一种金属基复合材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种金属基复合材料及其制备方法 (Metal-based composite material and preparation method thereof ) 是由 宋克兴 王要利 张彦敏 国秀花 周延军 李韶林 李海涛 杨冉 冯江 彭晓文 朱一 于 2021-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种金属基复合材料及其制备方法,属于金属基复合材料领域。本发明的金属基复合材料的制备方法,包括以下步骤：在金属复合材料固体熔融的过程中同步将产生的熔液进行沉积成型；沉积成型过程中对所述熔液施加一定方向的磁场；金属复合材料固体包括金属基体和分散在金属基体中线状导电增强相。该制备方法通过在沉积成型过程中施加一定方向的磁场,使得线状导电增强相在熔液进入熔池的过程中以及进入熔池后定向排布,然后凝固形成具有线状导电沉积相的沉积层,随着沉积层的不断堆积,最终形成金属基复合材料；该方法不仅可以提高金属基复合材料的韧性和强度,还可以使金属基复合材料的导热、导电性能沿增强相定向排布方向得到大幅提升。(The invention relates to a metal matrix composite material and a preparation method thereof, belonging to the field of metal matrix composite materials. The preparation method of the metal matrix composite material comprises the following steps: synchronously carrying out deposition molding on the generated molten liquid in the process of melting the metal composite material solid; applying a magnetic field in a certain direction to the molten liquid in the deposition forming process; the metal composite solid comprises a metal matrix and a linear conductive reinforcing phase dispersed in the metal matrix. The preparation method comprises the steps of applying a magnetic field in a certain direction in the deposition forming process, enabling the linear conductive reinforced phases to be directionally arranged in the process that molten liquid enters a molten pool and after entering the molten pool, then solidifying to form a deposition layer with the linear conductive deposition phases, and finally forming the metal matrix composite material along with the continuous accumulation of the deposition layer; the method can improve the toughness and strength of the metal matrix composite material, and can greatly improve the heat conduction and electric conduction performance of the metal matrix composite material along the directional arrangement direction of the reinforcing phase.)
