一种金属层状复合材料放电等离子体制备方法 【技术领域】
本发明涉及金属层状复合材料制备技术领域，特别是提供了一种金属层状复合材料放电等离子体制备方法。
背景技术
金属层状复合材料由于充分结合了两种或多种金属各自的优点，具有优良的物理性能、化学性能以及综合力学性能，在国民经济和国防军工各领域具有广泛用途。目前已经公开报道的以块体金属为原材料的金属层状复合材料的制备方法有轧制+扩散退火、电镀+退火+轧制、爆炸复合+热处理+轧制、滚焊复合+轧制+退火等几种[刘晓涛，等.层状金属复合材料生产工艺及其新进展.材料导报，2002，16(7)：41-43；潘晓亮，等.金属层状材料的复合技术及其新进展.轻合金加工技术，2008，36(5)：9-13]。但是，这些制备方法都明显地存在着一些不足：(1)工艺较为复杂，周期长；(2)复合材料界面状态的一致性和均匀性差，结合强度低，形状控制困难；(3)污染严重，生产成本高；(4)难于制备覆层厚度较薄或界面易生成金属间化合物的层状复合材料。因此，在现有金属层状复合材料制备技术的基础上，开发短流程、低成本、高效制备高质量金属层状复合材料的新技术，扩大其应用范围，仍然是国内外材料科学与工程领域的研究热点。
等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它是除固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境、空间物理、地球物理等科学的进一步发展提供了新的技术和工艺。
放电等离子体烧结(Spark Plasma Sintering，SPS)是在粉末颗粒间直接通入脉冲电流进行加热烧结，是近年来发展起来的一种新型的快速烧结技术，也是等离子体物理在材料领域的一个成功应用。由于放电等离子体烧结技术将等离子体活化、热压、电阻加热融为一体，因而具有加热均匀、升温或降温速度快(可以达到1000K/min)、烧结温度低(比常规的热压烧结低100～200℃)、保温时间短(通常在几分钟之内)、生产效率高、产品组织细小均匀、能保持原材料的自然状态、有利于控制烧结体的细微结构、获得的材料致密度高、性能好等特点，可以烧结梯度材料以及复杂形状制品。放电等离子体烧结技术利用脉冲能、放电脉冲压力和焦耳热产生的瞬时高温场来实现烧结过程，对于实现优质高效、低耗低成本的材料制备具有重要意义，在纳米材料、复合材料等的制备中显示了极大的优越性，现已成功应用于金属、陶瓷、金属间化合物、复合材料、功能材料、纳米块体材料和非晶块体材料的制备。
但是，目前放电等离子体烧结技术采用的原材料主要都是粉末颗粒，如果能够完全采用表面经过简单处理后的块体金属作为原材料，基于放电等离子体烧结技术原理，开发一种新的短流程高效金属层状复合材料制备技术，直接近终成形高质量金属层状复合材料，有利于拓展放电等离子体技术的应用领域和复合材料的品种，具有十分重要的意义。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种以块体金属为原料的金属层状复合材料放电等离子体制备方法，解决目前金属层状复合材料生产中工艺复杂、周期长、金属浪费严重、产品的界面尺寸均匀性较差、界面结合强度低、生产成本高等问题。
本发明开发一种金属层状复合材料放电等离子体制备方法，采用表面经过简单处理后的两种或两种以上块体金属为待复合原材料，借助在真空条件或惰性气氛以及合理匹配的放电等离子体制备工艺参数条件下，在脉冲放电产生的放电冲击波以及电子、离子在电场中反方向的高速流动作用下，块体金属待复合表面在一定程度上可被击穿，使待复合表面得以进一步快速净化、活化，使叠合在一起的块体金属待复合界面间发生冶金结合，在较小的压力下低温快速复合成形，直接获得界面平直、结合强度高、产品形状尺寸精确控制的金属层状复合材料，特别适用于覆层厚度较薄或界面易生成金属间化合物的金属层状复合材料的近终成形。
一种金属层状复合材料放电等离子体制备方法，制备步骤如下：
(1)准备好待复合的两种或两种以上块体金属坯料；
