本发明涉及金属基复合材料，c22c21/00，尤其涉及一种微纳协同增强金属基复合材料及其制备方法。
背景技术：
1、随着科学技术的进步，传统的金属或合金材料已远远不能满足如航空航天、海洋基建、电子、3d打印等领域的性能需要，发展金属基复合材料以提高其各方面的性能已经成为了目前的研究趋势。
2、已有很多研究向金属基体中复合微米增强体提高金属基材料的综合性能(如弹性模量、强度、塑性、耐磨性、硬度、导热等)，但由于微米颗粒和金属基材料间的弹性模量差别较大，其增强材料在服役受力时塑韧变形不协调，界面处仍会存在残余应力，从而使金属基材料容易发生应力集中、应变局域化而开裂，导致材料失效；另外微米颗粒和金属基体的热膨胀系数匹配不协调，在两相界面区域存在较高的热应力失配现象；以上都会导致金属基材料综合性能的降低。
3、目前有很多研究通过微纳混杂以改善上述技术问题，但是效果却并不理想。中国专利cn 103866154a公开了一种复合材料中微纳米颗粒增强相的弥散分布方法，技术中通过将微纳米颗粒和金属基体共同球磨，使体系均匀混合，并利用高速球磨的能量在微纳米粉体和金属基材料间产生焊合效应，提高增强相的润湿性，并减少界面脆性层或脆性相的产生，但是这种弥散分布仍然无法解决微纳米增强区和金属基材料匹配性不好的问题，金属基复合材料的力学性能仍然存在较大的提升空间；中国专利cn 102703742a公开了一种基体为纳米叠层结构的金属基复合材料及其制备方法，其技术中将纳米陶瓷原位包裹于金属粉末表面，借助于纳米陶瓷/金属粉末的叠层设计弱化了每个区域间的金属材料和微米颗粒间的不匹配现象，但其中金属粉末的晶粒分布仍是按照本身的状态并未产生改变，即内部金属材料的应力场没有从根本上被改变，其复合材料中金属材料和微米颗粒间的热失配和弹性模量仍然存在匹配空间，微纳相对金属的增强也存在不足。因此，如何在提高金属基复合材料强度的同时，保持其具有足够的塑韧性，即如何实现金属基复合材料的最佳强韧化是本技术主要解决的问题。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本发明首先提供了一种微纳协同增强金属基复合材料，所述复合材料具有两级结构，其中，一级结构：由金属基体和均匀分布在金属基体晶粒组织中的纳米增强相构成；二级结构：由所述一级结构和微米增强相组装而成。
2、进一步地，所述一级结构中，金属基体和纳米增强相构成叠层结构微区，不同微区之间呈随机取向。
3、已有研究在微米颗粒基础上通过加入纳米颗粒子形成无规分布的微纳协同增强体以减弱微米颗粒和金属材料间的界面应力，然而纳米颗粒由于粒径小、相同重量下数目更多、分布不均匀等原因，在调节应力场时仍然存在增强体内匹配性不好的问题；据此，本技术在增强体的复合结构上进行了研究，本技术首先在金属的基体组织中构建纳米增强区，在金属晶粒组织中均匀分布、取向随机的纳米增强体直接改变金属基体晶粒的组织形态和微观结构，从根本上改变金属基体的应力应变场分布状态，可避免金属基体材料和微米增强相间的热膨胀突跳，之后，再将纳米增强体和金属基体材料组成的一级结构与微米增强体进行叠层，构建微纳叠层复合材料，进一步规定纳米增强相和微米增强相的添加量，通过调控纳米增强区和微米增强区的分布状态和尺寸实现对增强体内界面反应的控制，提高金属增强体内的匹配性，并利用纳米增强区和微米增强区的协同作用提高金属基材料的力学性能。
4、进一步地，所述叠层结构微区中，每层厚度为0.05-5μm。
5、进一步地，所述一级结构中，金属基体为包括但不限于铝、镁、钛、铜、铁、镍及其合金中的任意一种。
6、优选地，所述一级结构中，金属基体为铝合金。
7、进一步优选地，所述铝合金由各金属单质元素的粉末按照相应的含量复配而成，以保证一级结构中纳米增强体可以直接影响金属晶体的晶粒分布，使纳米增强体均匀分布于金属晶粒的组织中。
8、进一步地，所述铝合金选自al-cu-mg系、al-mg-si系、al-cu-mg-zn系、al-zn-mg-si系中的任意一种或几种的组合。进一步地，所述铝合金的牌号包括但不限于：2017a、2117、2218、2618、2618a、2219、2519、2024、2024a、6061、5083中的任意一种或多种的组合。
9、在一些实施方式中，所述铝合金为2024铝合金；按照总质量计，成分包括：0.5％硅、3.8-4.9％铜、0.3-0.9％锰、1.2-1.8％镁，铝补充余量为100％。
