CN101538672A

CN101538672A - 一种金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料

Info

Publication number: CN101538672A
Application number: CN200910082581A
Authority: CN
Inventors: 吴国清; 凌赵华; 黄正
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2009-04-27
Filing date: 2009-04-27
Publication date: 2009-09-23
Anticipated expiration: 2029-04-27
Also published as: CN101538672B

Abstract

本发明公开了一种金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料，包括增强体和基体合金，增强体颗粒粒径为0.1μm～3μm，其体积分数为1％～20％，余量为基体合金，增强体为含稀土元素的金属间化合物颗粒，基体合金可以为镁合金或铝合金。本发明利用了金属间化合物所具有的高比强度、比刚度和超细颗粒的尺寸效应等特性，制备出新型超细颗粒增强体，用于强化轻合金基体。由于强化机制的改变，金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料在强度上得到大幅提高，远高于普通颗粒增强复合材料，并且其塑性得到良好保持。

Description

一种金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料

技术领域

本发明涉及一种颗粒增强金属基复合材料，尤其涉及一种金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料。

背景技术

镁锂基合金因具有超低的密度(1.30g/cm³～1.60g/cm³)、较高的比强度和比刚度、优良的减震性能以及抗高能粒子的穿透能力，作为无毒金属材料中最轻的结构金属材料，在航空航天、交通运输等领域有着广阔的应用前景。在二元镁锂合金中，随着Li量的增加，合金组织发生着α(hcp)→α+β→β(bcc)转变(如图1所示)，合金的塑性变形能力得到显著提高，其延伸率可达到40％以上，但由于合金强度偏低，抗蠕变性能较差，限制了镁锂基合金应用范围。

复合强化则为进一步提高镁锂基合金的力学性能提供了有效途径。与镁锂基体合金相比，复合材料不仅保留了基体合金的导电、导热及优良的冷、热加工性能，而且集低密度、高比刚度、高比强度、良好的耐磨性、耐高温性能、减震性能以及良好的阻尼性能和电磁屏蔽性能于一身，成为材料研究的热点之一。如同其它复合材料，镁锂基复合材料的增强方式也主要有纤维增强、颗粒增强和晶须增强三种方式，增强体成分主要有SiC、B₄C、Al₂O₃、TiC、B等。这些增强体既可以采用以颗粒、纤维、或晶须形式单独加入，也可以采用混合形式(例如SiC颗粒/Al₂O₃晶须混合)加入强化，并不同程度地提高了镁锂基合金的力学性能。但陶瓷材料复合强化也带来了材料的塑性和韧性严重损伤的问题。从研究结果来看，镁锂基体合金与陶瓷增强材料具有良好的润湿性和化学相容性能可形成较为理想的复合相界面，所以，材料的塑性及韧性的大幅度下降与陶瓷增强相的脆性密切相关。因此，选取既具有增强作用又具备一定的微应变协调作用的材料作为镁锂基复合材料增强材料，对改善材料的综合性能有着重要的意义。

金属间化合物因具有金属的特性，如表现出金属光泽、金属导电性及导热性等，因而选择金属间化合物颗粒作为镁锂基复合材料的增强相，更容易获取与镁锂基体具有良好的润湿性、化学相容性等适配的界面。而金属间化合物所具有的较高比强度和比刚度，以及介于合金和陶瓷之间的高使用温度，使其成为合金有效的增强相。另外，与陶瓷颗粒相比，金属间化合物具有相对塑性，因而其在提高基体合金强度的同时，对合金基体的塑性损伤小于采用陶瓷增强相造成的损伤。以上所述为形成金属间化合物颗粒增强镁锂基复合材料具有良好的综合性能提供了基础。

专利号为ZL03119684.5的专利文献中提出了一种含稀土元素金属间化合物颗粒增强金属基复合材料，该复合材料采用5μm～50μm的金属间化合物颗粒强化镁锂合金，其塑性得到了较好的保持，其强度提高值在20％～40％，虽然在一定程度上提高了材料的综合力学性能，但是距离超轻、高强的目标还有一定的差距，镁锂基复合材料的综合力学性能还有待于进一步提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料。该复合材料具有高的比强度和比刚度，良好的塑性，易于成型和机械再加工，综合了作为增强颗粒的金属间化合物的高强度、高硬度、较陶瓷优异的塑性以及金属基体所具有的良好的机加工性能和成型性能，是一种轻型的金属间化合物颗粒增强金属基复合材料。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料，它由增强体和基体合金组成。其增强体粒径为0.1μm～3μm，体积分数为1％～20％，余量为基体合金，所述增强体为含稀土元素的金属间化合物颗粒，所述基体合金为镁合金或铝合金。

