CN103695676A

CN103695676A - 一种高性能镁金属基复合材料及其制备方法

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Publication number: CN103695676A
Application number: CN201310613451.8A
Authority: CN
Inventors: 刘轲; 杜文博; 王朝辉; 李淑波
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: BEIJING ERQI TIEFENGLONG TECHNOLOGY Co.,Ltd.
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2033-11-27
Also published as: CN103695676B

Abstract

一种高性能镁金属基复合材料及其制备方法，属于镁合金技术领域。本发明中增强颗粒由LPSO结构中间合金制得，其初始尺寸为0.1～0.5厘米。将相同尺寸的纯镁或镁合金作为基体材料与增强颗粒混合均匀，并通过一定的加工方法和热处理工艺制备增强颗粒与纯镁基体混合的挤压毛坯。调控合金中增强颗粒与纯镁基体的质量比例为10～40%，可获得力学性能优异的LPSO结构增强的镁金属基复合材料。该复合材料可用于制备各种结构器件，满足不同方面的需要。

Description

一种高性能镁金属基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高性能LPSO结构增强的镁金属基复合材料及其制备方法，特别涉及一种新材料及制备工艺，属于镁合金技术领域。

背景技术

21世纪，能源短缺及环境恶化成为国内外关注的焦点。作为一种最轻的节能、环保金属结构材料，镁合金的应用可有效缓解以上问题。然而，大部分镁合金力学性能较差，限制了它在汽车、轨道交通及航空航天等领域的广泛应用。如何改善其力学性能成为材料科学研究者研究的热点科研问题。在诸多研究解决方案中，添加合金化元素是最常用的手段之一。其中，稀土是目前最常用、最有效的镁合金强化元素。近几年来，国内外学者发现向镁稀土合金中添加Zn、Cu等元素会产生一种新的增强结构，被称为长周期层错（Long-period stackingordered，LPSO）结构，它是目前提高镁合金综合力学性能最有效的强化结构。

这种结构被起初被称为X相，化学式为Mg₁₂ZnY，最早由前苏联学者Padezhnova E.M.Padezhnova,E.V.Melnik,R.A.Miliyevskiy,T.V.Dobatkina,V.V.Kinzhibalo.Russ Metall.(Metally)(Engl.Transl.)1982,4:185-188））发现，但是并未在世界范围内引起广泛的关注和重视。直到2001年，Kawamura（Y.Kawmura,K.Hayashi,A.Inoue.Mater.Trans.JIM2001,42:1171-1716.）通过快速凝固+粉末冶金方法制备了一种6H-LPSO结构增强的超高强稀土镁合金（Mg₉₇Y₂Zn₁(at.%)），其室温下抗拉强度为610MPa，延伸率为5%。这一发现掀起了有关原位自生LPSO结构增强Mg-RE-Zn镁合金的研究热潮。

然而，目前研究的LPSO结构增强合金均为一种原位自生的LPSO结构增强合金，只有在Mg-Zn-RE(稀土)中，Zn/RE达到一定比例时才会有LPSO结构的产生或者有热处理之后才可有LPSO结构的析出，这大大限制了该结构作为有效强化颗粒的应用范围。这种现象导致LPSO结构的强化作用受到了限制，其主要表现为：第一，制备原位自生LPSO结构增强镁合金需要特定的合金成分，否则会有其它相产生。如在Mg-8Gd-xZn-0.4Zr合金中发现LPSO结构与W相共存且为竞争关系，提高Zn含量导致大量W相生成，不利于提高合金强度。因此，如果从富镁角区域制备LPSO结构增强镁合金，很难实现LPSO结构在含量、分布等方面的可控性。第二，大量LPSO结构生成导致Mg-RE-Zn合金的时效硬化行为降低。LPSO结构含量越高的合金，时效过程中的Mg-RE析出相的析出量越少，其时效效果就越差。结果，Mg-RE-Zn合金的强度不能通过时效处理进一步提高。

从以上分析可知，本发明正是采用一种新工艺、方法制备一种LPSO结构增强的镁金属基复合材料，突破了在富镁角区域研制LPSO结构时的限制，实现LPSO结构可控（形貌、大小、含量、均匀分布）地作为增强颗粒添加到镁基材料中，从而制备一种新型的LPSO结构增强的镁金属基复合材料，由此非常有效而显著地提高合金的力学性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备LPSO结构增强镁金属基复合材料及制备方法。

