CN102108460A - 形状记忆合金颗粒增强轻金属基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种形状记忆合金颗粒增强轻金属基复合材料及其制备方法，该形状记忆合金颗粒增强轻金属基复合材料由基体和形状记忆合金颗粒组成，其中形状记忆合金颗粒的体积含量为5～40％；该复合材料的厚度为2～20毫米；其制备方法为采用点阵式多孔颗粒预置方式，将形状记忆合金颗粒预置于铝合金或镁合金板材中，通过搅拌摩擦加工工艺制备出形状记忆合金颗粒增强轻金属基复合材料；本发明复合材料中颗粒分布均匀，颗粒与基体界面干净，没有反应物生成，该复合材料具有形状记忆效应和优良的阻尼性能。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料，特别提供了一种形状记忆合金颗粒增强轻金属基复合材料及其制备方法。
背景技术
形状记忆合金具有特殊的形状记忆效应，即受力变形的材料经历温度变化后发生马氏体-奥氏体转变，回复到原来的形状。这一效应使得该类材料成为智能材料领域的研究热点，是制备传感器、执行器的优质材料，具有广阔的应用前景。目前已开发出Co基，Zr基，Ni-Al基，Ni-Ti基，Ni-Mn基，Ti-Pt基，Ta-Ru基，Nb-Ru基，Ni-Mn-Ga基，Fe-Mn-Si基，Cu-Al-Ni基等种形状记忆合金。
由于形状记忆合金的密度较大，使其在空间结构中的应用受到局限。在保有形状记忆特性的条件下降低材料的密度是实现减重的关键，而复合材料是实现这一想法的有效途径。铝合金、镁合金具有轻质、高强、成形性好等优点，而且对热的响应比较快，若将形状记忆合金添加到其中制成铝基或镁基复合材料将能同时发挥形状记忆合金和轻合金的性能优势。目前关于形状记忆合金增强镁基复合材料还尚未见报导。关于形状记忆合金增强铝基复合材料主要有两类：一类是采用叠层法将形状记忆合金纤维分层铺设到铝箔上，加压烧结形成复合材料。一类是采用粉末冶金法将形状记忆合金粉末与铝合金粉末混合经热压烧结而成。不过，这两种制备方法的发展目前都面临着巨大的困难。一是高温下基体中的铝元素会扩散到形 状记忆合金中破坏其形状记忆效应；二是铝与基体发生反应，在界面处生成脆性反应物，降低结合效果；三是对于粉末冶金材料来说，存在一定量的孔洞，易在变形过程中断裂。尽管最近有报导称在缩短烧结时间的条件下(由90分钟减少到15分钟)所制备的复合材料中没有发现反应物，但由于其烧结温度没有变化，仍处于反应区间内，所以没有从根本上消除化学反应的可能性。而且，对于粉末冶金来说，当烧结时间过短时，基体粉末的塑化、致密化、均匀化不充分，颗粒之间结合不牢固，对于尺寸大的材料来说还会存在烧结不透的现象。
搅拌摩擦加工(Friction stir processing，FSP)是近年来发展起来的一种短流程、高效能、适用范围广泛的新型材料制备与加工技术，已被成功应用于金属基复合材料的制备，特别是对于制备在高温下易于反应的复合材料体系具有突出优势。这是由于一方面FSP是在固态下加工，其加工温度低于常规成型技术；另一方面FSP加工速度快，材料在高温下经历的时间非常短。
有研究者尝试采用FSP制备了NiTi颗粒增强1100铝合金复合材料，方法如下：尺寸为102×76×6毫米的1100Al合金板材，在距上表面0.9毫米的地方钻4条直径平行于表面的深孔，孔的直径为1.6毫米，长度为76毫米。在孔中装入2～193微米的NiTi颗粒，在转速为1000转/分、行进速度为25毫米/分的条件下沿孔深方向进行FSP。获得NiTi颗粒含量为8％的表面复合材料层，复合层的厚度小于2毫米。但该种方法制备的复合材料中颗粒分布的均匀性不理想，而且难于制备出大尺寸的块体复合材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种形状记忆合金颗粒增强轻金属基复合材料及其制备方法；本发明可在各种铝合金或镁合金板材上制备表面复合材料层或块体复合材料，由于形状记忆合金具有优异的阻尼性能，因此引入形状记忆合金后，复合材料的阻尼性能也显著提高。
