一种耐疲劳、高韧性复合结构轴类构件的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种耐疲劳、耐冲击的复合结构轴状构件的制备方法，属于制备加工技术领域。该方法通过粉末烧结将富含纳米增强相的耐疲劳复合材料层包覆在高韧性轴状结构金属基体材料表面，整体坯锭再经热挤压变形提高复合材料层与芯部金属基体之间的结合强度，获得表面复合材料层与芯部基体层结合良好的复合结构轴类构件，由芯部金属基体赋予构件较高的整体韧性，表面高强、高刚度复合材料层可有效抑制疲劳裂纹萌生，提高构件的整体抗疲劳能力。提高构件的整体抗疲劳能力。

【技术实现步骤摘要】
一种耐疲劳、高韧性复合结构轴类构件的制备方法


[0001]本专利技术涉及制备加工
，具体涉及一种耐疲劳、高韧性复合结构轴类构件的制备方法。

技术介绍

[0002]轴类结构件是工程领域中常用的承力部件，使役过程中不仅要求其具有较高的韧度以提升安全服役系数，还要求其具有较高的耐疲劳性能以提升整体部件的使用寿命。然而，材料的韧性与疲劳强度之间往往难以兼顾，为追求部件的整体综合性能，大多数工程领域使用韧性与疲劳强度相对折中的材料体系，这限制了轴类部件在载荷工况下的应用。

