CN1091171C - 一种非连续陶瓷增强剂增强的金属基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种非连续陶瓷增强剂增强的金属基复合材料的制备方法，适用于用非连续增强剂增强的金属基复合材料，其特征在于：在制备金属基复合材料之前，将非连续增强剂表面预制该金属基体涂层，涂层厚度在20～100μm；可适用的金属基体材料选择为Ni-Cr-Al-Ti、Fe-Ni-C、Ni-Ti合金，Ni、Mo、Cu金属，增强剂选择为TiC、WC、SiC、TiB₂的颗粒或晶须。本发明制备出的金属基复合材料具有更为良好的性能，且成本提高不多。

Description

一种非连续陶瓷增强剂增强的金属基复合材料的制备方法

本发明涉及复合材料的制备，特别提供了一种用金属涂层陶瓷增强剂增强的金属基复合材料的制备方法。

金属基复合材料具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损以及高强度、高韧性等优异性能，广泛地应用于航天，化工，机械等领域，它综合了金属塑性、韧性以及陶瓷材料的高温度、硬度，高模量，耐腐蚀的优点，可在高温、腐蚀、磨损等苛刻的工作条件下使用。但由于制备工艺复杂和成本高的限制，长期以来只在有限的领域得到应用。随增强剂成本降低和复合材料制备工艺技术的发展，金属基复合材料的应用范围逐渐扩大。航天、航空领域应用的复合材料通常采用连续纤维增强的高比强金属基复合材料，性能优异，但成本较高且工艺复杂，对于工业应用的高温耐腐蚀金属基复合材料，人们更感兴趣的是非连续增强剂增强、增韧的复合材料，这是因为一方面非连续增强剂成本低，另一方面非连续增强剂增强金属基复合材料制备工艺简单，此外还可采用挤压，轧制等工艺进行二次加工，一般来讲，非连续增强剂增强的金属基复合材料用传统的粉末冶金工艺制备，即将金属基体与增强剂均匀混合经液相烧结致密制备出复合材料，混合过程中的不均匀性，一方面将弱化增强剂颗粒、晶须与金属基体的界面结合，另一方面影响烧结性和材料的性能。因此非连续增强剂增强的金属基复合材料制备中的关健问题，一是增强剂与基体的界面相容性，另一是陶瓷增强剂在金属基体中的分散均匀性问题。

本发明的目的在于提供一种非连续陶瓷增强剂增强的金属基复合材料的制备方法，其制备出的金属基复合材料具有更为良好的性能，且成本提高不多。

本发明提供了一种金属基复合材料的制备方法，适用于用非连续增强剂增强的金属基复合材料，采用粉末冶金方法，即带金属涂层的陶瓷与金属按比例混合，经高温烧结，得到复合材料；在制备金属基复合材料之前，将非连续增强剂表面预制该金属基体涂层，涂层厚度在20～100μm，可适用的金属基体材料包括Ni-Cr-Al-Ti、Fe-Ni-C、Ni-Ti合金，Ni、Mo或Cu金属，增强剂包括TiC、WC、SiC、TiB₂的颗粒或晶须。为更好地解决陶瓷颗粒与基体间的相容性问题，在预制金属基体涂层前先在增强剂表面制备一层同时与增强剂和金属基体均有良好润湿性的金属涂层。对于导电的增强剂直接采用电镀的方法，在增强剂上预制金属涂层。对于不导电的增强剂，首先通过化学镀在表面形成金属膜，然后用电镀法形成需要的膜。用电化学方法在陶瓷颗粒、晶须表面进行预镀涂层这是本发明的又一特点，相对化学气相沉积，物理气相沉积涂层，电化学法具有无污染和低成本性，本发明有下述几种较佳选择：

