电场辅助的粉末包套轧制制备金属基复合材料的方法，包括：先将复合粉末制坯及热处理后与经过表面处理的金属覆板叠加，并进行真空边焊抽尽内部空气，形成真空包套结构，防止生坯烧结氧化；之后将包套放入轧机，并依据包套轧制进程，将脉冲电源与不同位置的电刷接通，施加电流于包套表面，同步进行生坯等离子烧结与包套电致塑性轧制。

本发明方法中用到的组件包括粉末生坯包套试件结构，用于轧制包套结构的多辊轧机，用于对包套结构施加脉冲电流的电场发生及传导装置。

如图2所示，包套试件结构由覆盖包裹粉末生坯的上覆板12、下覆板13和粉末生坯15以及封焊板14组成。粉末生坯15为金属基复合材料，例如b4c颗粒增强铝基复合材料。上下覆板12、13为单质金属或合金材料，选择与金属基体所对应的致密材料变形应力相接近的薄板，厚度为0.5~3mm，如2a50铝合金板。封焊板14在粉末生坯15与上下覆板12、13接触处正对的位置开有排气孔17，且与上下覆板12、13真空边部焊接。为降低粉末生坯15在轧制变形过程中与包套覆板间的摩擦力、变形阻力，并防止生坯与包套覆板烧结黏连，在上下覆板12、13和封焊板14内侧均匀涂抹水玻璃+玻璃润滑剂。

如图1所示，多辊轧机用于轧制包套试件，对试件施加的轧制力，不仅对粉末生坯产生有利于烧结的压应力，更将生坯成型为指定厚度板状结构。轧机包括机架1、第一组轧辊2、中间组轧辊4和最末组轧辊3，且包套试件长度略大于首末轧辊轴线距离，各组轧辊均由绝缘材料制成，如sialon陶瓷辊。合理控制电流参数，轧制时首道次压下率不小于13%，总压下率为50%~75%，轧制速率为150mm/min~200mm/min，经多辊轧制和5min~8min的烧结时间，获得较大尺寸金属基复合板材。

如图1所示，脉冲电场施加系统由脉冲电场发生器9、正直流脉冲高压输出端10和接地端11组成，输出及接地端所连接的电刷编号取决于包套试件的轧制进程，原则是让尽可能多的包套处于脉冲电流回路，增加烧结时间。以三辊轧机为例进行说明，具体进给过程如下，包套试件前端b最先进入轧机并与第一组轧辊2接触后开始辊轧，当b端与电刷ⅱ6接触后，将电刷ⅰ5和电刷ⅱ6分别接入输出端10和接地端11，此时电刷ⅰ5与电刷ⅱ6之间的包套试件区域可以进行烧结；随着包套试件进给，在前端b接触电刷m（2≤m≤4）的同时，断开电刷m﹣1，并接通该电刷m与接地端11，直至电刷ⅳ8与接地端11接通；继续进给，包套试件后端a离开电刷ⅰ5，则断开电刷ⅰ5并接通电刷ⅱ6与输出端10，此时电刷ⅱ6与电刷ⅳ8之间的包套试件内粉末生坯可以进行烧结，随着进给，后端a与电刷逐个接触并断开，当后端a与电刷k（1≤k≤2）分离，断开电刷k的同时接通电刷k+1至输出端10，直至后端a与电刷ⅱ6分离，剩余电刷ⅱ7与电刷ⅳ8之间的区域进行烧结，该接法可保证包套试件尽可能多的区域处于烧结状态。

本发明所述脉冲电流密度为200~1000a/mm²，频率300~3000hz，脉冲宽度30~100μs，根据不同的粉末生坯材料和不同的包套尺寸，选择合适的脉冲电流参数，基本原则是：板材截面尺寸越小，脉冲电流频率则需越大；材料强度越高，相应的脉冲宽度和电流密度幅值需提高；轧制变形率越大，脉冲宽度和电流密度幅值需相应增大。

在本发明其他的脉冲电流辅助包套轧制制备金属基复合材料的实施例中，各组轧辊均由绝缘材料制成，可为钇稳定氧化锆陶瓷。

在本发明其他的脉冲电流辅助包套轧制制备金属基复合材料的实施例中，轧机轧辊组数可为1~5组，首末轧辊轴线距离略小于包套试件长度。

在本发明其他的脉冲电流辅助包套轧制制备金属基复合材料的实施例中，上下覆板的材料与生坯金属基体的变形应力应匹配，可以是镁、铝、钛、铁单质金属或合金中的一种。

在本发明其他的脉冲电流辅助包套轧制制备金属基复合材料的实施例中，粉末生坯材料可以是石墨烯、碳纤维、陶瓷颗粒或晶须增强的镁、铝、铁、钛、铜基复合材料中的一种。

采用本发明方法的显著优势在于：金属基复合材料的烧结和轧制塑性变形同时进行，脉冲电流流经粉末生坯，引发粉末颗粒间产生电阻热、等离子放电热，温度迅速升高形成颗粒间烧结颈，发生元素扩散和界面反应，而后界面快速冷却，保温时间短。在脉冲电流场致效应和轧制力场的协同作用下，可在较短时间内制备出晶粒细化、致密度高且增强相均匀分布的金属基复合材料；区别于传统烧结炉真空烧结，借助真空包套焊接的方式，既保证了真空烧结环境，又避免了真空炉内狭小模具的限制，可制备并成型大尺寸金属基复合材料板材。

