CN102912159B - 一种金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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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及其制备方法，金属间化合物增强体颗粒粒径为0.01μm~5μm，增强体颗粒先与金属添加物混合球磨，得到复合粉末进行预压实得到预压块，将预压块加入基体合金的熔体中进行共同熔炼，在搅拌熔炼系统下制备超细金属间化合物颗粒增强的金属基复合材料，其中增强体颗粒质量分数1%~30%。本发明实现了对增强体颗粒分散性、界面结合和界面性质的明显改善。复合材料较普通颗粒增强复合材料，在强度上有大幅提高，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及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料及其制备技术领域，涉及一种金属间化合物颗粒增强金属基复合材料的制备方法，尤其涉及一种经复合球磨表面改性的金属间化合物超细颗粒增强的金属基复合材料。
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，随着含Li量的增加，合金组织发生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强化，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。
申请号为200910082581.7的专利文献中提出了一种含稀土元素金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料，该复合材料采用0.1~3μm的金属间化合物颗粒强化镁锂合金，其塑性得到较好的保持，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，由于颗粒尺寸较小，增强体较易发生团聚，同时界面结合依然不能满足对强度的需求，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
本发明提供了一种金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料及其制备方法，所述的制备方法包括复合球磨、粉末预压和熔炼的步骤，解决了纳米颗粒增强金属基复合材料在制备过程中产生的团聚问题，有利于复合材料力学性能的提高和保持稳定。
所述的制备方法中将增强体颗粒和金属添加物进行复合球磨，实现增强体颗粒的表面改性；将复合球磨后得到的复合粉末进行预压块处理，形成复合粉末预压块。然后以增强体颗粒质量分数为金属基复合材料的1%~30%为参数，通过复合粉末预压块的方式在基体合金熔液中引入表面改性后的金属间化合物颗粒增强体，在机械搅拌和超声搅拌辅助下熔炼，制备得到金属间化合物超细颗粒增强的金属基复合材料。
本发明提供的金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料的制备方法，以金属间化合物超细颗粒为增强体，选取增强体的颗粒粒径为0.01μm~5μm，质量分数为1%～30%，优选地，增强体颗粒的平均粒径为0.01~0.5μm，质量分数为1％~20％。具体制备方法步骤如下：
第一步，将增强体颗粒和金属添加物混合，作为混合粉末，将混合粉末在行星球磨机上进行复合球磨形成复合粉末。
所述金属添加物可以为镁粉或铝粉，可以为镁基的金属屑或金属粉末，也可以为铝基的金属屑或金属粉末。由于Mg-Li合金较易被氧化，因此其粉末不适宜作为添加粉末，因此当选用Mg-Li合金作为基体时，采用Mg粉末作为金属添加物。金属添加物的质量与第三步中熔炼基体合金的质量之和构成了复合材料的基体总质量。金属添加物与增强体颗粒的质量比为1:3到3:1。
第二步，经过复合球磨得到的复合粉末进行预压实，得到复合粉末预压块。这样可以防止超细粉末增强体在加入基体合金的过程中引入过多的气体杂质及燃烧。预压实的条件为压力1MPa~20MPa，时间10min。
第三步，按照复合材料中基体合金的成分要求，扣除金属添加物所占元素比例，对剩余元素进行配比然后进行熔炼，然后向基体合金熔液中加入所述的复合粉末预压块，继续熔炼，最后得到金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料，所述的金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料中增强体颗粒质量分数为1%~30%。熔炼过程中采用机械搅拌和超声搅拌的辅助。
所述的增强体可以为过渡族或稀土金属间化合物，如YAl2或CeAl2金属间化合物超细颗粒。
所述的基体合金采用镁基合金或铝基合金，镁基合金可以为含锂的镁合金如镁锂基合金，其锂含量为0.1wt％~40wt％。所述的铝基合金可以为含锂的铝合金如锂铝合金，其锂含量为0.1wt％~15wt％。
