阅读说明：本技术 纳米颗粒/空心球复合增强金属基复合材料的制备方法 (Preparation method of nano-particle/hollow sphere composite reinforced metal matrix composite material ) 是由 褚楚 王耀奇 李晓华 侯红亮 于 2019-10-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及纳米颗粒/空心球复合增强金属基复合材料的制备方法,是将纳米颗粒增强金属基复合材料坯料和空心球密封于钢包套内,中间用穿孔板将其隔离开,第一导气管与坯料端相连,第二导气管与空心球端相连,然后将该钢包套有置于箱式电阻炉内加热,加热过程中通过真空机组抽真空保持钢包套内的真空度,纳米颗粒增强金属基复合材料坯料熔化后形成熔体,通过第一导气管对熔体加载,熔体将通过穿孔板进入到陶瓷空心球之间,最后将钢包套从箱式电阻炉中取出并冷却至室温,通过机械加工的方式去除钢包套,最终制得纳米颗粒/空心球复合增强金属基复合材料。本发明为纳米颗粒/空心球复合增强金属基复合材料的高效、低成本、高性能制造提供了一条途径。(The invention relates to a method for preparing nano-particle/hollow sphere composite reinforced metal matrix composite, which comprises sealing a nano-particle reinforced metal matrix composite blank and a hollow sphere in a steel ladle sleeve, separating the blank and the hollow sphere by a perforated plate, connecting a first gas-guide tube with the blank end and a second gas-guide tube with the hollow sphere end, then the steel sheath is placed in a box type resistance furnace for heating, the vacuum degree in the steel sheath is kept through the vacuum pumping of a vacuum unit in the heating process, the nano-particle reinforced metal matrix composite material blank is melted to form a melt, loading the melt through the first gas-guide tube, allowing the melt to enter the space between the ceramic hollow spheres through the perforated plate, taking out the steel sheath from the box-type resistance furnace, cooling to room temperature, and removing the steel sheath in a machining mode to finally prepare the nano particle/hollow sphere composite reinforced metal matrix composite. The invention provides a way for the efficient, low-cost and high-performance manufacture of the nano-particle/hollow sphere composite reinforced metal matrix composite material.)

纳米颗粒/空心球复合增强金属基复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及金属基复合材料制备技术领域，特别是涉及一种纳米颗粒/空心球复合增强金属基复合材料的制备方法。

背景技术

金属基复合材料是以金属为基体，以陶瓷颗粒、碳纳米管、空心球，短纤维、晶须、长纤维等为增强体的复合材料，它具有密度低、比强度、比刚度高等优点，在航空、航天以及汽车等领域获得了广泛的应用。目前金属基复合材料的制备方法主要有铸造法和粉末冶金法，其中尤以铸造法应用最为广泛，主要包括搅拌铸造法和渗流铸造法。

以不同的增强体来制备复合材料，其性能特征不同，所采用的制备工艺也不同，如以纳米颗粒为增强体，通常采用搅拌铸造法来制备，而以空心球为增强体，通常采用渗流铸造法来制备，因此如何发挥不同增强体的效能，在一个工艺过程中制备出高性能的金属基复合材料是一个挑战。

为了制备出纳米颗粒/空心球复合增强金属基复合材料，目前的制备方法均存在不足之处，如采用搅拌铸造法来制备，由于空心球和金属基体的密度存在差异，空心球将在金属基体中将发生聚集，很难实现均匀分散，且在搅拌过程中，空心球容易发生破碎，从而无法实现空心球的作用。采用渗流铸造法来制备，纳米颗粒无法实现有效的分散，且制备过程复杂，需要多套装备才能实现材料的制备，制备成本较高。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明为了制备出纳米颗粒/空心球复合增强金属基复合材料，提出了一种新的制备方法，解决了传统的制备方法中存在的不足之处，为纳米颗粒/空心球复合增强金属基复合材料的高效、低成本、高性能制造提供了一条途径。

