CN101787475B - 准晶颗粒增强镁基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种准晶颗粒增强镁基复合材料及其制备方法。复合材料基体为工业用纯镁，增强颗粒为Mg-Zn-Gd准晶颗粒，准晶颗粒大小为20-100um，所占重量百分比为5-30％。其制备方法采用反复塑性变形工艺加工过程使其可以根据镁基体材料的不同用途，精确控制准晶颗粒的配比量，达到强度和延伸率的最佳结合，使制备的复合材料可以胜任不同需要。

Description

准晶颗粒增强镁基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种准晶颗粒增强镁基复合材料及其制备方法，特别是一种反复塑性变形方法制备的Mg-Zn-Gd基热稳定二十面体准晶增强的镁基复合材料，属于复合材料和轻合金加工领域。

背景技术

自20世纪90年代初开始，国际上主要金属材料的应用发展趋势发生了显著变化。随着环保和节能意识的增强，材料研究者和产品设计者愈来愈重视产品的轻量化和可回收等问题。作为目前最轻的工程金属材料，镁合金以其高比强度，可回收等特点，成为轻金属材料的代表异军突起，以每年20％的速度持续增长。但在许多应用领域，由于镁合金的绝对强度较低，达不到使用要求，限制其发展，在很多优势领域中，并没有大规模使用镁合金。限制镁合金得到广泛应用的关键问题之一在于其强化手段有限，合金强度不高。

多次循环塑性变形加工技术的每一次加工过程包括一次压缩和一次挤压，在挤压过程中，镁合金基体与添加粒子由于受到剪切力的作用而被细化，而在压缩过程中由于两种粒子的相对流动而互相混合、均匀分散，实现了在固态下的细化与均化的双重作用。利用基体晶粒细化和微粒子强化的交互作用，提高镁合金拉伸强度和延伸率等力学性能。与传统的镁基复合材料的制备工艺如普通铸造法、搅拌铸造法、挤压铸造、粉末冶金法、熔体浸渗法、机械合金化法等方法相比，采用多次循环塑性变形技术制备镁基复合材料，增强相可以通过多次塑性加工的方法引入到基体中，且在基体中易于分散、与基体相容性良好、界面结合强度高，同时基体合金不必经过全熔的高温状态，可以有效节约能源，减小污染，是符合社会可持续发展的镁合金材料制备工艺。

颗粒增强镁基复合材料具有高比强度、低密度、耐热性好等特点而广泛受到研究，但是复合材料中的增强相多为陶瓷颗粒如Al₂O₃，SiC等，这些陶瓷颗粒在制备复合材料的过程中由于与基体润湿性差而容易产生团聚和裂纹，导致强度很韧性不能很好兼顾。而准晶特有的高硬度、低摩擦系数、低热膨胀系数、低界面能、耐蚀、耐热和耐磨等特点使其特别适合作为韧性基体材料中的强化相。准晶被发现可以作为强化相应用最初是在1987年，在Al合金基体上均匀形成的准晶相可显著提高了合金的性能。而准晶作为强化相最先成功地在商业上应用是在1989年开发出的一种新型马氏体钢中，通过控制退火工艺获得了一种准晶颗粒强化的新型高强度马氏体钢。目前，国内外对准晶颗粒增强金属基复合材料的研究相当活跃，它作为金属间化合物，可以避免非金属增强粒子与基体金属在高温发生有害化学反应和浸润性差等问题。按照准晶颗粒在镁基体中的引入的工艺方式可将其分为：外加准晶颗粒增强镁基复合材料和自生准晶相增强镁合金两种工艺。如果能使准晶相均匀分布在基体镁合金中，尤其是在复合材料中获得弥散分布的准晶强化相，则有可能制备出性能优异的镁合金复合材料，从而大大提高基体镁合金的室温和高温强度。理论上准晶相强化镁合金材料能改善镁合金的蠕变性能，提高镁合金的使用温度范围，获得低密度、高比强、高比刚度、抗冲击的镁及其合金的复合材料，从而拓展镁合金的应用领域(特别是汽车领域)。因此，开展准晶增强镁基复合材料的研究和应用十分有意义。

中国专利ZL00111624.X“准晶增强镁基复合材料”中，上海交通大学的徐洲等采用搅拌铸造的方法制备的AlCuFe准晶增强镁基复合材料，其抗拉强度最高为155.6MPa，延伸率最高为4.1％，应该说在目前的应用条件下该发明所制备的镁基复合材料还不足以满足需求；中国专利(ZL03134363.5)中郭学峰等利用普通铸造结合快速凝固，制备了原位准晶相增强镁合金，且准晶含量不易控制且难以分散均匀，工艺比较复杂，能量消耗大，不是采用的回收料，成本较高。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷，提供一种准晶颗粒增强镁基复合材料及其制备工艺，使其可以根据镁基体材料的不同用途，精确控制准晶颗粒的配比量，达到强度和延伸率的最佳结合，使制备的复合材料可以胜任不同需要。