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，用于强化合金基体，同时利用了金属间化合物兼具有的金属键和共价键的特性，通过与金属添加物（粉末或屑的状态）的复合球磨，在机械搅拌和超声搅拌的辅助下，实现对增强体颗粒分散性、界面结合和界面性质的改善，最终制备出了组织均匀，具有良好界面状态的含稀土元素金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料。由于复合材料均匀性的提高和强化机制的改变，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金属基复合材料，并且其塑性得到良好保持。
本发明的优点在于：
1、通过复合球磨工艺对金属间化合物颗粒进行表面改性，既提高增强体颗粒的表面活性，促进增强体颗粒与基体间的润湿，又以包覆的方式改善了增强体颗粒的分散性。
2、亚微米及纳米颗粒增强体与常规尺寸增强体颗粒所带来的强化机制不同，超细增强体颗粒的尺寸效应使得复合材料的性能得到更为显著的提高。
3、将复合球磨后的粉末预压成复合粉末预压块，在基体熔炼过程中以预压块的方式，将金属间化合物颗粒引入到金属基体中，随后金属添加物率先被熔化，从而使得增强体颗粒被较好的分散开，同时较好地提高了熔炼过程的可靠性和安全性。
4、相比于已有的制备技术，经过表面改性和预压，机械搅拌及超声辅助的新熔炼工艺制备的复合材料的强度和塑性都同时得到了有效提高。
5、采用本发明提供的制备方法制备得到的复合材料的拉伸强度相比于基体合金提高50%~250%，而延伸率降至7%~20％，塑性得到较好保持。
附图说明
图1是现有的二元Mg-Li合金相图；
图2是本发明提供的金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料制备方法流程图；
图3是本发明制备的复合材料界面特征图片；
图4是本发明制备的复合材料显微组织形貌图片；
图5是本发明制备过程中YAl2/Mg复合球磨后颗粒形貌TEM图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供一种金属间化合物超细颗粒增强的金属基复合材料的制备方法，制备方法流程如图2所示，具体如下：
（1）将增强体颗粒和金属添加物混合形成混合粉末，将混合粉末在行星球磨机上进行复合球磨，形成复合粉末。所述的增强体颗粒为金属间化合物增强体颗粒，粒径为0.01μm~5μm，所述的金属添加物可以由基体合金制备而成，也可以为镁粉、铝粉等纯金属屑或粉末。所述的金属间化合物增强体颗粒可以是YAl2或CeAl2金属间化合物等过渡族或稀土金属间化合物。
（2）复合粉末在1MPa~20MPa条件下被预压实，得到复合粉末预压块。所述的预压实可以防止超细粉末加入过程中引入过多的气体杂质及燃烧。
（3）复合粉末预压块在基体组分熔炼过程中加入到基体熔液里，并借助机械搅拌和超声搅拌，熔炼过程中采用氩气保护，制备得到金属基复合材料。基体元素配比过程中考虑到金属添加物中已经存在的金属元素，按照复合材料中基体合金的成分要求，扣除金属添加物所占元素比例，对剩余元素进行配比然后进行熔炼，然后向基体熔液中加入预压块，制备得到的金属基复合材料中增强体的质量百分比为1%~30%。所述的机械搅拌和超声搅拌可以实现对超细颗粒的有效分散，同时优化界面结合，提高复合材料的综合力学性能。
所述的基体为镁基合金或铝基合金。
通过上述方法制备得到的金属基复合材料，增强体颗粒粒径为0.01μm~5μm，质量分数为1%～30%，制备过程中，将改性后的超细颗粒增强体以复合粉末预压块的方式引入到基体熔液中，并且在熔炼过程中复合粉末预压块中的金属添加物会优先熔化，使得增强体颗粒得到很好的分散效果。对上述制备的金属基复合材料进行界面和性能分析可知，超细增强体颗粒在基体合金中呈均匀弥散的分布，同时增强体和基体间具有良好的界面结合效果，材料的抗拉强度得到有效提高，同时塑性得到较好的维持。下面通过实施例进行具体的说明。
实施例1：
以制备重量2Kg的金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料为例。
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5μm。
以质量分数的33.3%镁屑与66.7%YAl2复合球磨2h（YAl2为600g，Mg屑为300g），得到复合粉末。
2、球磨后的复合粉末在压力为20MPa条件下进行预压实，作为复合粉末预压块。
3、以复合粉末预压块的形式，在Mg-Li-Al合金熔液中加入YAl2超细颗粒，合金熔液的配比中Mg为890g，Li为224g，Al为16g，经过搅拌铸造，得到质量分数为30%YAl2增强Mg-14Li-Al基复合材料。
复合材料力学性能测试结果表明，与基体合金相比，室温拉伸强度由基体合金的122MPa提高至420MPa，强度值提高200%以上，而延伸率不低于7%，塑性得到较好保持。
实施例2：
以制备重量2Kg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0.01μm。以质量分数66.7%的镁屑与33.3%YAl2粉末复合球磨2h（YAl2为20g，Mg为40g），得到复合粉末。
2、预压实：在压力为2MPa条件下进行预压实10min，得到复合粉末预压块。
3、在Mg-Li-Al合金熔液中加入复合粉末预压块，合金熔液的配比中Mg为1643g，Li为277.2g，Al为19.8g，经过搅拌铸造，得到质量分数为1%YAl2增强Mg-14Li-Al基复合材料。