本发明提供了一种形状记忆合金颗粒增强轻金属基复合材料，该形状记忆合金颗粒增强轻金属基复合材料由基体和形状记忆合金颗粒组成，其中形状记忆合金颗粒的体积含量为5～40％；该复合材料的厚度为2～20毫米。复合材料中颗粒分布均匀，颗粒与基体界面干净，没有反应物生成，该复合材料具有形状记忆效应和优良的阻尼性能。
本发明提供的形状记忆合金颗粒增强轻金属基复合材料，所述基体为铝合金或镁合金；所述形状记忆合金颗粒为Co基、Zr基、Ni-Al基、Ni-Ti基、Ni-Mn基、Ti-Pt基、Ta-Ru基、Nb-Ru基、Ni-Mn-Ga基、Fe-Mn-Si基、Cu-Al-Ni基形状记忆合金颗粒中至少一种。
本发明还提供了形状记忆合金颗粒增强轻金属基复合材料的制备方法，采用点阵式多孔颗粒预置方式，将形状记忆合金颗粒预置于铝合金或镁合金板材中，通过搅拌摩擦加工工艺制备出形状记忆合金颗粒增强轻金属基复合材料。
本发明提供的形状记忆合金颗粒增强轻金属基复合材料的制备方法，所述点阵式多孔颗粒预置方式为在金属板材表面上钻出一系列以点阵规律排列的小孔，将直径在0.1微米～0.5毫米的形状记忆合金颗粒均匀地装满小孔并压实。
本发明提供的形状记忆合金颗粒增强轻金属基复合材料的制备方法，所述搅拌摩擦加工工艺条件为在工具转速200～2500转/分钟、行进速度20～600毫米/分钟的工艺条件下，对装满颗粒的地方进行2～6道次搅拌摩擦加工。通过控制孔的直径、深浅与密集程度控制颗粒的添加量，形成形状记忆合金颗含量为5～40％的表面复合材料层或块体复合材料。
本发明提供的形状记忆合金颗粒增强轻金属基复合材料的制备方法，所述点阵规律排列的小孔的直径为0.5～20毫米，深度为0.5～20毫米。
本发明复合材料中颗粒分布均匀，颗粒与基体界面干净，没有反应物生成，该复合材料具有形状记忆效应和优良的阻尼性能。
具体实施方式
下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。
实施例1
低体积分数、大尺寸NiTi增强铝复合材料制造工艺：在6061铝板上钻出垂直于板材表面、呈直线排列的一系列小孔，孔的直径为2毫米、深度为5毫米，孔中心间距为3毫米。将直径为150～178微米的NiTi颗粒装入孔中压实，在转速600转/分钟、行进速度100毫米/分钟的条件下进行4道次FSP。所得复合材料的厚度为5毫米，NiTi颗粒的体积分数为5％，分布非常均匀，与铝基体结合良好，在颗粒/基体界面处没有反应物存在。材料具有形状记忆特性和优于母材的阻尼性能。
实施例2
高体积分数、大尺寸NiTi增强铝复合材料制造工艺：在6061铝板上钻 出垂直于板材表面、呈直线排列的一系列小孔，孔的直径为4毫米、深度为5毫米，孔中心间距为5毫米。将直径为150～178微米的NiTi颗粒装入孔中压实，在转速600转/分钟、行进速度100毫米/分钟的条件下进行4道次FSP。所得复合材料的厚度为5毫米，NiTi颗粒的体积分数为10％，分布非常均匀，与铝基体结合良好，在颗粒/基体界面处没有反应物存在。材料具有形状记忆特性和优于母材的阻尼性能。其马氏体转变起始、结束温度分别为14.5℃、39.6℃，奥氏体转变起始温度为12.5℃。其室温拉伸强度达到母材水平，其中屈服强度300MPa，抗拉强度320MPa，延伸率10％。
实施例3