本发明中所要解决的问题是如何将LPSO结构引入到其它不能原位产生LPSO结构的镁及镁合金中去，且使其尺寸较小、分散均匀，能够显著提高合金的力学性能。本发明中的任意添加有两层意思：（1）LPSO结构可作为外加增强颗粒向镁及多种镁合金体系中添加，如纯镁、Mg-Zn（ZK60）、Mg-Al（AZ31）等中均可添加LPSO结构；（2）根据对材料性能的要求，可实现LPSO结构在含量方面的控制。综上，LPSO结构的添加可实现灵活性、有效性和实用性。

为实现上述目的，本发明的一种高性能镁金属基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）分别将制得的LPSO结构中间合金和工业纯镁或镁合金等进行打磨、去掉合金表面的氧化皮，而后将其在破碎机上进行初级破碎，制得初级颗粒的尺寸为0.1～0.5厘米。

（2）将制得的初级颗粒混合，按照LPSO结构的添加质量10～40%与纯镁颗粒或镁合金颗粒进行混合，而后在研磨机上进行研磨加工，制得尺寸为10～250μm的颗粒；

（3）将步骤（2）制得的颗粒放置于多次循环塑性变形设备中多次压实，制得压制毛坯，载荷为15～40t；

（4）将步骤（3）压制毛坯放置于退火炉中进行退火处理，氩气氛围保护，退火温度为350～480℃，保温15min～30min，且在炉中自然冷却；

（5）将退火处理后的压制毛坯放置于保温炉中加热，保温温度为250～450℃，保温时间为0.5～2h，然后使用立式挤压机进行挤压加工，挤压温度为250～450℃，挤压比优选16。

优选LPSO结构增强颗粒由Mg-Er-Zn的LPSO结构中间合金制得，合金中LPSO结构的面积百分含量为65%。

本发明提供了一种制备高性能LPSO结构增强的镁金属基复合材料及制备方法，本发明中增强颗粒由LPSO结构中间合金制得，其初始尺寸为0.1～0.5厘米。将相同尺寸的纯镁（99.9%）/AZ31/ZK60等作为基体材料与增强颗粒混合均匀，并通过一定的加工方法和热处理工艺制备增强颗粒与纯镁基体混合的挤压毛坯。调控合金中增强颗粒与纯镁基体的质量比例为10～40%，可获得力学性能优异的LPSO结构增强的镁金属基复合材料。该复合材料可用于制备各种结构器件，满足不同方面的需要。本发明有效的改变LPSO结构在形成、含量和添加方面难控制的局面。第一次将LPSO结构作为一种外加增强颗粒添加到镁及镁合金中去，从而实现LPSO结构在任何镁合金系中的灵活添加，脱离了原位自生LPSO结构的合金成分限制，扩大了LPSO结构在镁合金中有效存在和应用范围，为改善镁及镁合金的性能提供了一种有效的新方法和新技术。

本发明的实质性特点及显著进步

1）制备了一种新型的以LPSO结构作为外加增强颗粒的镁金属基复合材料；突破了原位自生LPSO结构对合金成分（种类、含量）等方面的限制，可实现LPSO结构作为外加增强颗粒，可控地添加到任何镁合金体系中，制得镁金属基复合材料。

2）外加LPSO结构增强的镁金属基复合材料的力学性能突出，其强度可随LPSO结构添加量的增加而显著升高，可根据实际需要条件和力学参数等选择LPSO结构的添加量，进而制得复合材料。

3）该复合材料的制备技术较为复杂和独特，分别涉及到了机械破碎和混合、精细研磨、毛坯压制、退火处理和热挤压加工等一系列的加工过程，每一步都有特需的参数设置以保证材料的品质。

4）本发明的新型镁金属基复合材料，其在室温下纯镁+LPSO结构制备的复合材料其抗拉强度区间为120～250MPa，屈服强度区间为95～200MPa；镁合金+LPSO结构制备的复合材料其抗拉强度区间为250～450MPa，屈服强度区间为150～350MPa。

附图说明

图1是本发明中的LPSO结构中间合金的OM照片。

图2是本发明中LPSO结构中间合金的XRD图谱。

图3是本发明中实施例2中复合材料的OM照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例，所用LPSO结构中间合金的OM照片见图1，XRD图谱见图2。