1.金属基体选择为Ni-Cr-Al-Ti、Fe-Ni-C或Ni-Ti合金，增强剂选择为TiC或WC镀Ni膜，增强剂的加入量占总体积的30～80％。

2.金属基体选择为Cu基复合材料，增强剂选择为SiC晶须，TiB₂、Mo颗粒镀Cu膜，增强剂加入量占总体积的5～50％。

3.金属基体选择为Ni基复合材料，增强剂选择为SiC晶须镀Ni膜，增强剂加入量占总体积的30～70％。

总之，本发明用电化学方法在陶瓷颗粒、晶须表面进行预涂层以解决界面相容性与增强剂分散均匀性的问题，其所获得的带有金属涂层的复合增强剂增强的金属基复合材料比相同体积分数的不涂层增强剂增强的Cu、Ni-Cr等金属基复合材料获得的密度、强度、硬度等力学性能均高，下面通过实施例详述本发明。

实施例1 TiC-Ni-Cr-Ti-Al金属基复合材料的制备

1.增强剂TiC的表面涂层：

采用电化学方法在TiC表面预镀Ni薄膜

TiC颗粒表面的敏化和活化工艺：

①敏化：敏化溶剂：

SnCl₂·2H₂O          10～20(g)

      Hcl              40～50ml(37％溶液)

      水               1000ml

      室温             5～10分钟

②活化：活化溶液

      PdCl₂(氯化钯)   0.4～0.8(g)

      Hcl              10ml(30％溶液)

      水               1000ml

      室温             5～10分钟

③Ni化学镀溶液：

硫酸镍(NiSO₄·7H₂O)         20～25克/升

次磷酸钠(NaH₂Po₂·H₂O)     15～20克/升

醋酸钠NaC₂H₃O₂             10克/升

柠檬酸钠Na₃C₆H₃O₇·2H₂O 10克/升

pH值                           4.1～4.4

温度                           85～90℃

在TiC表面形成Ni薄膜后再进一步采用电镀方法制备TiC/Ni膜复合粉末：控制Ni膜厚度在20～100μm。

④Ni电镀镀液

NiSO₄·7H₂O  250～300克/升

NiCl₂·6H₂O  30～60克/升

H₃BO₃        35～40克/升

十二烷基硫酸钠

C₁₂H₂₅SO₄Na   0.25～0.1克/升

pH               3～4

温度             45～60℃

电流密度         1～2.5A/dm²

2.获得TiC/Ni膜复合粉末后，同Cr粉末混合均匀在980℃～1050℃真空扩散固溶，为增强Cr的扩散能力，加入一定量的活化剂(CrCl₃·6H₂O，NH₄Cl，CrBr₃·6H₂O等)制备出具有良好界面结构的TiC-NiCr复合粉末，加入Ti-Al经热压，常压烧法制备出高性能的TiC-NiCrTiAl复合材料，成分为：50TiC，26Ni，22Cr，1.5Ti，0.5Al(体积份数)，与末加涂层的材料相比性能得到显著提高。性能比较见下表。

性能材料	KIC(MPam1/2)	Of(MPa)	Hv
				有涂层	20	1500	2300
无涂层	15	800	1900

实施例2 SiC晶须Cu基复合材料

SiC晶须和TiC颗粒一样是非导体，采用活化表面后才能用电化学方法镀膜，从而获得SiC/Cu膜复合晶须，

1.敏化过程：

  SnCl₂·2H₂O                  10～20(g)

      HCl                        40～60ml(37％水溶液)

      水                         1000ml

      室温                       5～10分钟

2.活化过程

  PdCl₂                         0.5～0.8(g)

      Hcl                        10ml(37％溶液)

      水                         1000ml

      室温                       5～10分钟

3.化学镀Cu：

第一部分：CuSO₄·5H₂O           30～50(g)

          KNaC₄H₄O₆·4H₂O    160～180(g)

          NaOH                     50(g)

          水                       1000(g)

第二部分：HCHO                     200～300ml(37％)

混合两部分溶液，在室温下化学镀5～10分钟

4.电镀Cu膜

CuSO₄·5H₂O          150～250(8)

