CN101418423B - 一种镁基非晶合金复合材料 - Google Patents

一种镁基非晶合金复合材料 Download PDF

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Abstract

一种镁基非晶合金复合材料，属于材料技术领域，该Mg基非晶合金及其复合材料的成分按原子百分比为：Mg含量在65～87％之间，Zn含量在2～6％之间，Ni含量在2～20％之间，Y含量2～15％，稀土元素含量为0～5％。本发明的镁基非晶合金及其复合材料，具有高达22％的塑性应变和500MPa以上的断裂强度，可作为3C产品、精密零部件生产用材料。

Description

一种镁基非晶合金复合材料
技术领域
本发明属于材料技术领域，特别涉及一种镁基非晶合金复合材料。 
背景技术
自从1988年发现Mg-Ni-Ce块体非晶合金以来，Mg基块体非晶合金在Mg-TM-RE(TM＝Cu，Ni；RE＝Ce，La，Y，Nd)、Mg-Cu-Y-M(M＝Al，Ag，Zn)和Mg-Cu-Ag-Pd-Y合金系中，取得了很大的进展。特别是Ma等人于2000年成功制备出直径达到25mm的Mg54Cu26.5Ag8.5Gd11块体非晶合金以来，镁基非晶合金的应用研究，特别引人注目。 
然而，由于非晶合金的不均匀形变特点，使得大多数非晶合金的塑性变形量很低甚至为零。同时与其他非晶合金相比，Mg基非晶合金不仅塑性变形量为零，而且断裂韧性只有 
Figure DEST_PATH_GSB00000017500800011
与硅酸盐等理想脆性材料的脆性相当，因此Mg基非晶合金的直接应用不可能的。 
目前，制备非晶合金基体的复合材料被证明是一个有效改善合金韧性的有效方法。该复合材料能够发挥非晶基体的强度特性和韧性相的韧化作用，从而克服单一材料的固有弊端。钨丝等外加增强相为最早引入Zr基非晶合金中作为增强相的一种材料，以Nb、Ta元素为主所形成的内生增强相在Zr基、Cu-Zr基、Pd基和Ti基块体非晶合金中也进行了大量的研究，获得了塑性变形量为5％～14.5％的非晶合金复合材料。对于镁非晶合金复合材料，复合材料的研究更为重要，事实上，目前所发现的绝大部分Mg基非晶合金只有通过复合材料的方式才能获得应用。这是由镁基非晶合金的脆性特征所决定的。 
但是镁基非晶合金复合材料的研究相对较少。研究者最早采用合金元素Fe和TiB2相增强Mg基非晶合金复合材料，但获得的塑性变形量只有2～3％，远不能达到一般材料对塑性变形的要求。 
发明内容
针对以上技术问题本发明提供一种镁基非晶合金复合材料。 
本发明的镁基非晶合金及其复合材料最大塑性应变量可以达到22％，最大强度可以达到850MPa。 
本发明的镁基非晶合金及其复合材料化学成分按原子百分比为：Mg含量在65～87％之间，Zn含量在2～6％之间，Ni含量在2～20％之间，Y含量2～15％，稀土元素Ce、Nd、Gd、Er中的一种或几种，其总含量为0～5％。 
本发明的镁基非晶合金化学成分优选方案之一是按原子百分比为：Mg含量在80～87％之间，Zn含量在2～5％之间，Ni含量在2～8％之间，Y含量在2～7％之间。 
本发明的镁基非晶合金复合材料化学成分优选方案之二是按原子百分比为：Mg含量在80～87％之间，Zn含量在2～5％之间，Ni含量在2～8％之间，Y元素在2～3％之间，稀土元素Ce、Nd、Gd、Er中的一种或几种，其总含量为2～3％。 
本发明的镁基非晶合金复合材料化学成分优选方案之三是按原子百分比为：Mg含量在75～80％之间，Zn含量在3～6％之间，Ni在4～16％之间，Y含量在4～10％之间，稀土元素Ce、Nd、Gd、Er中的一种或几种，其总含量为0～5％。 