下面通过实施例对本发明的脉冲电流辅助真空包套制备金属基复合材料的方法做进一步的详细说明。

实施例1

基于放电等离子烧结和真空包套轧制制备b4c颗粒增强铝基复合材料的方法，包括如下步骤：

1、制备包套

a、将含有15vol%b4c陶瓷颗粒（10~70μm）的铝基粉末加入充满惰性气体的加热炉中，加热至500℃干燥并高温除气2h，300rpm转速下真空球磨1h，经粉末轧制成997×60×1.5mm的粉末生坯；

b、将2a50铝合金板切割成1000×63×2mm的板材，使用10%硫酸水溶液腐蚀清洗金属板材与粉末待接触表面，然后进行机械和砂纸打磨完全去除表面氧化层并暴露表面新鲜金属，并保证表面粗糙度为40~110μm，然后用酒精和丙酮溶液多次清洗去除表面油污，待干燥后在待接触表面涂抹水玻璃和玻璃润滑剂备用；

c、将处理后的生坯和金属板按照铝合金/生坯/铝合金顺序对齐叠放组成复合层组坯，在复合层侧面与封焊板通过氩弧焊焊接，在封焊板正对铝合金覆板/生坯接触面位置开两个真空孔，然后抽取层间空气，使包套内部形成真空环境，并真空封焊真空孔。

2、脉冲电流和多辊轧机选型

脉冲发生器可产生的最大电流峰值密度为1000a/mm²，脉冲频率为100~3000hz；本实施例采用3辊轧机，轧辊均采用sialon陶瓷辊，首末轧辊轴线距离略小于包套长度1000mm。

3、脉冲电流辅助包套轧制

将包套复合层放入接有脉冲电流的轧机，将脉冲发生器9接入220v交流电，工作参数设置为电流密度700a/mm²，脉冲频率900hz，脉冲宽度80μm，开启脉冲电源将脉冲电流经电刷传递至待烧结和轧制段，电刷接通顺序如前所述。各轧辊压下率分别为18%、34%和50%，总压下率即为50%，轧制速度为150mm/min，可保证包套内粉末生坯各处均有≥6min的放电等离子烧结时间。

4、复合材料后处理

包套在室温下冷却，待温度降至100℃以下，破开金属板，取出芯块，得到致密的b4c陶瓷颗粒增强铝基复合材料烧结板材，表面经进一步机械打磨去除与覆板的局部扩散层。

实施例2

基于放电等离子烧结和真空包套轧制制备碳纳米管纤维增强镁基复合材料的方法，包括如下步骤：

1、制备包套

a、将含有2wt%碳纳米管的al粉加入充满惰性气体的加热炉中，加热至500℃干燥并高温除气2h，300rpm转速下真空球磨2h，经粉末轧制成997×60×1.5mm的粉末生坯；

b、将2a50铝合金板切割成1000×63×2mm的板材，使用10%硫酸水溶液腐蚀清洗金属板材与粉末待接触表面，然后进行机械和砂纸打磨完全去除表面氧化层并暴露表面新鲜金属，并保证表面粗糙度为40~110μm，然后用酒精和丙酮溶液多次清洗去除表面油污，待干燥后在待接触表面涂抹水玻璃和玻璃润滑剂备用；

c、将处理后的生坯和金属板按照铝合金/生坯/铝合金顺序对齐叠放组成复合层组坯，在复合层侧面与封焊板通过氩弧焊焊接，在封焊板正对铝合金覆板/生坯接触面位置开两个真空孔，然后抽取层间空气，使包套内部形成真空环境，并真空封焊真空孔。

2、脉冲电流和多辊轧机选型

脉冲发生器可产生的最大电流峰值密度为1000a/mm²，脉冲频率为100~3000hz；本实施例采用3辊轧机，各组轧辊均采用钇稳定氧化锆陶瓷辊，首末轧辊轴线距离略小于包套长度1000mm。

3、脉冲电流辅助包套轧制

将包套复合层组坯放入接有脉冲电流的轧机，将脉冲电源接入220v交流电，工作参数设置为电流密度600a/mm²，脉冲频率800hz，脉冲宽度60μm，开启脉冲电源将脉冲电流经电刷传递至待烧结和轧制段，电刷接通顺序如前所述。各轧辊压下率分别为18%、34%和50%，总压下率即为50%，轧制速度为160mm/min，可保证包套内粉末生坯各处均有≥5min的放电等离子烧结时间。

4、复合材料后处理

包套在室温下冷却，待温度降至100℃以下，破开金属板，取出芯块，得到致密的碳纳米管增强铝基复合材料烧结板材，表面经进一步机械打磨去除烧结体与覆板的扩散局部和氧化局部。

脉冲电场辅助的包套轧制制备金属基复合材料的工作原理：在温度场-电流活化-轧制力场的复合作用下，同步完成增强相的金属基复合材料的放电等离子烧结和电致塑性轧制成型。首先，脉冲电流经颗粒界面产生接触电阻热及等离子放电热，从而代替外界热源，使含增强相的金属基复合材料颗粒间温度迅速升高至烧结温度；其次，脉冲电流可显著降低元素扩散激活能，促进界面反应速率；最后，结合多道次轧制力场，使粉末生坯迅速烧结致密的同时，避免了增强相团聚和晶粒长大。采用真空包套结构代替真空炉体，烧结体尺寸不再受模具容积限制，显著提升可烧结体积，并在烧结的同时实现轧制成型。

本发明将真空包套轧制与脉冲电场耦合，可在短时间内，烧结并轧制成型宏观大尺寸、微观晶粒细小、增强相均匀弥散分布的高性能含增强相金属基复合板材，具有高效低耗、规模化和集约化生产的特点。

以上结合附图和实施例对本发明做了详细阐述，但以上阐释仅用于说明本发明，而不是以任何形式限制本发明。且所描述的实施例仅为本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。