(2)采用机械或化学方法对上述坯料待复合表面进行简单处理；
(3)将待复合的块体金属坯料叠在一起直接置入石墨模具中，然后将模具放入放电等离子体烧结装置中；
(4)采用真空度10-2～10Pa的真空条件或惰性气氛，在30～400℃/min的速率下快速升温至400～1800℃，施加5～30MPa的轴向压力，保温1～15min进行放电等离子体复合成形；
(5)随炉冷却至室温，即可得到高质量、高性能的金属层状复合材料。
本发明优点在于：
(1)待复合的金属表面只需进行简单的处理，清洁度要求不高；
(2)金属层状复合材料的界面平直，结合强度高，形状控制精确；
(3)节能环保，操作简单，可重复性强；
(4)较小压力、低温短时成形高质量的金属层状复合材料，流程和周期短，成本低；
(5)特别适用于覆层厚度较薄或界面易生成金属间化合物的金属层状复合材料的近终成形；
(6)金属层状复合材料界面没有氧化物杂质，可以进行后续再加工。
【具体实施方式】
实施例1：
准备好待复合的QSn4-3锡青铜和LY12铝合金块体坯料，采用砂纸和酒精分别对QSn4-3锡青铜和LY12铝合金块体坯料待复合表面进行处理。将QSn4-3锡青铜和LY12铝合金块体坯料叠在一起直接置入石墨模具中，然后将模具放入放电等离子体烧结装置中，系统抽真空至2Pa，在30℃/min的速率下快速升温至480℃，施加30MPa的轴向压力，保温5min进行放电等离子体复合成形。随炉冷却至室温，即可得到高质量、高性能的QSn4-3锡青铜/LY12铝合金层状复合材料。
实施例2：
准备好待复合地QSn4-3锡青铜和LY12铝合金块体坯料，采用酒精和丙酮分别对QSn4-3锡青铜和LY12铝合金块体坯料待复合表面进行处理。将QSn4-3锡青铜和LY12铝合金块体坯料叠在一起直接置入石墨模具中，然后将模具放入放电等离子体烧结装置中，系统抽真空至5Pa，在70℃/min的速率下快速升温至490℃，施加20MPa的轴向压力，保温10min进行放电等离子体复合成形。随炉冷却至室温，即可得到高质量、高性能的QSn4-3锡青铜/LY12铝合金层状复合材料。
实施例3：
准备好待复合的QSn4-3锡青铜和LY12铝合金块体坯料，采用砂纸对QSn4-3锡青铜和LY12铝合金块体坯料待复合表面进行处理。将QSn4-3锡青铜和LY12铝合金块体坯料叠在一起直接置入石墨模具中，然后将模具放入放电等离子体烧结装置中，系统抽真空至7Pa，在250℃/min的速率下快速升温至500℃，施加10MPa的轴向压力，保温1min进行放电等离子体复合成形。随炉冷却至室温，即可得到高质量、高性能的QSn4-3锡青铜/LY12铝合金层状复合材料。
实施例4：
准备好待复合的纯铜和纯银块体坯料，采用砂纸和丙酮分别对纯铜和纯银块体坯料待复合表面进行处理。将纯铜和纯银块体坯料叠在一起直接置入石墨模具中，然后将模具放入放电等离子体烧结装置中，系统抽真空至1Pa，在110℃/min的速率下快速升温至550℃，施加25MPa的轴向压力，保温15min进行放电等离子体复合成形。随炉冷却至室温，即可得到高质量、高性能的纯铜/纯银层状复合材料。
实施例5：
准备好待复合的纯铜和纯银块体坯料，采用丙酮对纯铜和纯银块体坯料待复合表面进行处理。将纯铜和纯银块体坯料叠在一起直接置入石墨模具中，然后将模具放入放电等离子体烧结装置中，系统抽真空至3Pa，在190℃/min的速率下快速升温至570℃，施加5MPa的轴向压力，保温12min进行放电等离子体复合成形。随炉冷却至室温，即得到高质量、高性能的纯铜/纯银层状复合材料。
实施例6：
准备好待复合的纯铜和纯铝块体坯料，采用酒精对纯铜和纯铝块体坯料待复合表面进行处理。将纯铜和纯铝块体坯料叠在一起直接置入石墨模具中，然后将模具放入放电等离子体烧结装置中，系统抽真空至10Pa，在400℃/min的速率下快速升温至520℃，施加15MPa的轴向压力，保温8min进行放电等离子体复合成形。随炉冷却至室温，即可得到高质量、高性能的纯铜/纯铝层状复合材料。