复合材料力学性能测试结果表明，金属基复合材料的室温拉伸强度由基体合金的122MPa提高至320MPa，拉伸强度值提高160%以上，而延伸率由基体合金的20％降至18%，塑性得到较好保持。如图3和图4所示，复合材料的显微组织中，YAl2颗粒较均匀的分布于晶内和晶界处，没有发生团聚，复合材料界面特征为完美的直接结合界面，没有界面反应和界面脱粘现象。如图5所示，球磨后的复合粉末透射形貌图片表明，YAl2颗粒被Mg包覆良好，两者之间具有良好的界面结合。
实施例3：
以制备重量2Kg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0.1μm。以质量分数66.7%的镁屑与33.3%YAl2粉末复合球磨2h（YAl2为20g，Mg为40g），得到复合粉末。
2、预压实：在压力为2MPa条件下进行预压实10min，得到复合粉末预压块。
3、在Mg-Li-Al合金熔液中加入复合粉末预压块，合金熔液的配比中Mg为1643g，Li为277.2g，Al为19.8g，经过搅拌铸造，得到质量分数为1%YAl2增强Mg-14Li-Al基复合材料。
复合材料力学性能测试结果表明，金属基复合材料的室温拉伸强度由基体合金的122MPa提高至270MPa，拉伸强度值提高120%以上，而延伸率由基体合金的20％降至17%，塑性得到较好保持。
实施例4：
以制备重量2Kg的金属间化合物超细颗粒增强金属基复合材料为例。
YAl2金属间化合物超细颗粒增强Mg-14Li-3Al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。
以质量分数66.7%的Al3Mg2粉与33.3%YAl2复合球磨2h（YAl2为20g，Al3Mg2粉为40g），得到复合粉末。
2、球磨后的复合粉末在压力为20MPa下进行预压实，得到复合粉末预压块。
3、扣除Al3Mg2粉元素的量后配比Mg-Li-Al合金组分，在Mg-Li-Al合金熔液中加入复合粉末预压块，合金熔液的配比中Mg为1630.1g，Li为277.2g，Al为32.7g，经过机械搅拌和超声搅拌辅助熔炼，得到质量分数为1%YAl2增强Mg-14Li-3Al基复合材料。
复合材料力学性能测试结果表明，与基体合金相比，室温拉伸强度由基体合金的122MPa提高至180MPa，强度值提高50%，而延伸率不低于16%，塑性得到较好保持。
实施例5：
CeAl2金属间化合物超细颗粒增强Mg-40Li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。
以质量分数25%的镁屑与75%CeAl2复合球磨2h（CeAl2为300g，Mg为100g），球磨后得到复合粉末。
2、预压实：球磨后的复合粉末在压力为1MPa条件下进行预压实，得到复合粉末预压块。
3、以预压实复合粉末预压块的形式，在Mg-Li合金熔液中加入CeAl2超细颗粒，合金熔液的配比中Mg为920g，Li为680g，经过搅拌铸造，得到质量分数为15%CeAl2增强Mg-40Li基复合材料。
复合材料力学性能测试结果表明，室温拉伸强度由基体合金的70MPa提高至180MPa，强度值提高150%以上，而延伸率不低于20%。
实施例6：
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。
以质量分数66.7%的Al2Cu粉与33.3%YAl2复合球磨40h（YAl2为20g，Al2Cu粉为40g），得到复合粉末。
2、预压实：在压力为20MPa条件下对复合粉末进行预压实，得到复合粉末预压块。
3、以预压实复合粉末预压块的形式，在Al-Cu-Li-Zr-Mn合金熔液中加入YAl2超细颗粒，合金熔液的配比中Al为1873.3g，Li为27.9g，Cu为33.1g，Zr为2.4g，Mn为3.3g，经过搅拌铸造，得到质量分数为1%YAl2增强Al-2.68Cu-1.41Li-0.12Zr-0.17Mn基复合材料。
对制备得到的复合材料进行力学性能测试，测试结果表明，室温拉伸强度由基体合金的206MPa提高至460MPa，强度值提高120%以上，延伸率由基体合金的17％降至15％，塑性得到良好保持。
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、含锂铝合金和铝合金；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。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。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。

Claims (1)

1.一种YAl2金属间化合物超细颗粒增强Mg-14Li-Al基复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，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0.01～0.1μm；以质量分数66.7％的镁屑与33.3％YAl2粉末复合球磨2h，YAl2为20g，Mg为40g，得到复合粉末；
第二步，预压实：在压力为2MPa条件下进行预压实10min，得到复合粉末预压块；
第三步，在Mg-Li-Al合金熔液中加入复合粉末预压块，合金熔液的配比中Mg为1643g，Li为277.2g，Al为19.8g，经过搅拌铸造，得到质量分数为1％YAl2增强Mg-14Li-Al基复合材料。
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