CN116970834A - 一种坡度金属基陶瓷复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种坡度金属基陶瓷复合材料及其制备方法，属于复合材料制备技术领域。针对目前搅拌摩擦加工在金属基复合材料制备时，搅拌头同轴送粉时出现卡粉、团聚以及混粉不均匀的问题，本发明通过使用设有不同规格孔道的中空多径搅拌头，实现不更换搅拌头进行另一粒径增强相的加入，以及不同粒径增强相的同时加入，实现多种粒径的配比优化；通过调控搅拌头中的微型数控电动机，改变增强相成分分布，满足成分均匀变化的坡度金属基陶瓷复合材料制备需求。本发明对于增加机械设备零部件的耐磨性，提高其使用寿命具有重大意义，使材料得到更广泛、更精确的应用。
Description
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种坡度金属基陶瓷复合材料及其制备方法。
背景技术
随着现代科技的高速发展，各行各业对于材料的性能要求越发严格，其中具有高比强度、高比模量、耐磨和耐高温等许多优良性能的颗粒增强复合材料得到了广泛的应用，但仍旧存在以下问题：1）实现增强相颗粒的均匀分布使得制备工艺及流程格外复杂；2）由于增强相颗粒的加入，材料在提高强度的同时牺牲了其韧性和塑性。实际服役过程中磨损往往只在工件表面发生，很难在材料表面完成颗粒增强相的复合，获得表面耐磨性优，芯部塑、韧性好的复合材料。根据使用要求加入不同的增强相成分，获得增强相成分均匀变化的坡度复合材料，可极大地提高零部件在复杂服役条件下的使用性。
搅拌摩擦加工（FSP）技术是一种非常有效的加工制备技术，是材料微观结构改性、细晶超塑性材料和表面复合材料制备的一项新技术。搅拌摩擦加工是通过将搅拌头压入材料表面，由摩擦产生大量的摩擦热将搅拌头周围的金属基体加热到热塑性软化状态，当搅拌头以一定的速度沿加工方向进给时，内部材料不断地塑性变形和破碎，增强颗粒和塑性金属材料相互搅拌混合，最终实现材料组织细化、结构均匀化，达到强化材料的目的。但是，现阶段广泛使用的搅拌摩擦加工技术在制备连续坡度金属基陶瓷复合材料时，存在以下几点关键难题：
1) 现阶段FSP技术中搅拌头使用的是同轴送粉，增强相加工过程中会出现卡粉、团聚以及混粉不均匀；
2) 使用FSP技术对工件加工，大多只能制备质地均匀的材料，增加耗材的同时也限制其应用范围。
发明内容
针对目前搅拌摩擦加工在金属基复合材料制备时，搅拌头同轴送粉时出现卡粉、团聚以及混粉不均匀的问题，以及为适应各种服役条件，根据使用要求改变增强相成分分布，实现坡度表面复合材料制备的需求，本发明提供了一种坡度金属基陶瓷复合材料及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种坡度金属基陶瓷复合材料的制备方法，通过搅拌摩擦加工方法对搅拌头增设若干相同/不同直径的进料孔道，同时增加不同粒径的增强相；向相同/不同直径的进料孔道加入相应尺寸的增强相颗粒，直至进料孔道被完全填充；调整搅拌头的倾斜角，将搅拌头移至待加工工件表面，制备工件表面的复合材料层，通过调控搅拌头中的微型数控电动机，改变增强相成分分布，制备出成分均匀变化的坡度金属基陶瓷复合材料。
进一步，当所述增强相颗粒的粒径为d时，进料孔道的直径为1.01d~1.1d。
进一步，所述进料孔道的数量为6~8个。
进一步，所述调整搅拌头的倾斜角的具体方法是：预设搅拌头运行轨迹，调整搅拌头倾斜角为0.5°±0.2°。
进一步，所述搅拌头移至待加工工件表面时，压入待加工工件表面中的转速是100rad/min~1000 rad/min，压入深度为0.l mm~1.0 mm，压入后停留1 s~10 s。
进一步，所述通过调控搅拌头中的微型数控电动机，改变增强相成分分布，制备出成分均匀变化的坡度金属基陶瓷复合材料的具体方法是：启动微型数控电动机，使调控增强相颗粒流速的扇叶转动，并设置转速为10 rad/min~100 rad/min，增强相颗粒流入扇叶上方后，在转动扇叶的带动下，增强相颗粒流过进料孔道并开始作用于工件表面，并根据服役条件需要，控制搅拌头行进过程中微型数控电动机控制的扇叶转速，以改变增强相颗粒作用于工件表面的数量并获得成分均匀变化的表面复合材料，同时控制搅拌头沿加工方向开始行进，搅拌头的旋转速度为100 rad/min ~1000 rad/min，搅拌头的行进速度为5 mm/min~200 mm/min；
搅拌加工结束时，关闭微型数控电动机，扇叶停止旋转，进料孔道中的增强相颗粒停留在扇叶上方不再流出，停止搅拌头的旋转和行进，并抬升至离开工件表面，即完成一道次加工，重复上述步骤使整个待加工面获得坡度表面复合耐磨材料；
将坡度表面复合耐磨材料置于光滑玻璃平面上，砂纸从50-1000#依次递增打磨坡度表面复合耐磨材料周边并进行抛光，随后用体积百分比为50%的酒精溶液对其进行擦拭，自然风干，制备出成分均匀变化的坡度金属基陶瓷复合材料。