(2)技术方案

一种纳米颗粒/空心球复合增强金属基复合材料的制备方法，将纳米颗粒增强金属基复合材料坯料和空心球按一定的比例密封于钢包套内，中间用穿孔板将其隔离开，所述穿孔板上设置有贯通的小孔，该钢包套有两个导气管，第一导气管与坯料端相连，用于载荷加载，第二导气管与空心球端相连，用于抽真空，然后将该钢包套置于箱式电阻炉内加热，加热过程中通过真空机组抽真空保持钢包套内的真空度，纳米颗粒增强金属基复合材料坯料熔化后形成熔体，通过第一导气管对熔体加载，熔体将通过穿孔板进入到陶瓷空心球之间，最后将钢包套从箱式电阻炉中取出并冷却至室温，通过机械加工的方式去除钢包套，最终制得纳米颗粒/空心球复合增强金属基复合材料。

作为优选技术方案，所述纳米颗粒增强金属基复合材料坯料采用搅拌铸造或粉末冶金法制得。

作为优选技术方案，所述纳米颗粒在纳米颗粒增强金属基复合材料坯料中的质量分数为0.1-10wt％。

作为优选技术方案，所述纳米颗粒包括碳化硅纳米颗粒、碳纳米管CNTs，金属基体包括铝合金、铝锂合金、镁合金、镁锂合金。

作为优选技术方案，钢包套内金属基复合材料坯料、穿孔板、空心球的加入方法为：将空心球、穿孔板和纳米颗粒增强金属基复合材料按顺序依次装入钢包套内，并用氩弧焊密封好。

作为优选技术方案，所述穿孔板上小孔的孔径小于空心球的直径。

作为优选技术方案，所述空心球成分为包括SiC、Al₂O₃、Al₂O₃/SiO₂、B₄C、TiC、AlN、ZrO₂，空心球的直径0.5-5mm。

作为优选技术方案，上述该钢包套置于箱式电阻炉内具体的加热操作为：将钢包套置于箱式电阻炉内，打开真空机组对钢包套抽真空，直至真空度小于10^-2pa时，并持续维持此真空度，开始对钢包套加热，待钢包套内温度升至纳米颗粒增强金属基复合材料坯料熔化温度时，保温5-60min，纳米颗粒增强金属基复合材料坯料完全熔化，打开减压阀通入惰性气体，对熔体加载气压，压力0.1-2MPa，保压5-10min，将钢包套从箱式电阻炉中取出，空冷至室温，关闭减压阀和真空机组。。

作为优选技术方案，所述惰性气体的纯度为99.99％，惰性气体包括氮气、氩气、氦气。

(3)有益效果

1.采用搅拌铸造与渗流铸造相结合的方法，可制备出纳米颗粒和空心球复合增强的新型复合材料；

2.采用包套法来制备复合材料，所需设备简单，只需箱式电阻炉即可，且制备过程中在真空条件下进行，可确保所制备的材料不受氧化等外在的污染，并且可避免原材料燃烧等，保证制备过程的工艺安全，工艺过程简单，成本低。

附图说明

图1是本发明实施例纳米颗粒/空心球复合增强金属基复合材料的制备示意图。

其中1-高纯惰性气体罐，2-减压阀，3-箱式电阻炉，4-第一导气管，5-钢包套，6-纳米颗粒增强金属基复合材料坯料，7-穿孔板，9-空心球，9-真空表，10-真空机组，11-第二导气管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

实施例1

一种纳米颗粒/空心球复合增强金属基复合材料的制备方法，包括如下操作步骤：

(1)采用搅拌铸造法制得碳化硅纳米颗粒增强LZ91镁锂合金复合坯料，碳化硅纳米颗粒在碳化硅纳米颗粒增强LZ91镁锂合金复合坯料的质量分数为0.5％；

(2)将Al₂O空心球、Q235钢穿孔板和碳化硅纳米颗粒增强LZ91镁锂合金复合坯料按顺序依次装入Q235钢包套内，并用氩弧焊密封好，穿孔板上设置有贯通的小孔，小孔的孔径d小于空心球的直径D，穿孔板的孔径d为3.5mm，空心球直径D为4mm，该Q235钢包套有两个导气管，第一导气管与坯料端相连，用于载荷加载，第二导气管与空心球端相连，用于抽真空。