技术领域
本发明涉及一种金属基复合材料及其制备方法，属于金属基复合材料领域。
背景技术
高强韧、高导电/导热的高性能铜合金以其优异的机械性能和功能特性在航空航天、军事国防、集成电路、交通运输等领域应用广泛，是国民经济和国家重大战略需求装备制造的关键材料。但随着航空航天等高端装备制造业的竞争及轨道交通、电力能源、电子信息等国家重点领域的高速发展，服役环境愈加苛刻，对铜合金提出了更高的要求。为此，许多学者通过将具有优异力学性能的第二相引入铜基体制备铜基复合材料，以弥补铜基体的短板缺陷，实现综合性能的协同提升。研究表明添加增强相的铜基复合材料在强度提升的同时，塑韧性均有不同程度的降低，因此开发的新型铜基复合材料强塑性失配问题阻碍其进一步发展和应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属基复合材料的制备方法，可在提高金属基复合材料的强度的同时提高其塑性。
本发明还提供了一种采用上述金属基复合材料的制备方法制备的金属基复合材料。
为了实现以上目的，本发明的金属基复合材料的制备方法所采用的技术方案是：
一种金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：在金属复合材料固体熔融的过程中同步将产生的熔液进行沉积成型；沉积成型过程中对所述熔液施加一定方向的磁场；所述金属复合材料固体包括金属基体和分散在金属基体中线状导电增强相。
本发明的金属基复合材料的制备方法，通过在沉积成型过程中施加一定方向的磁场，使得线状导电增强相在熔液进入熔池的过程中以及进入熔池后定向排布，然后凝固形成具有线状导电沉积相的沉积层，随着沉积层的不断堆积，最终形成具有定向排布的线状导电增强相的金属基复合材料。
本发明的金属基复合材料的制备方法不仅可以提高金属基复合材料的韧性和强度，还可以使金属基复合材料的导热、导电性能沿增强相定向排布方向得到大幅提升。
为了进一步提升金属基复合材料的性能，优选的，所述磁场的强度为0.5-15T。
优选的，所述金属基体与线状导电增强相的质量之比为70-99.99:0.01-30。
优选的，所述线状导电增强相均匀分散在金属基体中。进一步的，所述金属复合材料固体是将混合料压制形成。所述压制在真空条件下进行。优选的，所述压制为冷等静压或热压。
优选的，所述冷等静压的压力为200-600MPa。所述冷等静压的时间为20-60min。
所述热压的温度在金属基体熔点以下20-70℃。优选的，所述热压的温度为600-960℃。所述热压的压力为60-300MPa。所述热压的时间为10-50min。所述混合料主要由均匀混合的金属粉体和线状导电增强相组成。
优选的，所述线状导电增强相选自碳纳米管、导电晶须、导电纤维中的一种或任意组合。可以理解的是，线状导电增强相的长度大于直径。进一步的，线状导电增强相的长度为直径的10倍以上。优选的，所述碳纳米管的长度为0.5-30μm，直径为10-80nm，例如长度为10-30μm，直径为10-80nm或长度为0.5-2μm，直径为10-30nm。对于多壁碳纳米管而言，此处的直径是指外径。所述导电晶须的长度为3-30μm，直径为0.5-5μm，例如长度为20-30μm，直径为1-5μm或长度为5-30μm，直径为0.5-2μm。所述导电纤维的长度为30-50μm，直径为8-15μm。
优选的，所述碳纳米管为多壁碳纳米管。所述导电晶须为钛的硼化物晶须，优选的所述钛的硼化物晶须为一硼化钛晶须或二硼化钛晶须。所述导电纤维为碳纤维。
优选的，所述金属基体为纯铜基体、铜基合金基体、锡基合金基体或镍基合金基体。
优选的，所述铜基合金基体选自Cu-Cr合金、Cu-Zr合金、Cu-Cr-Zr合金、Cu-Ti合金或Cu-Fe合金。所述锡基合金基体选自SnAg合金、SnCu合金、SnAgCu合金、SnBi合金或SnZn合金。
优选的，沉积成型的过程中同时对所述熔液施加一定方向的电场；所述电场方向与磁场方向一致。
优选的，所述电场的强度为500-5000V/cm。
优选的，金属复合材料固体的熔融过程以及将产生的熔液沉积成型过程在真空自耗电极电弧熔炼炉中进行；所述金属复合材料固体为自耗电极。熔融及沉积成型过程中，真空自耗电极电弧熔炼炉内为真空或保护气氛环境。采用真空自耗电极电弧熔炼炉时，自耗电极不断地熔融，同时铸锭自下而上地在结晶器中连续凝固增高。
本发明的金属基复合材料所采用的技术方案为：
