CN103464765B - 一种Mg-Al-La/Al叠层复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种Mg-Al-La/Al叠层复合材料及其制备方法。将Mg-Al-La合金和纯Al切成薄片；对Mg-Al-La薄片和Al薄片进行表面处理，去除表面油污和氧化物；将Mg-Al-La薄片和Al薄片，进行叠加形成叠层，所述叠层的中间为Mg-Al-La薄片、Mg-Al-La薄片的上下为Al薄片，然后放入真空热压烧结炉中采用梯度加热法进行复合得到Mg-Al-La/Al叠层复合材料。本发明的独特住处在于界面的优良结合方式，它是由机械结合、溶解和润湿结合、反应结合三种结合方式同时存在的一种混合结合形式。其中La和Al两种元素，在界面处反应形成Al₄La，它像钉子一样将Mg-Al-La薄片与Al薄片连接在一起，使界面的结合更加牢固。此制备方法工艺简单，操作方便，利于大规模推广和应用。

Description

一种Mg-Al-La/Al叠层复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种镁基金属材料及其制备方法，具体涉及一种Mg-Al-La/Al叠层复合材料及其制备方法。

背景技术

Mg作为一种迅速崛起的新型绿色工程结构材料，在汽车、电子通讯、航天、航空等方面有着广阔的应用前景。但是镁的绝对强度低，耐热和耐腐蚀性能差，成为制约镁合金发展的瓶颈。目前Al依然占据着轻金属结构材料的主导地位，如果将Mg和Al异种材料进行连接，并获得界面结合良好，稳定可靠的接头，这能够最大限度地利用材料的各自优点,以满足结构对性能的要求，为镁合金的进一步发展和应用提供了广阔的前景。

对于Mg和Al异种材料进行连接，良好接头的获得是Mg/Al叠层复合材料发展的关键要素。目前很多机构对Mg和Al异种材料连接都进行了研究，但是现有镁合金和异种材料之间连接技术的研究成果难以满足各种复杂环境下对动、静载荷的要求。例如，被推崇为几乎可以解决大部分异种材料连接问题的扩散焊方法制备的Mg/Al叠层复合材料。Mg/Al接头界面区由铝板侧过渡层(Mg₂Al₃相)、中间扩散层(MgAl相)、镁板侧过渡层(Mg₃Al₂相)组成。但分析表明，在界面铝板侧扩散层与中间扩散层之间存在一定的扩散空洞，这不利于获得接头性能优良的扩散焊接头，也无法满足各种复杂环境对材料综合力学性能的要求。

因此迫切需要开发出一种，优质、可靠、稳定的连接技术，以达到降低成本、简化产品设计，可规模化生产的目的，从而推动镁合金产业化的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种界面的结合牢固的Mg-Al-La/Al叠层复合材料。本发明的目的还在于提供一种工艺简单，操作方便，利于大规模推广和应用的Mg-Al-La/Al叠层复合材料的制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明Mg-Al-La/Al叠层复合材料是在Mg-Al-La薄片的上下分别设置Al薄片形成整齐的叠层，然后放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，烧结过程采用梯度加热法，首先将温度升到比Mg-Al-La合金熔点低50-150℃下预热40-120min，再将温度升到Mg-Al-La合金熔点保温50-120min后停止加热，随炉冷却到室温所得到的材料。

所述Mg-Al-La薄片合金的组成及质量百分比为Al：3.0～10.0%、La：3.0～12%、Li：0.0～10.0%。

Al和La最佳质量百分比3:4。

本发明Mg-Al-La/Al叠层复合材料的制备方法为：

将Mg-Al-La合金和纯Al切成薄片；

对Mg-Al-La薄片和Al薄片进行表面处理，去除表面油污和氧化物；

将Mg-Al-La薄片和Al薄片，进行叠加形成叠层，所述叠层的中间为Mg-Al-La薄片、Mg-Al-La薄片的上下为Al薄片，然后放入真空热压烧结炉中采用梯度加热法进行复合。