H₂SO₄                45～110(g)

温度                        20～50℃

电流密度                    1～3A/dm²

获得SiC晶须/Cu膜复合晶须，制备SiC晶须/Cu复合材料，其性能高于未镀膜的复合材料，见下表(5％体积份数的SiC晶须)。

性能材料	气孔率(％)	硬度(HB)	抗压强度(MPa)	热扩散(mm2/s)	热导率W/m℃
						镀膜	2.78	218	625	21	60
末镀膜	20.00	193	525	4.9	12

末镀膜采用直接机械混合获得

实例3 TiB₂/Cu基复合材料

TiB₂镀Cu膜方法同SiC/Cu复合材料制备工艺，其与机械混合粉末制备的复合材料相比性能得到提高：(TiB₂占50％)

性能材料	气孔率(％)	硬度(HB)	抗压强度(MPa)	热扩散(mm2/s)	热导率(W/m℃)
						镀膜	1.2	208	643	56	180
末镀膜	5.18	143	462	48	150

末镀膜采用直接机械混合获得

实侧4.Cu/Mo复合材料的制备

在Mo 表面镀Cu采用直接电镀的方式进行：

  CuSo₄·5H₂O为 150～250(g)

  H₂SO₄         45～110(g)

  温度                    20～50℃

  电流密度                1～3A/dm²

可获得要求厚度的Cu镀膜和机械混合的Cu/Mo复合材料，性能比较如下：(Mo占60％)

实例5  石黑粉末的金属涂层材料

石墨粉末的电镀Ni，Cu等金属膜工艺如下：

C/Cu膜：同Cu/Mo电镀工艺；

C/Ni膜工艺：

NiSO₄·7H₂O     250～300克/升

NiCl₂·6H₂O     30～60克/升

H₃BO₃           35～40克/升

十二烷基硫酸钠     0.25～0.1克/升

(C₁₂H₂₅SO₄Na)

PH值       3～4

温度：     45～60℃

电流密度： 1～2.5A/dm²

获得的石墨/Cu、Ni膜复合粉末材料应用于吸波过滤层材料，可大幅度提高吸波效果。

添加石墨/Cu膜粉提高阻抗过滤层的多层吸收体的共振吸收峰，基反射率的频带宽度比单层吸收体约宽一倍。

Claims (4)

1.一种非连续陶瓷增强剂增强的金属基复合材料的制备方法，适用于用非连续增强剂增强的金属基复合材料，其特征在于：采用粉末冶金方法，即带金属涂层的陶瓷与金属按比例混合，经高温烧结，得到复合材料；在制备金属基复合材料之前，将非连续增强剂表面预制该金属基体涂层，涂层厚度在20～100μm；可适用的金属基体材料选择为Ni-Cr-Al-Ti、Fe-Ni-C、Ni-Ti合金、Ni、Mo或Cu金属，增强剂选择为TiC、WC、SiC、TiH₂的颗粒或晶须；

其中，金属基体选择为Ni-Cr-Al-Ti、Fe-Ni-C或Ni-Ti合金，增强剂选择为TiC或WC镀Ni膜，增强剂的加入量占总体积的30～80％；

金属基体选择为Cu基复合材料，增强剂选择为SiC晶须，TiB₂、Mo颗粒镀Cu膜，增强剂加入量占总体积的5～50％；

金属基体选择为Ni基复合材料，增强剂选择为SiC晶须镀Ni膜，增强剂加入量占总体积的30～70％。

2.按权利要求1所述金属基复合材料的制备方法，其特征在于：在预制金属基体涂层前先在增强剂表面制备一层金属涂层。

3.按权利要求1所述金属基复合材料的制备方法，其特征在于：对于导电的增强剂直接采用电镀的方法，在增强剂上预制金属涂层。

4.按权利要求1所述金属基复合材料的制备方法，其特征在于：对于不导电的增强剂，首先通过化学镀在表面形成金属膜，然后再用电镀法形成需要的膜。