本发明的镁基非晶合金复合材料化学成分优选方案之四是按原子百分比为：Mg含量在65％～75％之间，Zn含量在3％～6％之间，Ni在12％～20％之间，Y含量在8％～10％之间，稀土元素Ce、Nd、Gd、Er中的一种或几种，其总含量为0～5％。 
镁基非晶合金及其复合材料成分为优选方案一时，断裂强度为500MPa以上，塑性应变为10％以上，成分为优选方案二时，断裂强度为600MPa以上，塑性应变为5％以上，成分为优选方案三时，断裂强度为700MPa以上，塑性应变为1％以上。 
本发明的镁基非晶合金及其复合材料制备方法为： 
采用真空电弧炉制备Ni-RE(RE为Y或其他稀土金属包括Ce、Nd、Gd、Er)中间合金，要求真空度小于3×10-3Pa，将制备的Ni-RE中间合金与其他金属材料放入坩埚内，将坩埚置于真空感应炉中，将真空感应炉抽真空至真空度小于1×10-2Pa，充入惰性气体，惰性气体的压力为0.4～0.6个大气压，在温度700～800℃条件下熔炼；然后在铜模铸造条件下制成镁基非晶合金及其复合材料。 
本发明采用的坩埚为石墨坩埚或氮化硼坩埚，本发明采用的惰性气体为氩气。 
本发明的实施例采用真空感应熔炼制备母合金，采用真空铜模铸造设备制备样品，采用X射线分析(XRD)确定样品的相组成，采用高温差分扫描量热计(DSC)测量非晶态合金的玻璃转变温度和晶化温度，升温速率20℃/min。本发明的Mg基非晶合金及其复合材料与其他镁基非晶合金及其复合材料相比，具有良好的塑性变形；与晶态镁合金相比，该合金具有高的强度，其中非晶基体中的强化相具有长程有序结构。 
本发明的Mg基非晶合金及其复合材料，具有高达22％的塑性应变和500MPa以上的断裂强度，可作为3C产品、精密零部件生产用材料。 
附图说明
图1为本发明实施例15与16中非晶合金及其复合材料的XRD曲线。
图2为本发明实施例15与16非晶合金及其复合材料的DSC曲线。 
图3为本发明实施例15与16非晶合金及其复合材料的应力-应变曲线。 
具体实施方式
本发明实施例中的Mg基非晶合金及其复合材料尺寸分别为直径2mm或直径3mm的圆棒。 
本发明实施例中的Mg基非晶合金及其复合材料合金成分的表达式为MgaNibZncYdREe，表示Mg-Ni-Zn-Y-RE合金中含有Mg、Ni、Zn、Y、RE(稀土元素)的原子百分数分别为a％、b％、c％、d％和e％，其中a+b+c+d+e＝100。 
实施例1 
采用真空电弧炉制备Ni-Y合金，制备时要求真空度小于3×10-3Pa，将制备的Ni-Y合金与金属Mg和Zn放入坩埚内，将坩埚置于真空感应炉中，将真空感应炉抽真空至真空度小于1×10-2Pa，充入惰性气体，惰性气体的压力为0.4～0.6个大气压，在温度700～800℃条件下熔炼；然后在铜模铸造条件下制成Mg87Ni4Zn3Y6非晶合金材料。该非晶合金材料的断裂强度为550MPa，塑性应变为19％。 
实施例2 
采用真空电弧炉制备Ni-Y合金，制备时要求真空度小于3×10-3Pa，将制备的Ni-Y合金与金属Mg和Zn放入坩埚内，将坩埚置于真空感应炉中，将真空感应炉抽真空至真空度小于1×10-2Pa，充入惰性气体，惰性气体的压力为0.4～0.6个大气压，在温度700～800℃条件下熔炼；然后在铜模铸造条件下制成Mg80Ni8Zn5Y7非晶合金材料。该非晶合金材料的断裂强度为580MPa，塑性应变为21％。 
实施例3 
采用真空电弧炉制备Ni-Y合金，制备时要求真空度小于3×10-3Pa，将制备的Ni-Y合金与金属Mg和Zn放入坩埚内，将坩埚置于真空感应炉中，将真空感应炉抽真空至真空度小于1×10-2Pa，充入惰性气体，惰性气体的压力为0.4～0.6个大气压，在温度700～800℃条件下熔炼；然后在铜模铸造条件下制成Mg86Ni6Zn2Y6非晶合金材料。该非晶合金材料的断裂强度为520MPa，塑性应变为10％。 
实施例4 