所述采用梯度加热法进行复合具体包括：首先将温度加热到比Mg-Al-La合金熔点低50-150℃下预热40-120min，再将温度升到Mg-Al-La合金熔点保温50-120min后停止加热，随炉冷却到室温，压力p为2.0MPa＜p＜5.0MPa。

所述Mg-Al-La合金是采用如下方法得到的Mg-Al-La铸态合金：

以商业纯Mg、Al、Mg-30％La中间合金为原料，按照质量百分比为Al：3.0～10.0%、La：3.0～12%、Li：0.0～10.0%的比例混合后进行熔炼、保温、静置后降温，再经高温匀质化处理。

所述熔炼是采用真空感应熔炼炉，用氩气进行保护；主要熔炼工艺参数为：熔炼过程中采用逐渐升高功率的方法进行加热，真空度5Pa以下，保温静置时间为30-50min，冷却速度为3-10℃/s；

所述匀质化处理工艺参数：温度为300-450℃，保温时间为5-15h，冷却方式为空冷。

本发明选用特定成分的Mg-Al-La薄片和Al薄片，利用真空热压烧结炉，采用梯度加热法，并在特定的压力、保温时间下获得界面结合良好的叠层复合材料。本发明的独特住处在于界面的优良结合方式，它是由机械结合、溶解和润湿结合、反应结合三种结合方式同时存在的一种混合结合形式。其中La和Al两种元素，在界面处反应形成Al₄La，它像钉子一样将Mg-Al-La薄片与Al薄片连接在一起，使界面的结合更加牢固。此制备方法工艺简单，操作方便，利于大规模推广和应用。

本发明所具有的实质性特点和显著的进步为：

（1）本发明创造性的提出了一种特殊的界面的结合方式，它是由机械结合、溶解和润湿结合、反应结合三种结合方式同时存在的一种混合高效、稳定、可靠的结合形式。其中La和Al发生反应，在界面处形成Al₄La，它像钉子一样将Mg-Al-La薄片与Al薄片连接在一起，使界面的结合更加牢固。而且该界面具有极好的材料协调变形能力，从而改善叠层材料的综合力性能。本发明为Mg/Al叠层复合材料的发展提供一种新的思路。

（2）本发明采用的都是常规技术和方法，得到Mg-Al-La/Al镁铝叠层复合材料。该叠层复合材料结合了镁合金和铝合金的优点，在保证轻质合金的基础上，同时改善了镁合金绝对强度低和耐蚀性能差的缺点。而且操作简便，易于智能化、规模化生产。

（3）本发明充分发挥了稀土La的作用，La在叠层复合材料中的作用有两个，其一在Mg-Al-La合金熔炼过程中提高了基体的形核率，同时抑制晶粒长大，进而细化晶粒，这有效提高了叠层复合材料的基体材料的强度。其二是叠层材料制备过程中，La与Al两种元素在界面层反应形成稳定的Al₄La，它像钉子一样将Mg-Al-La薄片与Al薄片连接在一起，这大大提高叠层材料界面的结合力。

附图说明

附图是实施例1中Mg-Al-La/Al叠层复合材料的显微组织照片。

具体实施方式

以下通过具体的实施例对本发明的技术方案做详细描述，应理解的是，这些实施例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下对本发明做简单改进，都属于本发明要求保护的范围。

实施例1

1）Mg-Al-La合金熔炼:合金的化学成分（质量百分比）为：8%La、6%Al、8%Li，杂质元素Fe、Cu、Ni、Si的总量小于0.03%，余量为Mg。

制备合金的熔铸工艺为:首先按配比称料，将Mg、Al、Li、Mg-30％La中间合金放入坩埚中准备熔炼，然后对熔炼炉进行抽真空，真空度抽到4Pa，再充入氩气保护气体。对熔炼炉加热后，保温37min，当坩埚中的合金充分熔化，进行浇铸，冷却速度为6.0℃/s。所得铸件在350℃匀质化处理10h后空冷。

