CN100552072C - 原位自生氮化铝增强镁基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种原位自生氮化铝增强镁基复合材料及其制备方法，该复合材料是中，镁合金基体的重量百分比含量为80%-95%，AlN陶瓷颗粒重量百分比含量为5%--20%。镁合金基体中铝重量百分比含量是0%--9%。制备方法如下：(1)在10vol.%SF6+90vol.%CO2混合气体保护条件下，将镁铝合金原材料完全熔化；(2)然后把用铝箔包好的Mg3N2粉末压入镁铝熔体中；(3)在熔体中加入Mg3N2粉末后，保温，保证Mg3N2粉末与熔体中Al完全反应。(4)保温完成后用石墨圆盘搅拌熔体后，捞去表面的浮渣，并浇铸于金属模具凝固后得到所述材料。本发明制得的复合材料具有轻质、高强、高模量、耐高温等特点，可以广泛应用于交通运输业和国防工业。

Description

原位自生氮化铝增强镁基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种复合材料技术领域的镁基复合材料及其制备方法，特别是一种原位自生氮化铝增强镁基复合材料及其制备方法。
背景技术
颗粒增强镁基复合材料由于具有高的比强度、比模量和良好的耐磨、耐高温性能和减震性能，在航空航天、汽车工业中具有潜在的应用前景和广阔的市场。一般制备颗粒增强镁基复合材料都是采用外加法制备，用此种制备方法存在很大的缺点：(1)由于这种方法一般需要特殊的设备，增加了制造成本；(2)由于陶瓷颗粒与基体金属不润湿，难以制备出陶瓷颗粒均匀分布的金属基复合材料；(3)外加陶瓷颗粒尺寸一定，限制了增强相的尺寸；(4)陶瓷颗粒与金属的界面结合不良，影响到其最终的性能；(5)陶瓷颗粒与金属熔体发生界面不良反应，影响到其最终的性能。
经对现有技术的文献检索发现，Makoto Kobashi等人在《Materials Transactions，JIM》(日本金属学会，材料会刊)上，38(3)(1997)：260-265，撰文“Synthesis of AlN/AlAlloy Composites by in situ Reaction between Mg3N2 and Aluminum(利用氮化镁与铝原位反应合成氮化铝增强铝基复合材料)”，该文研究了用氮化镁和铝为原料制备氮化铝增强铝基复合材料。虽然铝合金已经很轻，但是随着节能减耗要求的提高和对环保的日益重视，现在人们正在努力开发更轻的结构材料，所以有必要研究用镁合金取代铝合金制备更轻的氮化铝增强镁基复合材料。
发明内容
本发明针对现有技术中的缺陷，提供一种原位自生氮化铝增强镁基复合材料及其制备方法，使其通过将搅拌铸造法和原位反应法结合起来，设计一种在镁铝合金内部自生成AlN陶瓷颗粒增强镁基复合材料。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明所涉及的陶瓷颗粒增强镁基复合材料，是由镁合金基体和AlN陶瓷颗粒共同构成，镁合金基体的重量百分比含量为：80％-95％，AlN陶瓷颗粒重量百分比含量为：5％--20％。
所述镁合金基体中，铝重量百分比含量是：0％--9％，余量为Mg。
本发明所涉及的AlN陶瓷颗粒增强镁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)在SF6和CO2混合气体保护条件下，将镁铝合金原材料完全熔化；
(2)然后把用铝箔包好的Mg3N2粉末压入镁铝熔体中；
(3)在熔体中加入Mg3N2粉末后，保温，保证Mg3N2粉末与熔体中Al完全反应；
(4)保温完成后用石墨圆盘搅拌熔体，捞去表面的浮渣，并浇铸于金属模具凝固后得到本发明原位自生氮化铝增强镁基复合材料。
步骤(1)中，所述的熔化，其温度控制在680℃-720℃之间。
步骤(1)中，所述的SF6和CO2混合气体，其中SF6体积占10％，CO2体积占90％。
步骤(2)中，所述的Mg3N2粉末，其颗粒尺寸为20μm-45μm。
步骤(3)中，所述保温，其时间为30分钟-60分钟。
步骤(4)中，所述的搅拌，其速度为200-1000r/min，搅拌时间为10分钟-30分钟。
本发明是以镁铝合金和Mg3N2粉末为原材料，根据镁铝合金熔体中3molAl与1molMg3N2反应生成2molAlN和3molMg保证Mg3N2与镁合金中Al发生上述反应形成AlN陶瓷颗粒，并采用搅拌铸造法和原位反应法相结合的制备方法。由于AlN陶瓷颗粒是在搅拌铸造过程中通过化学反应在镁合金基体内自生成的，具有与基体的界面相容性好，增强相的颗粒尺寸可控，增强相分布均匀等特点，因而制备的镁基复合材料具有良好的机械和物理性能；有效地避免了传统外加法制备复合材料时，增强相的尺寸受限制、增强相与基体结合不好、增强相分布不均匀等问题。
本发明在不改变原有搅拌铸造设备和工艺流程的条件下简捷地制备出原位镁基复合材料；并且镁合金内部自生成的AlN陶瓷相弹性模量为310GPa，远高于镁铝合金的弹性模量45GPa，能显著提高复合材料的弹性模量；而且自生成的AlN陶瓷相具有密排六方结构(晶格常数为a：0.3113nm c：0.4981nm)与镁的晶体结构相同并且晶格常数(a：0.3202nm c：0.5199nm)相近，容易形成好的界面结构(如共格或半共格界面)，从而可制备出物理和机械性能优越的镁基复合材料。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一：
在10vol.％SF6+90vol.％CO2混合气体保护的条件下，将纯镁(90.6wt.％)和纯铝(3.3wt.％)在680℃完全熔化，然后把用铝箔包好的Mg3N2(6.1wt.％)粉末压入熔体中，Mg3N2粉末的颗粒尺寸为20μm。并继续保温60分钟，保证Mg3N2粉末与熔体中Al完全反应，保温完成后用石墨圆盘搅拌熔体，搅拌速度为1000r/min，搅拌时间为10分钟。最后捞去表面的浮渣后浇铸于金属模具中凝固后得到5vol.％AlN/pure Mg复合材料。所得复合材料的密度为：1.78g/cm3，弹性模量为：52GPa，拉伸性能为：220MPa，150℃拉伸性能为：180MPa。
实施例二：
在10vol.％SF6+90vol.％CO2混合气体保护的条件下，将纯镁(76.7wt.％)和纯铝(11.1wt.％)在700℃完全熔化，然后把用铝箔包好的Mg3N2(12.2wt.％)粉末压入熔体中，Mg3N2粉末的颗粒尺寸为30μm。并继续保温40分钟，保证Mg3N2粉末与熔体中Al完全反应，保温完成后用石墨圆盘搅拌熔体，搅拌速度为800r/min，搅拌时间为20分钟。最后捞去表面的浮渣后浇铸于金属模具中凝固后得到10wt.％AlN/Mg-5wt.％Al复合材料。所得复合材料的密度为：1.83g/cm3，弹性模量为：60GPa，拉伸性能为：290MPa，150℃的拉伸性能为：260MPa。
实施例三：
在10vol.％SF6+90vol.％CO2混合气体保护的条件下，将纯镁(55.2wt.％)和纯铝(20.4wt.％)在720℃完全熔化，然后把用铝箔包好的Mg3N2(24.4wt.％)粉末压入熔体中，Mg3N2粉末的颗粒尺寸为45μm。并继续保温30分钟，保证Mg3N2粉末与熔体中Al完全反应，保温完成后用石墨圆盘搅拌熔体，搅拌速度为200r/min，搅拌时间为30分钟。最后捞去表面的浮渣后浇铸于金属模具中凝固后得到20wt.％AlN/Mg-9wt.％Al复合材料。所得复合材料的密度为：1.92g/cm3，弹性模量为：77GPa，拉伸性能为：320MPa，150℃的拉伸性能为：290MPa。