技术实现思路

[0003]针对现有技术中存在的上述不足之处，本专利技术目的在于提供一种耐疲劳、高韧性复合结构轴类构件的制备方法，该方法制备了富含纳米增强相的耐疲劳复合材料层包覆在高韧性轴类基体上的复合结构轴类构件，由芯部金属基体赋予构件较高的整体韧性，表面高强、高刚度复合材料层可有效抑制疲劳裂纹萌生，从而提高构件的整体抗疲劳能力。
[0004]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0005]一种耐疲劳、高韧性复合结构轴类构件的制备方法，该方法首先将富含纳米增强相的耐疲劳复合材料层通过粉末烧结包覆在高韧性轴状结构金属基体材料表面，获得坯锭；然后将整体坯锭经热挤压变形提高复合材料层与芯部金属基体之间的结合强度，获得表面复合材料层与芯部基体层结合良好的复合结构轴类构件，由芯部金属基体赋予构件较高的整体韧性，表面高强、高刚度复合材料层可有效抑制疲劳裂纹萌生，提高构件的整体抗疲劳能力。
[0006]该方法包括如下步骤：
[0007](1)将纳米增强相与金属粉末(铝合金、铜合金、钛合金等粉末中的一种)进行共混，通过高能球磨法使纳米相在金属粉末中均匀分散，获得纳米相增强金属基复合材料粉末；
[0008](2)取与步骤(1)中金属粉末对应的金属棒材基体(芯部基体)放入圆筒状烧结模具中作为芯部主要支撑结构；
[0009](3)将步骤(1)中的复合材料粉末装入烧结模具中，依次进行冷压成型和粉末冶金烧结获得坯锭，该坯锭中复合材料粉末与芯部轴状基体进行初步结合；
[0010](4)对步骤(3)所得的坯锭进行热挤压，即可获得表面复合材料层与芯部基体紧密结合的复合结构轴类构件,
[0011](5)对步骤(4)所得的轴类构件进行固溶与时效热处理。
[0012]上述步骤(1)中，所述金属粉末的平均粒径为0.1μm～200μm，纳米增强相的平均径向尺寸为10～100nm，纳米增强相在总粉末(纳米增强相+金属粉末)中所占比例为0.2
‑
10vol.％，高能球磨的球料重量比为10:1～30:1。
[0013]所述纳米增强相为碳纳米管、石墨烯、纳米碳化硅和纳米碳化钛中的一种。
[0014]上述步骤(2)中，轴类构件中芯部基体所占体积比例为50％至95％；金属基体棒材放入圆筒状烧结模具前需要将其表面打磨光滑。
[0015]上述步骤(3)中，所述粉末冶金烧结采用气氛或真空条件下的真空热压烧结、热等静压或放电离子束烧结工艺，烧结温度控制在金属粉末熔点以下10至100℃之间。
[0016]上述步骤(4)中，挤压比控制在4：1至30：1，所述挤压温度控制在固溶温度以下20至200℃之间；
[0017]上述步骤(5)中，根据目标材料牌号，进行相应的固溶与时效热处理。
[0018]本专利技术设计机理如下：
[0019]本专利技术通过复合结构设计，在轴类部件的芯部使用高韧性金属基体可以减少脆断发生风险，同时在表面赋予高耐疲劳的纳米复合材料层抑制疲劳裂纹萌生，从而可以提高整体部件的使用寿命。粉末冶金是一种固相材料制备技术，由于其无需重熔，可以保持初始粉末铺设结构，具有较高灵活性，十分适用于复合结构材料零部件制备。
[0020]本专利技术设计出一种以金属基体作为轴芯，纳米相增强金属基复合材料包覆在金属基体表面的复合结构，通过粉末冶金结合后续热挤压使两种结构层紧密结合的制备方法，制备出的复合结构轴类构件兼具高韧性与高耐疲劳性能。
[0021]本专利技术的耐疲劳、高韧性复合结构轴类构件的制备方法的优点和有益效果如下：
[0022]1、与高强铝合金相比，高周疲劳寿命可提高一倍以上。
[0023]2、轴心部位采用高韧度基体合金，提高整体部件疲劳强度的同时，韧性不降低。
[0024]3、纳米相对表面层晶粒的钉扎作用会细化晶粒，可提高轴类构件的表面光洁度。
具体实施方式
[0025]以下结合实施例详述本专利技术。
[0026]本专利技术将富含纳米增强相的耐疲劳复合材料层通过粉末烧结包覆在高韧性轴状结构金属基体材料表面，整体坯锭再经热挤压变形提高复合材料层与芯部金属基体之间的结合强度，获得表面复合材料层与芯部基体层结合良好的复合结构轴类构件，由芯部金属基体赋予构件较高的整体韧性，表面高强、高刚度复合材料层可有效抑制疲劳裂纹萌生，提高构件的整体抗疲劳能力。
[0027]实施例1
[0028]选用平均粒径13μm的2009Al粉，与2wt.％含量、平均直径15nm的碳纳米管(CNT)粉末使用高能球磨机进行混合，球料重量比为15：1，转速350rpm，最大线速度为4.4m/s，获得CNT/2009Al复合材料粉末。取2009Al棒材置于热压空心模具中心，将复合材料粉末铺设在棒材表面，复合材料粉末空间占比10vol.％。然后在540℃、80MPa对粉末进行热压并真空烧结2小时，烧结坯锭在400℃进行挤压，挤压比4:1。将复合棒材在500℃下固溶2小时，然后经180℃人工时效12小时，最终获得高性能复合结构构件。
[0029]本实施例制造了表面覆有CNT复合材料层、芯部为铝合金的复合结构轴类部件，复合材料层与基体层能够紧密结合，最终构件的疲劳强度可达350MPa，冲击韧度可达92KJ/m2。
[0030]对比例1
[0031]选用平均粒径13μm的2009Al粉，与2wt％含量、平均直径15nm的碳纳米管(CNT)粉末使用高能球磨机进行混合，球料重量比为15：1，转速350rpm，最大线速度为4.4m/s，获得CNT/2009Al复合材料粉末。然后在540℃、80MPa对粉末进行热压并真空烧结2小时，烧结坯锭在400℃进行挤压，挤压比4:1。将复合材料棒材在500℃固溶2小时，然后经180℃人工时效12小时，得到复合材料轴类构件，其疲劳强度可达400MPa，冲击韧度仅有12KJ/m2。
[0032]实施例2
[0033]选用平均粒径20μm的7055Al粉，与2wt.％含量、平均粒径30nm的SiC粉末使用高能球磨机进行混合，球料重量比为10：1，转速350rpm，最大线速度为4.4m/s，获得SiC/7055Al复合材料粉末。取7055Al棒材置于热压空心模具中心，将复合材料粉末铺设在棒材表面，复合材料粉末占比15vol.％。然后在500℃、90MPa对粉末进行热压并真空烧结2小时，烧结坯锭在400℃进行挤压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耐疲劳、高韧性复合结构轴类构件的制备方法，其特征在于：该方法首先将富含纳米增强相的耐疲劳复合材料层通过粉末烧结包覆在高韧性轴状结构金属基体材料表面，获得坯锭；然后将整体坯锭经热挤压变形提高复合材料层与芯部金属基体之间的结合强度，获得表面复合材料层与芯部基体层结合良好的复合结构轴类构件，由芯部金属基体赋予构件较高的整体韧性，表面高强、高刚度复合材料层可有效抑制疲劳裂纹萌生，提高构件的整体抗疲劳能力。2.根据权利要求1所述的耐疲劳、高韧性复合结构轴类构件的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：(1)将纳米增强相与金属粉末(铝合金、铜合金、钛合金等粉末中的一种)进行共混，通过高能球磨法使纳米相在金属粉末中均匀分散，获得纳米相增强金属基复合材料粉末；(2)取与步骤(1)中金属粉末对应的金属棒材基体(芯部基体)放入圆筒状烧结模具中作为芯部主要支撑结构；(3)将步骤(1)中的复合材料粉末装入烧结模具中，依次进行冷压成型和粉末冶金烧结获得坯锭，该坯锭中复合材料粉末与芯部轴状基体进行初步结合；(4)对步骤(3)所得的坯锭进行热挤压，即可获得表面复合材料层与芯部基体紧密结合的复合结构轴类构件；(5)对步骤(4)所得的轴类构件进行固溶与时效热处理。3.根据权利要求2所述的耐疲劳、高韧性复合结构轴类构件的...

【专利技术属性】
技术研发人员：马凯，刘振宇，肖伯律，马宗义，张峻凡，昝宇宁，朱士泽，王东，王全兆，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：