一种如上述制备方法制得的坡度金属基陶瓷复合材料。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
1、本发明使用的搅拌头，不会出现送粉时搅拌头中的卡粉和颗粒团聚现象，增强相颗粒分布更均匀，材料性能提高更为明显；
2、本发明使用的搅拌头的进料孔道设置不同规格时，实现不更换搅拌头进行另一粒径增强相的加入，以及不同粒径增强相的同时加入，实现多种粒径的配比优化；
3、本发明通过控制所使用的搅拌头中的微型数控电动机转速，实现搅拌头行进过程中增强相添加成分及数量可控，获得成分连续变化的坡度表面复合材料，针对不同服役条件设计不同结构形式的复合材料，更加适用于不同的复杂工况。
附图说明
图1是本发明制备坡度金属基陶瓷复合材料流程图；
图2是实施例1的显微组织图像；
图3是实施例2的显微组织图像；
图4是实施例3的显微组织图像。
具体实施方式
实施例1
如图1是本发明制备坡度金属基陶瓷复合材料流程图所示；一种坡度金属基陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：通过搅拌摩擦加工方法对搅拌头增设6个直径为1.1d的进料孔道，同时增加相应尺寸的增强相颗粒，增强相颗粒粒径为d，直至进料孔道被完全填充；预设搅拌头运行轨迹，调整搅拌头倾斜角为0.7°，将搅拌头移至待加工工件表面，制备工件表面的复合材料层，搅拌头移至待加工工件表面加工时，压入待加工工件表面中的转速是800 rad/min，压入深度为1.0 mm，压入后停留8 s；启动微型数控电动机，使调控增强相颗粒流速的扇叶转动，并设置转速为100 rad/min，增强相颗粒流入扇叶上方后，在转动扇叶的带动下，增强相颗粒流过进料孔道并开始作用于工件表面，并根据服役条件需要，控制搅拌头行进过程中微型数控电动机控制的扇叶转速，以改变增强相颗粒作用于工件表面的数量并获得成分均匀变化的表面复合材料，同时控制搅拌头沿加工方向开始行进，搅拌头的旋转速度为800 rad/min，搅拌头的行进速度为200 mm/min。搅拌加工结束时，关闭微型数控电动机，扇叶停止旋转，进料孔道中的增强相颗粒停留在扇叶上方不再流出，停止搅拌头的旋转和行进，并抬升至离开工件表面，即完成一道次加工，重复上述步骤使整个待加工面获得坡度表面复合耐磨材料。将坡度表面复合耐磨材料置于光滑玻璃平面上，砂纸从50~1000#依次递增打磨坡度表面复合耐磨材料周边并进行抛光，随后用体积百分比为50%的酒精溶液对其进行擦拭，自然风干，制备出成分均匀变化的坡度金属基陶瓷复合材料，如图2所示，图2是实施例1的显微组织图像；维氏硬度见表1：
表1 实施例1维氏硬度
| 热影响区 | 过渡区 | 焊核区 | |
| 硬度(HV) | 168 | 179 | 189 |
。
实施例2
一种坡度金属基陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：通过搅拌摩擦加工方法对搅拌头增设8个直径为1.1d的进料孔道，同时增加相应尺寸的增强相颗粒，增强相颗粒粒径为d，直至进料孔道被完全填充；预设搅拌头运行轨迹，调整搅拌头倾斜角为0.3°，将搅拌头移至待加工工件表面，制备工件表面的复合材料层，搅拌头移至待加工工件表面加工时，压入待加工工件表面中的转速是100 rad/min，压入深度为0.3 mm，压入后停留1 s；启动微型数控电动机，使调控增强相颗粒流速的扇叶转动，并设置转速为10 rad/min，增强相颗粒流入扇叶上方后，在转动扇叶的带动下，增强相颗粒流过进料孔道并开始作用于工件表面，并根据服役条件需要，控制搅拌头行进过程中微型数控电动机控制的扇叶转速，以改变增强相颗粒作用于工件表面的数量并获得成分均匀变化的表面复合材料，同时控制搅拌头沿加工方向开始行进，搅拌头的旋转速度为100 rad/min，搅拌头的行进速度为5 mm/min。搅拌加工结束时，关闭微型数控电动机，扇叶停止旋转，进料孔道中的增强相颗粒停留在扇叶上方不再流出，停止搅拌头的旋转和行进，并抬升至离开工件表面，即完成一道次加工，重复上述步骤使整个待加工面获得坡度表面复合耐磨材料。将坡度表面复合耐磨材料置于光滑玻璃平面上，砂纸从50~1000#依次递增打磨坡度表面复合耐磨材料周边并进行抛光，随后用体积百分比为50%的酒精溶液对其进行擦拭，自然风干，制备出成分均匀变化的坡度金属基陶瓷复合材料。如图3所示，图3是实施例2的显微组织图像；维氏硬度见表2：
表2 实施例2维氏硬度
| 热影响区 | 过渡区 | 焊核区 | |
| 硬度(HV) | 160 | 171 | 179 |
。
实施例3