Claims (8)

1、一种原位自生氮化铝增强镁基复合材料，其特征在于，是由镁或镁合金基体和AlN陶瓷颗粒共同构成，其中：镁或镁合金基体的重量百分比含量为80％-95％，AlN陶瓷颗粒重量百分比含量为5％--20％，所述的镁或镁合金基体中铝重量百分比含量是0％--9％，余量为Mg。
2、一种如权利要求1所述的原位自生氮化铝增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在SF6和CO2混合气体保护条件下，将镁铝合金原材料完全熔化；
(2)然后把用铝箔包好的Mg3N2粉末压入镁铝熔体中；
(3)在熔体中加入Mg3N2粉末后，保温，保证Mg3N2粉末与熔体中Al完全反应；
(4)保温完成后用石墨圆盘搅拌熔体，捞去表面的浮渣，并浇铸于金属模具凝固后得到原位自生氮化铝增强镁基复合材料。
3、根据权利要求2所述AlN陶瓷颗粒增强镁基复合材料的制备方法，其特征是，步骤(1)中，所述的熔化，其温度控制在680℃-720℃之间。
4、根据权利要求2或3所述AlN陶瓷颗粒增强镁基复合材料的制备方法，其特征是，步骤(1)中，所述的SF6和CO2混合气体，其中SF6体积占10％，CO2体积占90％。
5、根据权利要求2所述AlN陶瓷颗粒增强镁基复合材料的制备方法，其特征是，步骤(2)中，所述的Mg3N2粉末，其颗粒尺寸为20μm-45μm。
6、根据权利要求2所述AlN陶瓷颗粒增强镁基复合材料的制备方法，其特征是，步骤(3)中，所述保温，其时间为30分钟-60分钟。
7、根据权利要求2所述AlN陶瓷颗粒增强镁基复合材料的制备方法，其特征是，步骤(4)中，所述的搅拌，其速度为200r/min-1000r/min。
8、根据权利要求2或7所述AlN陶瓷颗粒增强镁基复合材料的制备方法，其特征是，步骤(4)中，所述的搅拌，其时间为10分钟-30分钟。
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