采用真空电弧炉制备Ni-Y合金，制备时要求真空度小于3×10-3Pa，将制备的Ni-Y合金与金属Mg和Zn放入坩埚内，将坩埚置于真空感应炉中，将真空感应炉抽真空至真空度小于 1×10-2Pa，充入惰性气体，惰性气体的压力为0.4～0.6个大气压，在温度700～800℃条件下熔炼；然后在铜模铸造条件下制成Mg85Ni8Zn5Y2非晶合金材料。该非晶合金材料的断裂强度为570MPa，塑性应变为12％。 
实施例5 
采用真空电弧炉制备Ni-Y合金，制备时要求真空度小于3×10-3Pa，将制备的Ni-Y合金与金属Mg和Zn放入坩埚内，将坩埚置于真空感应炉中，将真空感应炉抽真空至真空度小于1×10-2Pa，充入惰性气体，惰性气体的压力为0.4～0.6个大气压，在温度700～800℃条件下熔炼；然后在铜模铸造条件下制成Mg87Ni2Zn5Y6非晶合金材料。该非晶合金材料的断裂强度为530MPa，塑性应变为17％。 
实施例6 
采用真空电弧炉制备Ni-Y-Nd合金，制备时要求真空度小于3×10-3Pa，将制备的Ni-Y-Nd合金与金属Mg和Zn放入坩埚内，将坩埚置于真空感应炉中，将真空感应炉抽真空至真空度小于1×10-2Pa，充入惰性气体，惰性气体的压力为0.4～0.6个大气压，在温度700～800℃条件下熔炼；然后在铜模铸造条件下制成Mg80Ni8Zn5Y5Nd2非晶合金材料。该非晶合金材料的断裂强度为570MPa，塑性应变为17％。 
实施例7 
采用真空电弧炉制备Ni-Y-Ce合金，制备时要求真空度小于3×10-3Pa，将制备的Ni-Y-Ce合金与金属Mg和Zn放入坩埚内，将坩埚置于真空感应炉中，将真空感应炉抽真空至真空度小于1×10-2Pa，充入惰性气体，惰性气体的压力为0.4～0.6个大气压，在温度700～800℃条件下熔炼；然后在铜模铸造条件下制成Mg80Ni8Zn5Y4Ce3非晶合金材料。该非晶合金材料的断裂强度为550MPa，塑性应变为13％。 
实施例8 
采用真空电弧炉制备Ni-Y-Gd合金，制备时要求真空度小于3×10-3Pa，将制备的Ni-Y-Gd合金与金属Mg和Zn放入坩埚内，将坩埚置于真空感应炉中，将真空感应炉抽真空至真空度小于1×10-2Pa，充入惰性气体，惰性气体的压力为0.4～0.6个大气压，在温度700～800℃条件下熔炼；然后在铜模铸造条件下制成Mg80Ni8Zn5Y5Gd2非晶合金材料。该非晶合金材料的断裂强度为530MPa，塑性应变为11％。 
实施例9 
采用真空电弧炉制备Ni-Y-Er合金，制备时要求真空度小于3×10-3Pa，将制备的Ni-Y-Er 合金与金属Mg和Zn放入坩埚内，将坩埚置于真空感应炉中，将真空感应炉抽真空至真空度小于1×10-2Pa，充入惰性气体，惰性气体的压力为0.4～0.6个大气压，在温度700～800℃条件下熔炼；然后在铜模铸造条件下制成Mg81Ni8Zn5Y4Er2非晶合金材料。该非晶合金材料的断裂强度为590MPa，塑性应变为17％。 
实施例10 
采用真空电弧炉制备Ni-Y合金，制备时要求真空度小于3×10-3Pa，将制备的Ni-Y合金与金属Mg和Zn放入坩埚内，将坩埚置于真空感应炉中，将真空感应炉抽真空至真空度小于1×10-2Pa，充入惰性气体，惰性气体的压力为0.4～0.6个大气压，在温度700～800℃条件下熔炼；然后在铜模铸造条件下制成Mg80Ni8Zn5Y7非晶合金材料。该非晶合金材料的断裂强度为570MPa，塑性应变为20％。 
实施例11 
采用真空电弧炉制备Ni-Y合金，制备时要求真空度小于3×10-3Pa，将制备的Ni-Y合金与金属Mg和Zn放入坩埚内，将坩埚置于真空感应炉中，将真空感应炉抽真空至真空度小于1×10-2Pa，充入惰性气体，惰性气体的压力为0.4～0.6个大气压，在温度700～800℃条件下熔炼；然后在铜模铸造条件下制成Mg75Ni12Zn5Y8非晶合金材料。该非晶合金材料的断裂强度为650MPa，塑性应变为8％。 
实施例12 
