CN101348889B - 铁颗粒增强的镁基非晶态合金复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及镁合金制备技术，具体为一种塑性Fe颗粒增强的镁基非晶态合金复合材料及其制备方法，解决镁基非晶态合金脆性大、易出现脆性断裂等问题，最终获得高强度、高塑性变形能力的镁基非晶态合金复合材料。该复合材料的基体成分为Mg65Cu20Ag5Gd10(at.％)，通过在合金熔炼过程中加入不同体积百分数的Fe颗粒，在保持非晶态合金形成能力不变的条件下，可明显提高复合材料的强度和塑性；该复合材料可通过感应熔炼和铜模浇铸的方法制备。与传统的非晶态合金相比，该复合材料的塑性指标有了明显的上升，克服了典型非晶态合金脆性断裂的缺点，具有一定的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及镁合金制备技术，具体为一种塑性Fe颗粒增强的镁基非晶态合金复合材料及其制备方法。
背景技术
非晶态金属材料由于其独特的原子排布结构，即长程无序而短程有序，使其具有了优异的使用性能，例如：高强度，高弹性极限以及良好的耐腐蚀性能等等。而镁基非晶态合金由于其高比强度、易于回收利用等独特的优势成为极具应用前景的新型工程材料。另外，中国具有丰富的镁资源，更使得开发和研究镁基非晶态金属材料具有现实意义。
但是，非晶态合金的变形是一种高度局域化的变形。主要的变形量集中在有限的几条剪切带内。虽然剪切带内的相对变形量可以很大，但非晶态合金整体的塑性变形量却非常有限。总体来说，非晶态合金是一种脆性材料。而镁基非晶态合金则是最脆的几种非晶态合金之一，其断裂方式可被认为是一种典型的脆性断裂。这种本征脆性极大地限制了镁基非晶态合金的实际应用。
为了改善非晶态合金的塑韧性能，人们发展了各种非晶态合金复合材料。各种含有内生析出相或外加颗粒和纤维的非晶态合金复合材料都表现出了一定的塑性。目前，增强镁基非晶态合金的主要方法是内生析出韧性相或通过添加高硬度的陶瓷颗粒来阻碍剪切带的扩展以提高其塑性。但是，由于内生析出相的尺寸有限，或者是陶瓷颗粒的本征脆性，这些方法对剪切带的阻碍作用非常有限。通过这些方法制备的镁基非晶态合金复合材料的室温压缩塑性变形量仅有1％～3％。为了能够使镁基非晶态合金成为一种实用的工程材料，迫切要求寻找更加有效的强化手段。
发明内容
本发明的目的在于提供一种塑性Fe颗粒增强的镁基非晶态合金复合材料及其制备方法，解决镁基非晶态合金脆性大、易出现脆性断裂等问题，最终获得高强度、高塑性变形能力的镁基非晶态合金复合材料。
本发明的技术方案是：
本发明提供了一种塑性铁颗粒增强的镁基非晶态合金复合材料，该复合材料的成分为Mg65Cu20Ag5Gd10(at.％)与Fe颗粒复合，Fe颗粒的体积百分数Vf为4％～8％，Fe颗粒的粒度为20～50μm。
本发明还提供了上述塑性Fe颗粒增强的镁基非晶态合金复合材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将Cu，Ag和Gd(重量纯度＞99.9％)三种元素按成分配比称量混合后，在惰性气体气氛中电弧熔炼制成中间合金；
(2)再将中间合金与Mg混合后，在惰性气体气氛中感应熔炼制成Mg65Cu20Ag5Gd10(at.％)合金；
(3)在惰性气体气氛中，将不同体积百分数的Fe颗粒与Mg65Cu20Ag5Gd10合金液混合，并电磁搅拌以得到混合均匀的复合材料，制成复合材料合金锭；
(4)将复合材料合金锭在惰性气体气氛中感应熔化，并喷铸到铜模中获得铁颗粒增强的镁基非晶态合金复合材料。
本发明中所制备的镁基非晶态合金复合材料经X射线衍射(XRD)和差热分析(DSC)证实，所获得的非晶态合金复合材料样品具有典型的非晶态合金的特征。Fe颗粒的加入既没有损害非晶态合金基体的形成能力，也没有改变其热力学行为。经过对直径为2mm的复合材料样品进行应变速率为2×10-4s-1的室温压缩试验，并利用扫描电镜(SEM)对压缩断裂后的试样进行观察。
性能指标为：
Fe颗粒的体积百分数Vf＝4％时，
屈服强度：σy＝855±40MPa；
塑性变形量：εplastic＝2±1％。
Fe颗粒的体积百分数Vf＝6％时，
屈服强度：σy＝875±40MPa；
塑性变形量：εplastic＝3±2％。
Fe颗粒的体积百分数Vf＝8％时，
屈服强度：σy＝890±30MPa；
塑性变形量：εplastic＝4±2％。
本发明具有以下优点：
1、本发明采用的镁基非晶态合金为Mg65Cu20Ag5Gd10(at.％)，Fe颗粒的体积百分数为4％～8％。Fe颗粒的加入不改变非晶态合金基体的形成能力，保留了其高比强度的优点。镁基非晶态合金和一定含量的Fe颗粒二者配合使用后，与典型非晶态合金相比，Fe颗粒增强的复合材料具有更高的强度和塑性变形能力。