实施例1：

以工业纯镁作为基体材料为例，首先将工业纯镁、LPSO结构中间合金（65%）打磨，加工，制得金属颗粒并混合，二者的添加质量比例分别为90%、10%，混合均匀后放置于研磨机中，研磨25min。其次，将混合研磨好的粉末放置于多次循环塑性变形设备中，压缩加工，其下压次数为5次，载荷力为20t，最终制得挤压毛坯。再次，将挤压毛坯放在炉中退火，退火温度为400℃，保温15min，氩气保护，自然空冷。第四，将挤压毛坯进行挤压加工，先在在保温炉中温度250℃保温1.5h，然后立即挤压，挤压比为16。最后，制得合金的抗拉、屈服强度分别为：120MPa、95MPa。

实施例2：

以工业纯镁作为基体材料为例，首先将工业纯镁、LPSO结构中间合金（65%）打磨，加工，制得金属颗粒并混合，二者的添加质量比例分别为75%、25%，混合均匀后放置于研磨机中，研磨15min。其次，将混合研磨好的粉末放置于多次循环塑性变形设备中，压缩加工，其下压次数为5次，载荷力为30t，最终制得挤压毛坯。再次，将挤压毛坯放在炉中退火，退火温度为400℃，保温25min，氩气保护，自然空冷。第四，将挤压毛坯进行挤压加工，先在在保温炉中温度300℃保温0.5h，然后立即挤压，挤压比为16。最后，制得合金的抗拉、屈服强度分别为：180MPa、165MPa。

实施例3：

以AZ31作为基体材料为例，首先将AZ31、LPSO结构中间合金（65%）打磨，加工，制得金属颗粒并混合，二者的添加质量比例分别为90%、10%，混合均匀后放置于研磨机中，研磨30min。其次，将混合研磨好的粉末放置于多次循环塑性变形设备中，压缩加工，其下压次数为5次，载荷力为40t，最终制得挤压毛坯。再次，将挤压毛坯放在炉中退火，退火温度为400℃，保温30min，氩气保护，自然空冷。第四，将挤压毛坯进行挤压加工，先在保温炉中温度300℃保温1h，然后立即挤压，挤压比为16。最后，制得合金的抗拉、屈服强度分别为：270MPa、185MPa。

实施例4：

以AZ31作为基体材料为例，首先将AZ31、LPSO结构中间合金（65%）打磨，加工，制得金属颗粒并混合，二者的添加质量比例分别为80%、20%，混合均匀后放置于研磨机中，研磨15min。其次，将混合研磨好的粉末放置于多次循环塑性变形设备中，压缩加工，其下压次数为5次，载荷力为35t，最终制得挤压毛坯。再次，将挤压毛坯放在炉中退火，退火温度为400℃，保温30min，氩气保护，自然空冷。第四，将挤压毛坯进行挤压加工，先在在保温炉中温度350℃保温1.5h，然后立即挤压，挤压比为16。最后，制得合金的抗拉、屈服强度分别为：312MPa、197MPa。

实施例5：

以ZK60作为基体材料为例，首先将ZK60、LPSO结构中间合金（65%）打磨，加工，制得金属颗粒并混合，二者的添加质量比例分别为80%、20%，混合均匀后放置于研磨机中，研磨30min。其次，将混合研磨好的粉末放置于多次循环塑性变形设备中，压缩加工，其下压次数为5次，载荷力为40t，最终制得挤压毛坯。再次，将挤压毛坯放在炉中退火，退火温度为400℃，保温30min，氩气保护，自然空冷。第四，将挤压毛坯进行挤压加工，先在在保温炉中温度400℃保温2h，然后立即挤压，挤压比为16。最后，制得合金的抗拉、屈服强度分别为：325MPa、275MPa。

Claims

1.一种高性能镁金属基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）分别将制得的LPSO结构中间合金和工业纯镁或镁合金等进行打磨、去掉合金表面的氧化皮，而后将其在破碎机上进行初级破碎，制得初级颗粒的尺寸为0.1～0.5厘米；

（5）将退火处理后的压制毛坯放置于保温炉中加热，保温温度为250～450℃，保温时间为0.5～2h，然后使用立式挤压机进行挤压加工，挤压温度为250～450℃。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤（5）的挤压比为16。

3.按照权利要求1的方法，其特征在于，LPSO结构增强颗粒由Mg-Er-Zn的LPSO结构中间合金制得，合金中LPSO结构的面积百分含量为65%。

4.按照权利要求1-3的任一方法得到的高性能镁金属基复合材料。