高体积分数、小尺寸NiTi增强铝复合材料制造工艺：在6061铝板上钻出垂直于板材表面、呈直线排列的一系列小孔，孔的直径为4毫米、深度为5毫米，孔中心间距为5毫米。将直径为0.5～74微米的NiTi颗粒装入孔中压实，在转速800转/分钟、行进速度100毫米/分钟的条件下进行2道次FSP。所得复合材料的厚度为5毫米，NiTi颗粒的体积分数为12％，分布非常均匀，与铝基体结合良好，在颗粒/基体界面处没有反应物存在。材料具有形状记忆特性和优于母材的阻尼性能。
实施例4
NiTi增强铝基表层复合材料制造工艺：在5083铝板上钻出垂直于板材表面、呈直线排列的一系列小孔，孔的直径为1毫米、深度为0.5毫米，孔中心间距为1毫米。将直径为0.5～74微米的NiTi颗粒装入孔中压实，在转速400转/分钟、行进速度100毫米/分钟的条件下进行2道次FSP。所得复合材料的厚度为1毫米，NiTi颗粒的体积分数为7％，分布非常均匀，与铝 基体结合良好，在颗粒/基体界面处没有反应物存在。
实施例5
NiMnGa增强铝复合材料制造工艺：在2024铝板上钻出垂直于板材表面、呈直线排列的一系列小孔，孔的直径为4毫米、深度为5毫米，孔中心间距为5毫米。将60目(直径250微米的以下)的NiMnGa颗粒装入孔中压实，在转速600转/分钟、行进速度100毫米/分钟的条件下进行4道次FSP。所得复合材料的厚度为5毫米，颗粒的体积分数为9％，分布非常均匀，与铝基体结合良好，在颗粒/基体界面处没有反应物存在，材料具有形状记忆特性和优于母材的阻尼性能。
实施例6
CuAlNi增强铝复合材料制造工艺：在7075铝板上钻出垂直于板材表面、呈直线排列的一系列小孔，孔的直径为4毫米、深度为5毫米，孔中心间距为5毫米。将60目(直径250微米的以下)的CuAlNi颗粒装入孔中压实，在转速1000转/分钟、行进速度100毫米/分钟的条件下进行2道次FSP。所得复合材料的厚度为5毫米，颗粒的体积分数为8％，分布非常均匀，与铝基体结合良好，在颗粒/基体界面处没有反应物存在，材料具有形状记忆特性和优于母材的阻尼性能。
实施例7
NiTi增强镁基复合材料制造工艺：在AZ31镁板上钻出垂直于板材表面、呈直线排列的一系列小孔，孔的直径为4毫米、深度为5毫米，孔中心间距为5毫米。将直径为150～178微米的NiTi颗粒装入孔中压实，在转速600转/分钟、行进速度100毫米/分钟的条件下进行4道次FSP。所得复 合材料的厚度为5毫米，NiTi颗粒的体积分数为10％，分布非常均匀，与镁基体结合良好，在颗粒/基体界面处没有反应物存在。材料具有形状记忆特性和优于母材的阻尼性能。
实施例8
CuAlNi增强镁基复合材料制造工艺：在AZ80镁板上钻出垂直于板材表面、呈直线排列的一系列小孔，孔的直径为4毫米、深度为5毫米，孔中心间距为5毫米。将60目(直径250微米的以下)的CuAlNi颗粒装入孔中压实，在转速1000转/分钟、行进速度100毫米/分钟的条件下进行2道次FSP。所得复合材料的厚度为5毫米，颗粒的体积分数为8％，分布非常均匀，与镁基体结合良好，在颗粒/基体界面处没有反应物存在，材料具有形状记忆特性和优于母材的阻尼性能。
比较例1
尺寸为102×76×6毫米的1100Al合金板材，在距上表面0.9毫米的地方钻4条直径为1.6毫米长76毫米的深孔，装入2～193微米的NiTi颗粒，在转速为1000转/分、行进速度为25毫米/分的条件下沿孔深方向进行FSP。获得NiTi颗粒含量为8％的表面复合材料层，复合层的厚度小于2毫米。但该种方法制备的复合材料中颗粒分布的均匀性不理想，而且难于制备出大尺寸的块体复合材料。(M.Dixit，et al.Scripta Mater.56(2007)541-544.)