2、本发明采用了电弧熔炼制备中间合金、感应熔炼制备镁基非晶态合金、Fe颗粒与镁基非晶态合金液电磁搅拌混合、感应熔化喷铸到铜模中等步骤组合，即可获得非晶态合金复合材料，制备工艺简单。
附图说明
图1为复合材料的SEM显微照片。
图2为镁基非晶态合金以及Fe颗粒增强的镁基非晶态合金复合材料的室温压缩断裂曲线。
图3为复合材料断裂后的试样表面SEM照片。
具体实施方式
以下通过实施例详述本发明。
本发明按如下方法制备塑性铁颗粒增强的镁基非晶态合金复合材料：
将Cu，Ag和Gd(重量纯度＞99.9％)三种元素按成分配比称量混合后，在惰性气体气氛中采用常规电弧熔炼制成中间合金；再将中间合金与Mg混合后，在惰性气体气氛中采用常规感应熔炼制成Mg65Cu20Ag5Gd10(at.％)合金；在惰性气体气氛中，将不同体积百分数的Fe颗粒(粒度为20～50μm)与Mg65Cu20Ag5Gd10合金液混合，并采用常规电磁搅拌以得到混合均匀的复合材料，制成复合材料合金锭；将复合材料合金锭在惰性气体气氛中采用常规感应熔化，并喷铸到铜模中获得Fe颗粒增强的镁基非晶态合金复合材料，本实施例惰性气体采用氩气。铜模浇铸具体工艺参数如下：铜模喷铸在真空度为10-3Pa、温度为700℃的条件下进行。复合材料的SEM显微照片如图1所示，从图中可以看出：塑性的Fe颗粒有效地阻碍了剪切带的运动与扩展。通过自身的均匀变形，Fe颗粒可以有效地吸收剪切带所带来的不均匀应变并有效促进了二次剪切带的萌生与分岔，使得变形更加均匀地分布在整个试样上，从而赋予了试样良好的塑性变形能力。
实施例1
当在Mg65Cu20Ag5Gd10合金中加入Vf＝4％的Fe颗粒时，其室温压缩断裂曲线见图2中的曲线2：
屈服强度：σy＝880MPa；
塑性变形量：εplastic＝3％。
实施例2
当在Mg65Cu20Ag5Gd10合金中加入Vf＝6％的Fe颗粒时，其室温压缩断裂的技术指标如下：
屈服强度：σy＝890MPa；
塑性变形量：εplastic＝4％。
实施例3
当在Mg65Cu20Ag5Gd10合金中加入Vf＝8％的Fe颗粒时，其室温压缩断裂曲线见图2中的曲线3：
屈服强度：σy＝900MPa；
塑性变形量：εplastic＝4.2％。
如图3所示，(a)-(d)分别表示复合材料断裂后的不同放大倍数的试样表面SEM照片。在Fe颗粒增强的Mg基非晶合金复合材料中剪切带也出现了被阻碍、绕过或直接切入Fe颗粒的情况。由于剪切带的运动受到干扰，主剪切带发生了明显的分岔，二次剪切带大量出现并不断发展，使得变形更均匀的分布在了整个试样上。如图3(c)和(d)所示，试样变形过程中Fe颗粒本身也发生了塑性变形，将载荷均匀分布到了颗粒周围的基体上，使得二次剪切带的萌生位置大大增加。
相关比较例1
单相镁基非晶态合金[H.Men，D.H.Kim，J.Mater.Res.18(2003)1502]。该材料的屈服强度约800MPa，塑性变形量为0，其室温压缩断裂曲线见图2中的曲线1。
相关比较例2
含有内生析出相α-Fe的镁基非晶复合材料[H.Ma，J.Xu，and E.Ma，Appl.Phys.Lett.83，2793(2003)]。该复合材料屈服强度接近1GPa，塑性变形量约为1％。
相关比较例3
用TiB陶瓷颗粒增强的镁基非晶复合材料[Y.K.Xu，H.Ma，J.Xu，E.Ma，Acta.Mater.53，1857(2005)]。该复合材料屈服强度接近1.3GPa，塑性变形量约为1％～3％。
从实施例1-3可以看出，Fe颗粒的体积百分数Vf为4％～8％时，在保持非晶态合金形成能力不变的条件下，可明显提高复合材料的强度和塑性；与传统的非晶态合金相比，该复合材料的塑性指标有了明显的上升，克服了典型非晶态合金脆性断裂的缺点。
Claims (2)
1.一种铁颗粒增强的镁基非晶态合金复合材料，其特征在于：该复合材料的成分为Mg65Cu20Ag5Gd10与Fe颗粒复合，Fe颗粒的体积百分数为4％～8％，其中Mg65Cu20Ag5Gd10的下标指的是原子百分比，Fe颗粒的粒度为20～50μm。
2.按照权利要求1所述的铁颗粒增强的镁基非晶态合金复合材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)将Cu，Ag和Gd三种元素按成分配比称量混合后，在惰性气体气氛中，电弧熔炼制成中间合金；
(2)再将中间合金与Mg混合后，在惰性气体气氛中，感应熔炼制成Mg65Cu20Ag5Gd10合金；
(3)在惰性气体气氛中，将所述体积百分数的Fe颗粒与Mg65Cu20Ag5Gd10合金液混合，并电磁搅拌以得到混合均匀的复合材料，制成复合材料合金锭；
(4)将复合材料合金锭在惰性气体气氛中感应熔化，并喷铸到铜模中获得Fe颗粒增强的镁基非晶态合金复合材料。
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