采用真空电弧炉制备Ni-Y合金，制备时要求真空度小于3×10-3Pa，将制备的Ni-Y合金与金属Mg和Zn放入坩埚内，将坩埚置于真空感应炉中，将真空感应炉抽真空至真空度小于1×10-2Pa，充入惰性气体，惰性气体的压力为0.4～0.6个大气压，在温度700～800℃条件下熔炼；然后在铜模铸造条件下制成Mg75Ni12Zn3Y10非晶合金材料。该非晶合金材料的断裂强度为750MPa，塑性应变为5％。 
实施例13 
采用真空电弧炉制备Ni-Y合金，制备时要求真空度小于3×10-3Pa，将制备的Ni-Y合金与金属Mg和Zn放入坩埚内，将坩埚置于真空感应炉中，将真空感应炉抽真空至真空度小于1×10-2Pa，充入惰性气体，惰性气体的压力为0.4～0.6个大气压，在温度700～800℃条件下熔炼；然后在铜模铸造条件下制成Mg75Ni11Zn6Y8非晶合金材料。该非晶合金材料的断裂强度为630MPa，塑性应变为7％。 
实施例14
采用真空电弧炉制备Ni-Y合金，制备时要求真空度小于3×10-3Pa，将制备的Ni-Y合金与金属Mg和Zn放入坩埚内，将坩埚置于真空感应炉中，将真空感应炉抽真空至真空度小于1×10-2Pa，充入惰性气体，惰性气体的压力为0.4～0.6个大气压，在温度700～800℃条件下熔炼；然后在铜模铸造条件下制成Mg77Ni16Zn3Y4非晶合金材料。该非晶合金材料的断裂强度为670MPa，塑性应变为8％。 
实施例15 
采用真空电弧炉制备Ni-Y合金，制备时要求真空度小于3×10-3Pa，将制备的Ni-Y合金与金属Mg和Zn放入坩埚内，将坩埚置于真空感应炉中，将真空感应炉抽真空至真空度小于1×10-2Pa，充入惰性气体，惰性气体的压力为0.4～0.6个大气压，在温度700～800℃条件下熔炼；然后在铜模铸造条件下制成Mg77Ni12Zn5Y6非晶合金材料。该非晶合金材料的断裂强度为630MPa，塑性应变为11％。 
该非晶合金材料的XRD曲线如图1所示，该非晶合金材料的DSC曲线如图2所示，该非晶合金材料的应力-应变曲线如图3所示。 
实施例16 
采用真空电弧炉制备Ni-Y合金，制备时要求真空度小于3×10-3Pa，将制备的Ni-Y合金与金属Mg和Zn放入坩埚内，将坩埚置于真空感应炉中，将真空感应炉抽真空至真空度小于1×10-2Pa，充入惰性气体，惰性气体的压力为0.4～0.6个大气压，在温度700～800℃条件下熔炼；然后在铜模铸造条件下制成Mg77Ni12Zn3Y8非晶合金材料。该非晶合金材料的断裂强度为720MPa，塑性应变为5％。 
该非晶合金材料的XRD曲线如图1所示，该非晶合金材料的DSC曲线如图2所示，该非晶合金材料的应力-应变曲线如图3所示。 
实施例17 
采用真空电弧炉制备Ni-Y合金，制备时要求真空度小于3×10-3Pa，将制备的Ni-Y合金与金属Mg和Zn放入坩埚内，将坩埚置于真空感应炉中，将真空感应炉抽真空至真空度小于1×10-2Pa，充入惰性气体，惰性气体的压力为0.4～0.6个大气压，在温度700～800℃条件下熔炼；然后在铜模铸造条件下制成Mg80Ni4Zn6Y10非晶合金材料。该非晶合金材料的断裂强度为530MPa，塑性应变为11％。 
实施例18 
采用真空电弧炉制备Ni-Y-Er合金，制备时要求真空度小于3×10-3Pa，将制备的Ni-Y-Er 合金与金属Mg和Zn放入坩埚内，将坩埚置于真空感应炉中，将真空感应炉抽真空至真空度小于1×10-2Pa，充入惰性气体，惰性气体的压力为0.4～0.6个大气压，在温度700～800℃条件下熔炼；然后在铜模铸造条件下制成Mg75Ni12Zn5Y3Er5非晶合金材料。该非晶合金材料的断裂强度为640MPa，塑性应变为6％。 
实施例19 