所述的增强体可以为YAl₂金属间化合物超细颗粒。

所述的增强体也可以为CeAl₂金属间化合物超细颗粒。

所述的镁合金可以为镁锂基合金，其锂含量为0.1wt％～20wt％。

所述的铝合金可以为含锂铝合金，其锂含量为0.1wt％～5wt％。

本发明运用了金属间化合物所具有的高比强度、比刚度和超细颗粒的尺寸效应等特性，制备出了含稀土元素金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料。

本发明的优点在于：

1、将金属间化合物颗粒引入到金属基体中，利用其高比强度和比刚度强化了合金基体，同时较好地保持了合金良好的塑性。

2、超细颗粒的引入改变了复合材料的强化机制，大幅提高了复合材料的力学性能，使其抗拉强度相对于基体提高了200％以上，塑性继续得到良好保持。

附图说明

图1是二元Mg-Li合金相图。

具体实施方式

本发明是一种金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料，主要制备方法有熔铸法、压力浸渗法、粉末(或薄膜)冶金法等。在下面的实施例中，仅列举以熔铸法进行制备说明。

熔铸法是指在一定温度下熔化基体合金，然后加入颗粒增强体并降温至半凝固状态，在该状态下搅拌合金熔体一定时间，使增强体颗粒分布均匀，然后升高温度至浇注温度，迅速浇注成型。

本发明提供一种金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料，其由增强体和基体合金组成，其增强体为超细颗粒，粒径为0.1μm～3μm，增强体占总体积的1％～20％，余量为基体合金，所述增强体为含稀土元素的金属间化合物颗粒，所述基体合金可以为镁锂基合金或含锂铝合金。

实施例1：

以制备重量1Kg的复合材料为例。

YAl₂金属间化合物超细颗粒增强Mg-14Li-Al基复合材料，制备工艺如下：

1、按照Al含量37.76wt％，剩余为Y配比YAl₂合金原料，在1530℃温度下熔铸YAl₂金属间化合物块体材料，机械粉碎后通过高能球磨法制备金属间化合物超细颗粒，其中超细颗粒平均粒径为3μm。

2、在Mg-14Li-Al合金熔液中加入体积含量为20％的YAl₂超细颗粒。熔铸工艺条件如下：

a)在595℃加入颗粒增强体后降温至580℃，机械搅拌熔体约30min，使增强体颗粒分散均匀。

b)升高温度至625℃迅速浇注，熔炼过程采用氩气保护。

复合材料力学性能测试结果表明，拉伸强度由基体合金的122MPa提高至367MPa，强度值提高200％以上，而延伸率由基体合金的20％降至16％，塑性得到较好保持。

实施例2：

CeAl₂金属间化合物超细颗粒增强Mg-14Li-Al基复合材料，制备工艺如下：

1、按照Al含量27.78wt％，剩余为Ce配比CeAl₂合金原料，在1500℃温度下熔铸CeAl₂金属间化合物块体材料，机械粉碎后通过高能球磨法制备金属间化合物超细颗粒，其中超细颗粒平均粒径为1μm。

2、在Mg-14Li-Al合金熔液中加入体积含量为15％的CeAl₂超细颗粒。熔铸工艺条件同实施例1。

复合材料力学性能测试结果表明，拉伸强度由基体合金的122MPa提高至415MPa，强度值提高240％以上，而延伸率由基体合金的20％降至17％，塑性得到良好保持。

实施例3：

YAl₂金属间化合物超细颗粒增强Al-Cu-Li基复合材料，制备工艺如下：

1、按照Al含量37.76wt％，剩余为Y配比YAl₂合金原料，在1530℃温度下熔铸YAl₂金属间化合物块体材料，机械粉碎后通过高能球磨法制备金属间化合物超细颗粒，其中超细颗粒平均粒径为0.5μm。

2、在Al-2.68Cu-1.41 Li-0.12Zr-0.17 Mn合金熔液中加入体积含量为10％的YAl₂超细颗粒。熔铸工艺条件如下：

a)在710℃时将预制块加入后降温至695℃，机械搅拌熔体约25min，使超细颗粒分散均匀。

b)升高温度至730℃迅速浇注，熔炼过程采用氮气保护。

对浇注后的复合材料进行力学性能测试，测试结果表明，拉伸强度由基体合金的206MPa提高至680MPa，强度值提高230％以上，延伸率由基体合金的17％降至14％，塑性得到良好保持。