（2）试样的切取：将上一步浇铸的Mg-Al-La合金和商业纯铝用线切割切成厚为2.5mm，长和宽分别为40mm和50mm的长方形薄片。

（3）试样表面的处理：对Mg-Al-La薄片和Al薄片进行表面处理（含酸洗、碱洗等），以去除表面油污和氧化物等杂质。

（4）叠层材料的制备：将通过以上方法制备的Mg-Al-La薄片和Al薄片，像三明治一样进行整齐的叠加，叠层的最上和最小层放Al薄片，然后放入真空热压烧结炉中。先加热到400℃保温90min，再加热到470℃保温60min，复合全程压力控制在4.0MPa。

本实施例所得的Mg-Al-La/Al叠层复合材料，其显微组织和力学性能为：（1）叠层材料界面结合良好，无裂纹，孔洞等缺陷。在界面处出现了由Mg、Al、La的扩散区，并在扩散区Al和La结合形成Al₄La，Al₄La像钉子一样横穿Mg-Al-La/Al叠层界面，将Mg-Al-La薄片和Al薄片钉扎在一起。如图1。

（2）该复合材料在室温下垂直于叠层方向的抗压强度为278.08MPa，在平行于叠层方向的抗压强度为259.08MPa。

实施例2

（1）Mg-Al-La合金熔炼:合金的化学成分（质量百分比）为：4%La、3%Al、4%Li，杂质元素Fe、Cu、Ni、Si的总量小于0.03%，余量为Mg。

制备合金的熔铸工艺为:首先按配比称料，将Mg、Al、Li、Mg-30％La中间合金放入坩埚中准备熔炼，然后对熔炼炉进行抽真空，真空度抽到2Pa，再充入氩气保护气体。对熔炼炉预热后，保温35min，当坩埚中的合金充分熔化，进行浇铸，冷却速度为7.0℃/s。所得铸件在400℃匀质化处理8h后空冷。

（2）试样的切取：将上一步浇铸的Mg-Al-La合金和商业纯铝用线切割切成厚为2mm，长和宽分别为60mm和60mm的长方形薄片。

（3）试样表面的处理：对Mg-Al-La薄片和Al薄片进行表面处理（含酸洗、碱洗等），以去除表面油污和氧化物等杂质。

（4）叠层材料的制备：将通过以上方法制备的Mg-La薄片和Al薄片，像三明治一样进行整齐的叠加，叠层的最上和最小层放Al薄片，然后放入真空热压烧结炉中。先加热到420℃保温90min，再加热到480℃保温90min，复合全程压力控制在3.5MPa。

本实施例所得的Mg-Al-La/Al叠层复合材料，其显微组织和力学性能为：

（1）叠层材料界面结合良好，无裂纹，孔洞等缺陷。在界面处出现了由Mg、Al、La的扩散区，并在扩散区Al和La结合形成Al₄La，Al₄La像钉子一样横穿Mg-Al-La/Al叠层界面，将Mg-Al-La薄片和Al薄片钉扎在一起。

实施例3

（1）Mg-Al-La合金熔炼:合金的化学成分（质量百分比）为：8%La、6%Al、4%Li，杂质元素Fe、Cu、Ni、Si的总量小于0.03%，余量为Mg。

制备合金的熔铸工艺为:首先按配比称料，将Mg、Al、Li、Mg-30％La中间合金放入坩埚中准备熔炼，然后对熔炼炉进行抽真空，真空度抽到2Pa，再充入氩气保护气体。对熔炼炉预热后，保温45min，当坩埚中的合金充分熔化，进行浇铸。冷却速度为8℃/s所得铸件在450℃匀质化处理11h后空冷。

