CN104789841A

CN104789841A - 一种Mg-Li基复合材料及其制备方法

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Publication number: CN104789841A
Application number: CN201510179706.3A
Authority: CN
Inventors: 吴国清; 李冰涛; 刘晓龙; 吴超章
Original assignee: High And New Technology Industrial Development Zone Linyi Shuan Hang Material Science And Technology Ltd
Current assignee: Shandong Yuanhang Ultra Light Material Research Institute Co., Ltd
Priority date: 2015-04-16
Filing date: 2015-04-16
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2035-04-16
Also published as: CN104789841B

Abstract

本发明公开了一种Mg-Li基复合材料及其制备方法，属于复合材料及其制备技术领域。所述制备方法包括复合粉末的制备、冷压、热压和热挤压等步骤，之后通过熔铸得到YAl₂超细颗粒增强Mg-Li基复合材料。本发明将复合球磨工艺的时间从10h～20h减少到0.5h～2h，明显缩短生产周期，提高了生产效率，降低了粉体自燃、爆炸的风险；对混合粉体进行热压及热挤压处理，粉体包覆更为均匀，减少了团聚，熔炼过程中大大减少了气体的引入，减少了氧化，提高了金属熔体的纯净度，解决了熔炼过程中熔渣多、熔体易燃的问题，材料性能得以提高，熔炼工艺易于控制，可快速熔铸出50kg～100kg的较大铸锭，生产过程的安全性大大提高，利于工业化生产。

Description

一种Mg-Li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，具体涉及一种金属间化合物颗粒增强Mg-Li基复合材料的制备方法。

背景技术

镁锂合金因具有超低的密度(1.30g/cm³～1.6g/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。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，向合金基体中添加高强的颗粒或纤维等，使得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，并不同程度的提高了镁锂基合金的力学性能。YAl₂颗粒是一种金属间化合物增强体，具有较高的熔点(1485℃)、较高的弹性模量(158GPa)、与金属熔体润湿性好、化学相容性适配等特性，将其作为镁锂基合金的增强体有着显著的效果，因此成为材料研究的热点之一。

申请号为201210414648.4的专利文献中提出了一种金属间化合物超细颗粒增强镁锂基复合材料，该复合材料使用0.01μm～5μmYAl₂超细颗粒强化镁锂合金，采用了复合球磨的方法对增强体进行表面改性，并冷压成预制体将增强体颗粒加入金属熔体中进行熔炼。此种方法在一定程度上减少了颗粒的团聚，改善了颗粒与基体的界面结合性质，复合材料较普通颗粒增强复合材料在强度上有大幅度提高，但此方法中，存在着较多问题。虽然YAl₂超细颗粒的平均粒度为200nm，但制备过程中粒度分布未发生改善，仍存在着少量的微米级大颗粒，影响了强化效果；复合球磨通常需要数十小时的时间，打开纳米级小颗粒团聚的效果较差，周期长，效率低，而且在高能的冲击作用下容易发生爆炸；冷压之后的预制体松散易碎，致密度只能达到40％～60％，内部含有较多空气，熔炼过程中将带入大量空气，氧化形成大量熔渣，影响金属熔体的纯净度，影响复合材料的性能，并有着着火爆炸的风险。因此该方法工艺复杂、控制难度大，目前只能制备出1kg～2kg的小型铸锭，不适合工业化生产。

发明内容

本发明旨在克服现有技术不足，提供一种性能优异、生产效率高、安全性高，适合工业化生产的YAl₂超细颗粒增强Mg-Li基复合材料及其制备方法。所述的制备方法，具体包括下列步骤：

第一步，将0.01μm～5μmYAl₂超细颗粒与Mg粉混合形成混合粉末，将混合粉末在行星球磨机上进行球磨形成复合粉末。超细颗粒与Mg粉的质量比例为1:2到2:1，球磨时间为0.5h～2h，优选的，超细颗粒与Mg粉的质量比例为2:1，球磨时间2h。所述的超细颗粒尺寸优选为0.01μm～1μm。

第二步，经过复合球磨得到的复合粉末在室温下冷压，得到复合粉末的预制体。压制压力为20MPa～40MPa，保压时间为1min～5min。

第三步，经过冷压得到预制体在150℃～300℃下热压，压力为40MPa～80MPa，保温保压时间为5min～20min。之后将预制体冷却至室温。

其中，热压的压力大于冷压的压力，热压的保压时间大于冷压的保压时间。

第四步，经过热压过后的预制体进行多道次(一般9道次以上，优选9～16道次)热挤压，形成预制棒材。挤压温度为380℃～420℃，挤压比为3:1到16:1。所述的挤压温度优选为420℃，挤压比优选为16:1。

第五步，按照复合材料中基体合金的成分要求，扣除Mg粉所占元素比例，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上述的预制棒材，继续熔炼，最后得到超细颗粒增强Mg-Li基复合材料。所述的超细颗粒增强Mg-Li基复合材料中增强体颗粒体积分数为5％～10％。熔炼过程中采用机械搅拌和超声搅拌的辅助。所述的超细颗粒增强Mg-Li基复合材料中增强体颗粒体积分数进一步优选为5％。