10、在一些实施方式中，所述铝合金为6061铝合金；按照总质量计，成分包括：0.15-0.4％铜、0.4-0.8％硅、0.15％锰、0.8-1.2％镁，铝补充余量为100％。
11、在一些实施方式中，所述铝合金为5083铝合金；按照总质量计，成分包括：0.1％铜、0.4％硅、0.4-1.0％锰、4.0-4.9％镁，铝补充余量为100％。
12、进一步地，所述纳米增强相包括但不限于纳米氧化物、纳米陶瓷颗粒、纳米金属粉、纳米碳中的任意一种或几种的组合。
13、进一步地，所述纳米碳选自碳纳米管、石墨烯、纳米金刚石、纳米碳洋葱中的任意一种或几种的组合。
14、进一步地，所述纳米氧化物选自包括但不限于al2o3、sio2、cuo、fe2o3、zno、zro2、ag2o、wo3、nio、bi2o3中的至少一种。
15、进一步地，所述纳米陶瓷颗粒选自包括但不限于sic、tic、wc、b4c、al4c3、tib2、zrb2、aln、tin中的至少一种。
16、进一步地，所述纳米金属粉选自包括但不限于cu、fe、zn、ag、w、ni、al、mg、ti中的至少一种。
17、在一种优选的实施方式中，所述纳米增强相为碳纳米管，平均直径为5-30nm，优选为10-15nm；平均长度为5-45μm，优选为5-20μm。
18、进一步地，所述纳米增强相占复合材料体积的0.1-8％，优选为0.1-5％。
19、进一步地，对于所述二级结构，微米增强相的颗粒平均直径为1-50μm，优选为3-30μm。
20、进一步地，所述微米增强相选自包括但不限于wc、al4c3、b4c、zrb2、aln、sic、tic、tib、tib2、aln、tin、al2o3中的一种或多种的组合。
21、在一种实施方式中，所述微米增强相包括b4c和al2o3，两者质量比为(1-3)：(0-5)，优选为(1-3)：(2-5)。
22、进一步地，所述b4c的颗粒平均直径为5-10μm；所述al2o3的颗粒平均直径为0.5-30μm，优选为1-8μm。
23、在另一种实施方式中，所述微米增强相包括sic和al2o3，两者质量比为(2-7)：1。
24、进一步地，所述sic的颗粒平均直径为5-20μm。
25、进一步地，所述微米增强相占复合材料体积的5-45％。
26、其次，本技术还提供了一种所述微纳协同增强金属基复合材料的制备方法，所述方法按照以下步骤：
27、s1、构建一级结构：
28、低速球磨，将金属粉末片化，并将纳米相均匀分布在片状金属基材的晶粒组织中；
29、高速球磨，将分布了纳米相的金属基材的晶粒组织层叠复合；
30、s2、构建二级结构：
31、球磨将s1构建的一级结构和微米增强相组装，形成二级结构；
32、s3、材料致密化、成型：
33、将s2中制备的颗粒采用粉末压坯、烧结、热变形的方法，使复合材料致密化并成型即可。
34、进一步地，所述步骤s1中，低速球磨的转速为60-300转/分钟，优选为100-200转/分钟；球磨时间为4-12h，优选为6-12h。
35、进一步地，所述步骤s1中，高速球磨的转速为250-400转/分钟，优选为280-350转/分钟；球磨时间优选为0.5-2.5小时。
36、进一步地，所述步骤s2中，球磨转速为120-600转/分钟，球磨时间小于2.5小时，优选为0.5-2.5小时。
37、进一步地，所述球磨过程中，料球比为1：5-1：50；优选为1：10-1：40；进一步优选为1：15-1：30。
38、进一步地，所述步骤s3中，冷压成型压力为300-700mpa；烧结温度为550-700℃，烧结时间为2-6h；。
39、进一步地，所述步骤s3中，热变形温度为300-600℃，优选为300-400℃，挤压比为10：1-25：1。
40、有益效果
41、1、本技术在金属基体组织中构建纳米增强区，改变金属基体晶粒的组织形态和微观结构，并形成微纳叠层微区，且不同微区之间呈随机取向，从根本上改变金属基体的应力场分布，提高金属基复合材料的强塑性匹配；
42、2、纳米增强区晶粒尺寸小，更够有效降低体系中由于热膨胀系数不匹配产生的残余拉应力，通过将纳米增强区均匀地分散在金属基体晶粒组织中，可避免金属基体材料和微米增强相之间在任何方向上的热膨胀突跳，有效降低并分散复合材料内部的残余热应力，提高复合材料的协调变形能力；
43、3、本技术通过优化设计思路和复合材料的制备工艺，利用微米增强相和纳米增强相的协同作用，使具有叠层结构的金属复合材料具有优异的力学性能。