实施例4：

CeAl₂金属间化合物超细颗粒增强Al-Cu-Li基复合材料，制备工艺如下：

1、按照Al含量27.78wt％，剩余为Ce配比CeAl₂合金原料，在1500℃温度下熔铸CeAl₂金属间化合物块体材料，机械粉碎后通过高能球磨法制备金属间化合物超细颗粒，其中超细颗粒平均粒径为0.1μm。

2、在Al-2.68 Cu-1.41Li-0.12Zr-0.17Mn合金熔液中加入体积含量为1％的CeAl₂超细颗粒。熔铸工艺条件同实施例3。

对浇注后的复合材料进行力学性能测试，测试结果表明，拉伸强度由基体合金的206MPa提高至618MPa，强度值提高200％以上，而延伸率由基体合金的17％仅降至16％，塑性得到很好地保持。

金属间化合物具有较高的比强度和比刚度，可以作为增强材料有效增强镁锂基合金和含锂铝合金；与陶瓷相比，从键合作用的角度来看金属间化合物以金属键为主，而陶瓷以共价键为主，因此金属间化合物颗粒与基体合金将可能具有更好的润湿性。同时，金属间化合物中的Y、Ce、Al等元素的扩散将有利于改善颗粒增强体与合金基体的润湿性；Al元素的扩散将进一步提高合金的强度，Y、Ce等稀土元素的扩散将有助于细化和变质组织，提高合金的力学性能和合金抗氧化和蠕变性能；更重要的是，金属间化合物较陶瓷材料有较好的塑性，将金属间化合物颗粒用于增强金属基复合材料，有利于改善变形条件下增强颗粒与基体界面形变的协调性，以提高材料裂纹起裂及扩展的阻滞作用，从而在材料强韧性综合性能提高上有较明显的优势。金属间化合物块材的室温脆性一直是影响合金实用化的问题，然而该性质却为颗粒增强复合材料的制粉提供了有利条件，通过高能球磨，即可得到均匀的超细粉末，为获取增强材料提供了便利。该发明拓展了金属间化合物的应用领域，并为复合材料的制备提供一条新的途径。

另外，采用超细颗粒作为增强体后，其增强机制发生了较大变化，从而大幅度提高了以抗拉强度为代表的材料的力学性能。普通颗粒增强复合材料的强化机制主要以载荷传递为主，而超细颗粒增强金属基复合材料大大增强了其弥散强化作用，同时，由于颗粒变细，表面活性增大，，因此其与基体的界面结合牢固，这将使颗粒自身发挥更高的承载能力。另一方面，由于颗粒细小、接近圆形、界面结合牢固，这有利于与基体协调变形，而不易产生界面剥离，从而为复合材料提供了较高的塑性性能。因此，基体与颗粒界面结合良好，颗粒弥散强化，宏观组织均匀等因素是超细颗粒增强金属基复合材料高强度和高塑性的主要原因。

根据稀土元素性质上的相似性，所述的增强体还可以是Sc-Al系金属间化合物、La-Al系金属间化合物等，应用上述的稀土金属间化合物超细颗粒进行增强制备的复合材料，具有优异的力学性能，可以在航空航天、交通运输等领域得到广泛应用。如可用于制备天线结构，制造计算机、电器仪表等的框架和外壳，制造轿车的防护板、前座支架、轮毂等。金属间化合物增强镁锂基和铝基复合材料的推广应用可以减轻飞行器、汽车等的重量，从而达到节能环保的效果，并可以在一定程度上提高使用安全性。

Claims

1、一种金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料，其由增强体和基体合金组成，其增强体粒径为0.1μm～3μm，体积分数为1％～20％，余量为基体合金，所述增强体为含稀土元素的金属间化合物颗粒，所述基体合金为镁合金或铝合金。

2、根据权利要求1所述的金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料，其特征在于：所述的增强体为YAl₂金属间化合物颗粒。

3、根据权利要求1所述的金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料，其特征在于：所述的增强体为CeAl₂金属间化合物颗粒。

4、根据权利要求1所述的金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料，其特征在于：所述的镁合金为镁锂基合金，其中锂含量为0.1wt％～20wt％。

5、根据权利要求1所述的金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料，其特征在于：所述的铝合金为含锂铝合金，其中锂含量为0.1wt％～5wt％。

6、根据权利要求1所述的金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料，其特征在于：所述的增强体平均粒径为3μm，体积分数为20％。

7、根据权利要求1所述的金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料，其特征在于：所述的增强体平均粒径为1μm，体积分数为15％。

8、根据权利要求1所述的金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料，其特征在于：所述的增强体平均粒径为0.5μm，体积分数为10％。

9、根据权利要求1所述的金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料，其特征在于：所述的增强体平均粒径为0.1μm，体积分数为1％。