（2）试样的切取：将上一步浇铸的Mg-Al-La合金和商业纯铝用线切割切成厚为2.3mm，半径为3mm的圆形薄片。

（3）试样表面的处理：对Mg-Al-La薄片和Al薄片进行表面处理（含酸洗、碱洗等），以去除表面油污和氧化物等杂质。

（4）叠层材料的制备：将通过以上方法制备的Mg-Al-La薄片和Al薄片，像三明治一样进行整齐的叠加，叠层的最上和最小层放Al薄片，然后放入真空热压烧结炉中。先加热到360℃保温120min，再加热到480℃保温90min，复合全程压力控制在3.5MPa。

本实施例所得的Mg-Al-La/Al叠层复合材料，其显微组织和力学性能为：（1）叠层材料界面结合良好，无裂纹，孔洞等缺陷。在界面处出现了由Mg、Al、La的扩散区，并在扩散区Al和La结合形成Al₄La，Al₄La像钉子一样横穿Mg-Al-La/Al叠层界面，将Mg-La薄片和Al薄片钉扎在一起。

Claims (9)

1.一种Mg-Al-La/Al叠层复合材料，其特征是：是在Mg-Al-La薄片的上下分别设置Al薄片形成整齐的叠层，然后放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，烧结过程采用梯度加热法，首先将温度升到比Mg-Al-La合金熔点低50-150℃下预热40-120min，再将温度升到Mg-Al-La合金熔点保温50-120min后停止加热，随炉冷却到室温所得到的材料。

2.根据权利要求1所述的Mg-Al-La/Al叠层复合材料，其特征是：所述Mg-Al-La薄片合金的组成及质量百分比为Al：3.0～10.0％、La：3.0～12％、Li：0.0～10.0％，余量为Mg。

3.根据权利要求2所述的Mg-Al-La/Al叠层复合材料，其特征是：Al和La质量百分比为3:4。

4.一种Mg-Al-La/Al叠层复合材料的制备方法，其特征为：

将Mg-Al-La合金和纯Al切成薄片；

对Mg-Al-La薄片和Al薄片进行表面处理，去除表面油污和氧化物；

将Mg-Al-La薄片和Al薄片，进行叠加形成叠层，所述叠层的中间为Mg-Al-La薄片、Mg-Al-La薄片的上下为Al薄片，然后放入真空热压烧结炉中采用梯度加热法进行复合。

5.根据权利要求4所述的Mg-Al-La/Al叠层复合材料的制备方法，其特征是所述采用梯度加热法进行复合具体包括：首先将温度加热到比Mg-Al-La合金熔点低50-150℃下预热40-120min，再将温度升到Mg-Al-La合金熔点保温50-120min后停止加热，随炉冷却到室温，压力p为2.0MPa＜p＜5.0MPa。

6.根据权利要求4或5所述的Mg-Al-La/Al叠层复合材料的制备方法，其特征是所述Mg-Al-La合金是采用如下方法得到的Mg-Al-La铸态合金：

以商业纯Mg、Al、Li、Mg-30％La中间合金为原料，按照质量百分比为Al：3.0～10.0％、La：3.0～12％、Li：0.0～10.0％及余量的Mg的比例混合后进行熔炼、保温、静置后降温，再经高温匀质化处理。

7.根据权利要求6所述的Mg-Al-La/Al叠层复合材料的制备方法，其特征是所述熔炼是采用真空感应熔炼炉，用氩气进行保护；主要熔炼工艺参数为：熔炼过程中采用逐渐升高功率的方法进行加热，真空度5Pa以下，保温静置时间为30-50min，冷却速度为3-10℃/s。

8.根据权利要求6所述的Mg-Al-La/Al叠层复合材料的制备方法，其特征是所述匀质化处理工艺参数：温度为300-450℃，保温时间为5-15h，冷却方式为空冷。

9.根据权利要求7所述的Mg-Al-La/Al叠层复合材料的制备方法，其特征是所述匀质化处理工艺参数：温度为300-450℃，保温时间为5-15h，冷却方式为空冷。