一种采用上述的金属基复合材料的制备方法制得的金属基复合材料。
本发明的金属基复合材料，不仅具有较高的韧性和强度，还在沿增强相定向排布方向上具有良好的导热和导电性能。
附图说明
图1为实施例1中制得的金属基复合材料的碳化硅增强Cu-Cr基复合材料的金相图；
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1-6中金属基复合材料的制备方法电弧熔炼时采用设备为的真空自耗电极电弧熔炼炉。
实施例1
本实施例的金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)混粉
将粒径为50-90μm的CuCr合金粉(CuCr合金粉由以下质量百分比的组分组成：Cr0.5％，余量为Cu)和线状导电增强相按照质量比为90:10的比例放入混粉机中混合3h后混合均匀，得到混合料；所采用线状导电增强相为TiB晶须，长度为5-30μm，直径为0.5-2μm；
2)制坯
将步骤1)所得混合料置于模具内在真空条件下进行冷等静压，得到铜基金属复合材料坯体(即金属复合材料固体)；冷等静压的压力为200MPa，时间60min；
3)电弧熔炼
将步骤2)所制备的铜基金属材料坯体作为自耗电极放入真空自耗电极电弧熔炼炉内，在真空度为10-3Pa的真空环境下进行电弧熔炼，得到铸锭，即得；
电弧熔炼过程中，保持自耗电极的电流密度为5A/mm2，同时施加强度为0.5T的磁场，使自耗电极熔融、熔液滴落以及熔液凝固均在该磁场中进行；磁场方向在电弧熔炼过程中保持固定不变；
电弧熔炼过程中，自耗电极伸入坩埚中，随着自耗电极不断地熔融，同步产生的熔液也不断落入熔池中并冷却凝固，铸锭自下而上地在坩埚中随着溶液的连续凝固而增高；
本实施例制得的金属基复合材料的金相组织如图1所示，由图1可知，CuCr金属基体中的TiB晶须沿磁场方向发生了明显的定向排布，其性能呈现明显的各向异性，沿增强相定向排布风向具有更高的力学性能及导电导热性能。
实施例2
本实施例的金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)混粉
将铜合金粉和线状导电增强相按照质量比为99.99:0.01的比例放入混粉机中混合12h后混合均匀，得到混合料；所采用的铜合金粉为CuZr合金粉(CuZr合金粉由以下质量百分比的组分组成：Zr 0.1％，余量为Cu)，线状导电增强相为多壁碳纳米管，外径为10-30nm长度为0.5-2μm；
2)制坯
将步骤1)所得混合料置于模具内在真空条件下进行热压，得到铜基金属复合材料坯体(即金属复合材料固体)；热压的温度为600℃，压力为300MPa，时间为50min；
3)电弧熔炼
将步骤2)所制备的铜基金属材料坯体作为自耗电极放入真空自耗电极电弧熔炼炉内，在惰性气体保护下进行电弧熔炼，得到铸锭，即得；
电弧熔炼过程中，控制自耗电极的电流密度为300A/mm2，同时施加强度为5T的磁场以及强度为3000V/cm的电场，使自耗电极熔融、熔液滴落以及熔液凝固均在该磁场以及电场中进行；磁场方向在电弧熔炼过程中保持固定不变，且电场的方向与磁场的方向保持一致。本实施例的制备方法，熔炼结束后即可得到增强相方向与电磁场方向保持一致具有各向异性的增强相定向排布的CuZr基复合材料。
实施例3
本实施例的金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)混粉
将粒径为50-100μm的Cu粉、Cr粉和Zr粉按比例配制成混合金属粉(混合金属粉由以下质量百分比的组分组成：Cr 0.5％、Zr 0.1％，余量为Cu)和线状导电增强相按照质量比为70:30的比例放入混粉机中混合8h后混合均匀，得到混合料；
线状导电增强相为TiB晶须，长度为20-30μm，直径为1-5μm；
2)制坯
将步骤1)所得混合料置于模具内在真空条件下进行热压，得到铜基金属复合材料坯体(即金属复合材料固体)；热压的温度为960℃，压力为60MPa，时间为10min；
3)电弧熔炼
将步骤2)所制备的铜基金属材料坯体作为自耗电极放入真空自耗电极电弧熔炼炉内，在惰性气体保护下进行电弧熔炼，得到铸锭，即得；
电弧熔炼过程中，控制自耗电极的电流密度为100A/mm2，同时施加强度为10T的磁场以及强度为5000V/cm的电场，使自耗电极熔融、熔液滴落以及熔液凝固均在该磁场以及电场中进行；磁场方向在电弧熔炼过程中保持固定不变，且电场的方向与磁场的方向保持一致。