采用真空电弧炉制备Ni-Y-Ce合金，制备时要求真空度小于3×10-3Pa，将制备的Ni-Y-Ce合金与金属Mg和Zn放入坩埚内，将坩埚置于真空感应炉中，将真空感应炉抽真空至真空度小于1×10-2Pa，充入惰性气体，惰性气体的压力为0.4～0.6个大气压，在温度700～800℃条件下熔炼；然后在铜模铸造条件下制成Mg75Ni12Zn5Y3Ce5非晶合金材料。该非晶合金材料的断裂强度为600MPa，塑性应变为9％。 
实施例20 
采用真空电弧炉制备Ni-Y-Nd合金，制备时要求真空度小于3×10-3Pa，将制备的Ni-Y-Nd合金与金属Mg和Zn放入坩埚内，将坩埚置于真空感应炉中，将真空感应炉抽真空至真空度小于1×10-2Pa，充入惰性气体，惰性气体的压力为0.4～0.6个大气压，在温度700～800℃条件下熔炼；然后在铜模铸造条件下制成Mg75Ni12Zn5Y3Nd5非晶合金材料。该非晶合金材料的断裂强度为620MPa，塑性应变为7％。 
实施例21 
采用真空电弧炉制备Ni-Y-Gd合金，制备时要求真空度小于3×10-3Pa，将制备的Ni-Y-Gd合金与金属Mg和Zn放入坩埚内，将坩埚置于真空感应炉中，将真空感应炉抽真空至真空度小于1×10-2Pa，充入惰性气体，惰性气体的压力为0.4～0.6个大气压，在温度700～800℃条件下熔炼；然后在铜模铸造条件下制成Mg75Ni12Zn5Y3Gd5非晶合金材料。该非晶合金材料的断裂强度为580MPa，塑性应变为5％。 
实施例22 
采用真空电弧炉制备Ni-Y合金，制备时要求真空度小于3×10-3Pa，将制备的Ni-Y合金与金属Mg和Zn放入坩埚内，将坩埚置于真空感应炉中，将真空感应炉抽真空至真空度小于1×10-2Pa，充入惰性气体，惰性气体的压力为0.4～0.6个大气压，在温度700～800℃条件下熔炼；然后在铜模铸造条件下制成Mg65Ni20Zn6Y9非晶合金材料。该非晶合金材料的断裂强度为780MPa，塑性应变为2％。 
实施例23
采用真空电弧炉制备Ni-Y合金，制备时要求真空度小于3×10-3Pa，将制备的Ni-Y合金与金属Mg和Zn放入坩埚内，将坩埚置于真空感应炉中，将真空感应炉抽真空至真空度小于1×10-2Pa，充入惰性气体，惰性气体的压力为0.4～0.6个大气压，在温度700～800℃条件下熔炼；然后在铜模铸造条件下制成Mg70Ni15Zn6Y9非晶合金材料。该非晶合金材料的断裂强度为730MPa，塑性应变为2％。 
实施例24 
采用真空电弧炉制备Ni-Y-Gd合金，制备时要求真空度小于3×10-3Pa，将制备的Ni-Y-Gd合金与金属Mg和Zn放入坩埚内，将坩埚置于真空感应炉中，将真空感应炉抽真空至真空度小于1×10-2Pa，充入惰性气体，惰性气体的压力为0.4～0.6个大气压，在温度700～800℃条件下熔炼；然后在铜模铸造条件下制成Mg70Ni15Zn5Y8Gd2非晶合金材料。该非晶合金材料的断裂强度为750MPa，塑性应变为1％。

Claims (1)

1.一种镁基非晶合金复合材料，其特征在于：该镁基非晶合金的成分按原子百分比为：Mg含量在77～87％之间，Zn含量在2～6％之间，Ni含量在2～16％之间，Y含量2～10％，稀土元素含量为0～3％；其中稀土元素为Ce、Nd、Gd、Er中的一种或几种；该Mg基非晶合金复合材料断裂强度为520MPa以上，塑性应变为5％以上；所述的非晶合金复合材料的制备方法为：采用真空电弧炉制备Ni-RE中间合金，要求真空度小于3×10-3Pa，将制备的Ni-RE中间合金与其他金属材料放入坩埚内，将坩埚置于真空感应炉中，将真空感应炉抽真空至真空度小于1×10-2Pa，充入惰性气体，惰性气体的压力为0.4～0.6个大气压，在温度700～800℃条件下熔炼；然后在铜模铸造条件下制成镁基非晶合金及其复合材料；其中RE为Y、Ce、Nd、Gd或Er。
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