比较例2
采用常规热压烧结方法制备NiTi增强2124铝复合材料。将平均颗粒尺寸为32微米的铝粉与193微米的NiTi粉末充分混合，密封抽真空，在773K时烧结90分钟，然后在温度753K、压力440兆帕、速度0.4毫米/秒的条 件下挤压成棒材。工艺复杂，成本高，所得复合材料中NiTi颗粒与铝基体反应严重，NiTi颗粒周围有一层厚厚的反应生成物层。(R.R.Thorat，et al.，J.Alloy.Compd.477(2009)307-315.)
比较例3
采用常规热压烧结方法制备NiTi增强2124铝复合材料。将平均颗粒尺寸为32微米的铝粉与193微米的NiTi粉末充分混合，密封抽真空，在773K时烧结15分钟，然后在温度703K、压力650兆帕、速度0.4毫米/秒的条件下挤压成直径为10.4毫米的棒材。所得复合材料中没有观察到反应生成物层。但工艺复杂，成本高，而且由于烧结时间很短，无法制备出大尺寸材料。(D.San Martina，et al.，Mater.Sci.Eng.A 526(2009)250-252.) 。
Claims (8)
1.一种形状记忆合金颗粒增强轻金属基复合材料，其特征在于：该形状记忆合金颗粒增强轻金属基复合材料由基体和形状记忆合金颗粒组成，其中形状记忆合金颗粒的体积含量为5～40％；该复合材料的厚度为2～20毫米。
2.按照权利要求1所述形状记忆合金颗粒增强轻金属基复合材料，其特征在于：所述基体为铝合金或镁合金。
3.按照权利要求1所述形状记忆合金颗粒增强轻金属基复合材料，其特征在于：所述形状记忆合金颗粒为Co基、Zr基、Ni-Al基、Ni-Ti基、Ni-Mn基、Ti-Pt基、Ta-Ru基、Nb-Ru基、Ni-Mn-Ga基、Fe-Mn-Si基、Cu-Al-Ni基形状记忆合金颗粒中至少一种。
4.权利要求1所述形状记忆合金颗粒增强轻金属基复合材料的制备方法，其特征在于：采用点阵式多孔颗粒预置方式，将形状记忆合金颗粒预置于铝合金或镁合金板材中，通过搅拌摩擦加工工艺制备出形状记忆合金颗粒增强轻金属基复合材料。
5.按照权利要求4所述形状记忆合金颗粒增强轻金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述点阵式多孔颗粒预置方式为在金属板材表面上钻出一系列以点阵规律排列的小孔，将直径在0.1微米～0.5毫米的形状记忆合金颗粒均匀地装满小孔并压实。
6.按照权利要求4所述形状记忆合金颗粒增强轻金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述搅拌摩擦加工工艺条件为在工具转速200～2500转/分钟、行进速度20～600毫米/分钟的工艺条件下，对装满颗粒的地方进行2～6道次搅拌摩擦加工。
7.按照权利要求5所述形状记忆合金颗粒增强轻金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述点阵规律排列的小孔的直径为0.5～20毫米，深度为0.5～20毫米。
8.权利要求1所述形状记忆合金颗粒增强轻金属基复合材料具有形状记忆效应和优良的阻尼性能。
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