一种坡度金属基陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：通过搅拌摩擦加工方法对搅拌头增设3个直径为1.01d和3个直径为1.1d的进料孔道，同时增加相应尺寸的增强相颗粒，增强相颗粒粒径为d，直至进料孔道被完全填充；预设搅拌头运行轨迹，调整搅拌头倾斜角为0.5°，将搅拌头移至待加工工件表面制备工件表面的复合材料层，搅拌头移至待加工工件表面加工时，压入待加工工件表面中的转速是1000 rad/min，压入深度为0.l mm，压入后停留10 s；启动微型数控电动机，使调控增强相颗粒流速的扇叶转动，并设置转速从40 rad/min到70 rad/min均匀增加，增强相颗粒流入扇叶上方后，在转动扇叶的带动下，增强相颗粒流过进料孔道并开始作用于工件表面，并根据服役条件需要，控制搅拌头行进过程中微型数控电动机控制的扇叶转速，以改变增强相颗粒作用于工件表面的数量并获得成分均匀变化的表面复合材料，同时控制搅拌头沿加工方向开始行进，搅拌头的旋转速度为500 rad/min，搅拌头的行进速度为120 mm/min。搅拌加工结束时，关闭微型数控电动机，扇叶停止旋转，进料孔道中的增强相颗粒停留在扇叶上方不再流出，停止搅拌头的旋转和行进，并抬升至离开工件表面，即完成一道次加工，重复上述步骤使整个待加工面获得坡度表面复合耐磨材料。将坡度表面复合耐磨材料置于光滑玻璃平面上，砂纸从50~1000#依次递增打磨坡度表面复合耐磨材料周边并进行抛光，随后用体积百分比为50%的酒精溶液对其进行擦拭，自然风干，制备出成分均匀变化的坡度金属基陶瓷复合材料。如图4所示，图4是实施例3的显微组织图像；维氏硬度见表3：
表3 实施例3维氏硬度
| a处 | b处 | c处 | |
| 硬度(HV) | 190 | 184 | 170 |
。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (7)
1.一种坡度金属基陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：通过搅拌摩擦加工方法对搅拌头增设若干相同/不同直径的进料孔道，同时增加相应尺寸的增强相颗粒；向相同/不同直径的进料孔道加入相应尺寸的增强相颗粒，直至进料孔道被完全填充；调整搅拌头的倾斜角，将搅拌头移至待加工工件表面，制备工件表面的复合材料层，通过调控搅拌头中的微型数控电动机，改变增强相成分分布，制备出成分均匀变化的坡度金属基陶瓷复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种坡度金属基陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：当所述增强相颗粒的粒径为d时，进料孔道的直径为1.01d~1.10d。
3.根据权利要求1所述的一种坡度金属基陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：所述进料孔道的数量为6~8个。
4.根据权利要求1所述的一种坡度金属基陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：所述调整搅拌头的倾斜角的具体方法是：预设搅拌头运行轨迹，调整搅拌头倾斜角为0.5°±0.2°。
5.根据权利要求1所述的一种坡度金属基陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：所述搅拌头移至待加工工件表面时，压入待加工工件表面中的转速是100 rad/min~1000 rad/min，压入深度为0.l mm~1.0mm，压入后停留1 s~10 s。
6.根据权利要求1所述的一种坡度金属基陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：所述通过调控搅拌头中的微型数控电动机，改变增强相成分分布，制备出成分均匀变化的坡度金属基陶瓷复合材料的具体方法是：启动微型数控电动机，使调控增强相颗粒流速的扇叶转动，并设置转速为10 rad/min~100 rad/min，增强相颗粒流入扇叶上方后，在转动扇叶的带动下，增强相颗粒流过进料孔道并开始作用于工件表面，并根据服役条件需要，控制搅拌头行进过程中微型数控电动机控制的扇叶转速，以改变增强相颗粒作用于工件表面的数量并获得成分均匀变化的表面复合材料，同时控制搅拌头沿加工方向开始行进，搅拌头的旋转速度为100 rad/min ~1000 rad/min，搅拌头的行进速度为5 mm/min~200 mm/min；
搅拌加工结束时，关闭微型数控电动机，扇叶停止旋转，进料孔道中的增强相颗粒停留在扇叶上方不再流出，停止搅拌头的旋转和行进，并抬升至离开工件表面，即完成一道次加工，重复上述步骤使整个待加工面获得坡度表面复合耐磨材料；
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7.如权利要求1~6任意一项所述的一种坡度金属基陶瓷复合材料的制备方法制得的坡度金属基陶瓷复合材料。
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