本发明的一种准晶颗粒增强镁基复合材料，基体为工业用纯镁，增强颗粒为Mg-Zn-Gd准晶颗粒，准晶颗粒大小为20-100um，所占重量百分比为5-30％。

准晶颗粒增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)增强相采用准晶相体积分数大于70％的Mg-Zn-Gd准晶中间合金，球磨后得到的颗粒度为20-100um的颗粒；

b)将准晶颗粒与镁粉混合放入反复塑性变形设备，变形次数选择100-400次；

c)将反复塑性变形得到的材料挤压成形，获得准晶增强镁基复合材料，挤压温度为300-400℃，挤压比选择1∶10-25。

本工艺增强相粒子选择的是Mg-Zn-Gd准晶中间合金制备的颗粒，其与基体结合面好，避免了由于陶瓷材料与基体的润湿性差和膨胀系数不同，在铸造和凝固过程中产生疏松导致性能下降。反复塑性变形工艺加工过程不用加热减少能源消耗，加工程序简单，采用原料为回收废料，来源广泛，降低了成本，有很好的应用前景。

附图说明

图1.是实施例2合金准晶相形貌图

图2.是实施例2合金准晶相的衍射图

图3.是本发明实施例2典型的室温力学拉伸曲线

图4.是本发明实施例3典型的金相组织图

具体实施方式

实施例1：

取纯Mg颗粒38克，准晶颗粒Mg-Zn-Gd 2克，即准晶颗粒添加量的重量比为5％，按如下方法制备：

I.采用球磨法制备准晶颗粒，颗粒度在20-100um；

II.将准晶颗粒与镁粉混合放入反复塑性变形设备，变形次数选择100次；

III.将反复塑性变形得到的镁基复合材料，按1∶10的反挤模中挤压，挤压温度为300℃，挤压速率为6mm/min；

所制备的复合材料型材的抗拉强度：268MPa；断后延伸率：9.7％

实施例2：

取纯Mg颗粒36克，准晶颗粒Mg-Zn-Gd 4克，即准晶颗粒添加量的重量比为10％，按如下方法制备：

I.采用球磨法制备准晶颗粒，颗粒度在20-100um；

II.将准晶颗粒与镁粉混合放入反复塑性变形设备，变形次数选择200次；

III.将反复塑性变形得到的镁基复合材料，按1∶16的反挤模中挤压，挤压温度为360℃，挤压速率为6mm/min；

所制备的复合材料型材的抗拉强度：309MPa；断后延伸率：7.0％

实施例3：

取纯Mg颗粒34克，准晶颗粒Mg-Zn-Gd 6克，即准晶颗粒添加量的重量比为15％，按如下方法制备：

I.采用球磨法制备准晶颗粒，大小在20-100um；

II.将准晶颗粒与镁粉混合放入反复塑性变形设备，变形次数选择200次；

III.将反复塑性变形得到的镁基复合材料，按1∶25的反挤模中挤压，挤压温度为320℃，挤压速率为6mm/min；

所制备的复合材料型材的抗拉强度：292MPa；断后延伸率：5.4％

实施例4：

取纯Mg颗粒35克，准晶颗粒Mg-Zn-Gd15克，即准晶颗粒添加量的重量比为30％，按如下方法制备：

I.采用球磨法制备准晶颗粒，大小在20-100um；

II.将准晶颗粒与镁粉混合放入反复塑性变形设备，变形次数选择400次；

III.将反复塑性变形得到的镁基复合材料，按1∶16的反挤模中挤压，挤压温度为400℃，挤压速率为6mm/min；所制备的复合材料型材的抗拉强度：278MPa；断后延伸率：3.8％。

Claims (1)

1.一种准晶颗粒增强镁基复合材料，其特征在于，基体为工业用纯镁，增强颗粒为Mg-Zn-Gd准晶颗粒，准晶颗粒大小为20-100um，所占重量百分比为5-30％；

其制备方法，包括以下步骤：

a)增强相采用准晶相体积分数大于70％的Mg-Zn-Gd准晶中间合金，球磨后得到的颗粒度为20-100um的颗粒；

b)将准晶颗粒与镁粉混合放入反复塑性变形设备，变形次数选择100-400次；

c)将反复塑性变形得到的材料挤压成形，获得准晶增强镁基复合材料，挤压温度为300-400℃，挤压比选择1∶10-25。

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