实施例4
本实施例的金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)混粉
将铜合金粉和线状导电增强相按照质量比为85:15的比例放入混粉机中混合8h后混合均匀，得到混合料；所采用的铜合金粉为直径为60-90μm的Cu-Ti合金粉(Cu-Ti合金粉由以下质量百分比的组分组成：Ti 3％，余量为Cu)，线状导电增强相为多壁碳纳米管，长度为10-30μm，外径为10-80nm；
2)制坯
将步骤1)所得混合料置于模具内在真空条件下进行冷等静压，得到铜基金属复合材料坯体(即金属复合材料固体)；冷等静压的压力为600MPa，时间20min；
3)电弧熔炼
将步骤2)所制备的铜基金属材料坯体作为自耗电极放入真空自耗电极电弧熔炼炉内，在惰性气体保护下进行电弧熔炼，得到铸锭，即得；
电弧熔炼过程中，控制自耗电极的电流密度为200A/mm2，同时施加强度为15T的磁场以及强度为500V/cm的电场，使自耗电极熔融、熔液滴落以及熔液凝固均在该磁场以及电场中进行；磁场方向在电弧熔炼过程中保持固定不变，且电场的方向与磁场的方向保持一致。
实施例5
本实施例的金属基复合材料的制备方法，与实施例2的金属基复合材料的制备方法的区别仅在于：本实施例的步骤1)中所采用的铜合金粉为CuFe合金粉(CuFe合金粉由以下质量百分比的组分组成：Fe 0.5％，余量为Cu)，并且实施例2的步骤3)中不施加电场，仅施加磁场。
实施例6
本实施例的金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)混粉
将粒径为30-50μm的SnAgCu合金粉(SnAgCu合金粉中由以下质量百分比的组分组成：Ag 3.8％、Cu 0.7％，余量为Sn)和线状导电增强相按照质量比为99:1的比例放入混粉机中混合8h后混合均匀，得到混合料；所采用线状导电增强相为碳纤维，长度为30-50μm，直径为8-15μm；
2)制坯
将步骤1)所得混合料置于模具内在真空条件下进行冷等静压，得到锡基金属复合材料坯体(即金属复合材料固体)；冷等静压的压力为200MPa，时间60min；
3)电弧熔炼
将步骤2)所制备的锡基金属材料坯体作为自耗电极放入真空自耗电极电弧熔炼炉内，在真空度为10-3Pa的真空环境下进行电弧熔炼，得到铸锭，即得；
电弧熔炼过程中，保持自耗电极的电流密度为200A/mm2，同时施加强度为5T的磁场以及强度为1000V/cm的电场，使自耗电极熔融、熔液滴落以及熔液凝固均在该磁场中进行；磁场方向在电弧熔炼过程中保持固定不变，且电场的方向与磁场的方向保持一致；
电弧熔炼过程中，自耗电极伸入坩埚中，随着自耗电极不断地熔融，同步产生的熔液也不断落入熔池中并冷却凝固，铸锭自下而上地在坩埚中随着溶液的连续凝固而增高。
实施例7
本实施例的金属基复合材料采用上述实施例1-6中任意一种金属基复合材料的制备方法制得，此处不再赘述。
对比例1
本对比例的金属基复合材料的制备方法，与实施例1的金属基复合材料的制备方法的区别仅在于：省去实施例1的步骤3)中施加的磁场。
对比例2
本对比例的金属基复合材料的制备方法，与实施例2的金属基复合材料的制备方法的区别仅在于：同时省去实施例2的步骤3)中施加的磁场和电场。
对比例3
本对比例的金属基复合材料的制备方法，与实施例6的金属基复合材料的制备方法的区别仅在于：本申请省去步骤3)中施加的磁场和电场。
实验例
分别测定实施例1-6以及对比例的金属基复合材料的制备方法制得的金属基复合材料在线状增强相定向排布方向上的电导率、热传导系数、抗拉强度和伸长率。
具体的测试方法为：金属复合材料电导率测试方法按照GB/T 32791-2016《铜及铜合金导电率涡流测试方法》进行；抗拉强度及延伸率测试标准按照GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行；热传导析出的测量按照GB/T 3651-2008《金属高温导热系数测量方法》进行。
表1实施例1-6以及对比例1-3中制备的金属基复合材料的性能测试结果
由表1中数据可知：通过在复合材料熔融沉积过程中施加磁场或磁场+电场，可制备出导电增强相沿电场方向定向排布金属基复合材料，复合材料沿增强相定向排布方向上不仅强度和韧性明显提高，而且由于桥连作用复合材料的导电导热性能也有大幅提升。
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