(3)将Q235钢包套置于箱式电阻炉内，打开真空机组对钢包套抽真空，直至真空度小于10^-2pa时，并持续维持此真空度，开始对Q235钢包套加热，待Q235钢包套内温度升至650℃时，保温60min，碳化硅纳米颗粒增强LZ91镁锂合金复合坯料完全熔化，打开减压阀通入氩气，氩气的纯度为99.99％，压力0.1MPa，保压5min，将Q235钢包套从箱式电阻炉中取出，空冷至室温，关闭减压阀和真空机组。

(4)利用机械加工的方式去除钢包套，获得纳米颗粒/空心球复合增强金属基复合材料。

实施例2

一种纳米颗粒/空心球复合增强金属基复合材料的制备方法，包括如下操作步骤：

(1)采用粉末冶金法制得碳纳米管CNTs增强铝锂合金复合坯料，碳纳米管CNTs在碳纳米管CNTs增强铝锂合金复合坯料中的质量分数为0.1wt％；

(2)将SiC空心球、45#钢穿孔板和碳纳米管CNTs增强铝锂合金复合坯料按顺序依次装入45#钢包套内，并用氩弧焊密封好，45#钢穿孔板上设置有贯通的小孔，小孔的孔径d小于空心球的直径D，45#钢穿孔板的孔径d为0.2mm，空心球直径D为0.5mm，该45#钢包套有两个导气管，第一导气管与坯料端相连，用于载荷加载，第二导气管与空心球端相连，用于抽真空。

(3)将45#钢包套置于箱式电阻炉内，打开真空机组对钢包套抽真空，直至真空度小于10^-2pa时，并持续维持此真空度，开始对45#钢包套加热，待45#钢包套内温度升至700℃时，保温60min，碳纳米管CNTs增强铝锂合金复合坯料完全熔化，打开减压阀通入氮气，氮气的纯度为99.99％，对熔体加载气压，压力2MPa，保压10min，将45#钢包套从箱式电阻炉中取出，空冷至室温，关闭减压阀和真空机组。

(4)利用机械加工的方式去除钢包套，获得纳米颗粒/空心球复合增强金属基复合材料。

实施例3

一种纳米颗粒/空心球复合增强金属基复合材料的制备方法，包括如下操作步骤：

(1)采用搅拌铸造制得碳化硅纳米颗粒增强铝合金复合坯料，碳化硅纳米颗粒在碳化硅纳米颗粒增强铝合金复合坯料中的质量分数为10wt％；

(2)将Al₂O₃/SiO₂空心球、20#钢穿孔板和碳化硅纳米颗粒增强铝合金复合坯料按顺序依次装入20#钢包套内，并用氩弧焊密封好，20#钢穿孔板上设置有贯通的小孔，小孔的孔径d小于空心球的直径D，45#钢穿孔板的孔径d为4.5mm，空心球直径D为5mm，该20#钢包套有两个导气管，第一导气管与坯料端相连，用于载荷加载，第二导气管与空心球端相连，用于抽真空。

(3)将20#钢包套置于箱式电阻炉内，打开真空机组对20#钢包套抽真空，直至真空度小于10^-2pa时，并持续维持此真空度，开始对20#钢包套加热，待20#钢包套内温度升至700℃时，保温60min，碳化硅纳米颗粒增强铝合金复合坯料完全熔化，打开减压阀通入氦气，氦气的纯度为99.99％，对熔体加载气压，压力0.1MPa，保压5min，将20#钢包套从箱式电阻炉中取出，空冷至室温，关闭减压阀和真空机组。

(4)利用机械加工的方式去除钢包套，获得纳米颗粒/空心球复合增强金属基复合材料。本申请各实施例中分别采用了不同材质的钢包套进行说明，本发明并不限于列举的这些材质，还可以综合考虑材质获得便利性、经济性、加工要求等因素选取相应的钢材。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。