上述制备方法得到的Mg-Li基复合材料，YAl₂超细颗粒作为增强体，Mg-Li基合金为基体，所述增强体的体积分数为5％～10％；YAl₂超细颗粒增强体的粒径尺寸为0.01μm～5μm。

所述的Mg-Li基合金为Mg-(9-14)Li-(1-3)Zn或Mg-(9-14)Li-(1-3)Al。

本发明的突出优点在于：

(1)本发明将复合球磨工艺的时间从10h～20h减少到0.5h～2h，缩短生产周期，效率提高，并且降低了粉体爆炸的风险。

(2)本发明将复合粉末在冷压工艺之后继续进行热压及热挤压处理，将预制体的致密度从30％～60％提高到98％以上。熔炼过程中大大减少了空气的引入，减少了氧化，提高了金属熔体的纯净度，解决了熔炼过程中熔渣、易燃的问题，材料性能得以提高，生产过程的安全性大大提高。

(3)本发明通过多道次的热挤压很好解决了超细增强体颗粒的团聚问题；同时在热挤压过程中由于磨擦、挤压、剪切等作用使颗粒进一步细化，粒度分布从0.01μm～5μm细化到0.01μm～0.5μm，平均粒度从200nm细化到100nm，从而强化效果更为显著。

(4)本发明通过多道次的热挤压将多个小体积预制体融合成较大体积的预制棒材。使得熔炼工艺易于控制，风险降低，可熔炼出50kg～100kg的较大铸锭，利于工业化生产。

(5)利用本发明提供的制备方法制得的复合材料的拉伸强度相比于基体合金提高250％～350％，而延伸率降至10％～15％，塑性得到较好保持。

附图说明

图1是本发明提供的一种Mg-Li基复合材料的生产方法流程图；

图2是本发明制备过程中的YAl₂/Mg复合球磨后颗粒的形貌SEM图；

图3是本发明制备过程中预制体的形貌SEM图；

图4是本发明制备过程中的预制体的能谱分析图。

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。

实施例1

以制备重量50kg的复合材料为例。

YAl₂超细颗粒增强Mg-14Li-Zn基复合材料，制备步骤如下：

1.按照体积分数为5％的YAl₂颗粒增强Mg-14Li-Zn基复合材料进行配料，0.01μm～5μmYAl₂超细颗粒7kg，锂锭6.35kg，锌锭0.55kg，1μm～100μm镁粉14kg，镁锭22.1kg。

2.按照YAl₂与Mg粉质量比为1:2进行混粉并球磨，时间0.5h，得到复合粉末。

3.复合粉体在20MPa下压实，保压时间1min，得到粉末预制体。

4.粉末预制体在150℃下、40MPa下进一步压制，时间5min，得到预压块。

5.预压块在380℃下进行9道次挤压，挤压比3:1，得到预制棒材。

6.在熔炉中将镁锭融化，投入锂锭、锌锭以及预制棒材，经过搅拌铸造，得到体积分数为5％的YAl₂颗粒增强Mg-14Li-1Zn基复合材料。

7.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127MPa提高到424MPa，密度为1.45g/cm³，延伸率为12％。

实施例2

以制备重量50kg的复合材料为例。

YAl₂超细颗粒增强Mg-14Li-3Al基复合材料，制备步骤如下：

1.按照体积分数为5％的YAl₂颗粒增强Mg-14Li-3Al基复合材料进行配料，0.01μm～5μmYAl₂超细颗粒7kg，锂锭6.67kg，铝锭1.43kg，1μm～100μm镁粉7kg，镁锭27.9kg。

2.按照YAl₂与Mg粉质量比为1:1进行混粉并球磨，时间2h，得到复合粉末。

3.复合粉体在40MPa下压实，保压时间5min，得到粉末预制体。

4.粉末预制体在300℃下、80MPa下进一步压制，时间20min，得到预压块。

5.预压块在420℃下进行12道次挤压，挤压比16:1，得到预制棒材。

6.在熔炉中将镁锭融化，投入锂锭、锌锭以及预制棒材，经过搅拌铸造，得到体积分数为5％的YAl₂颗粒增强Mg-14Li-3Al基复合材料。

7.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提高到502MPa，密度为1.46g/cm³，延伸率为11％。

实施例3

以制备重量50kg的复合材料为例。

YAl₂超细颗粒增强Mg-14Li-3Al基复合材料，制备步骤如下：

1.按照体积分数为5％的YAl₂颗粒增强Mg-14Li-3Al基复合材料进行配料，0.01μm～1μmYAl₂超细颗粒7kg，锂锭6.67kg，铝锭1.43kg，1μm～100μm镁粉3.5kg，镁锭31.4kg。

2.按照YAl₂与Mg粉质量比为2:1进行混粉并球磨，时间2h，得到复合粉末。

3.复合粉体在40MPa下压实，保压时间5min，得到粉末预制体。

4.粉末预制体在250℃下、80MPa下进一步压制，时间20min，得到预压块。

5.预压块在420℃下进行16道次挤压，挤压比16:1，得到预制棒材。

7.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提高到559MPa，密度为1.44g/cm³，延伸率为15％。如图2所示，复合球磨之后得到的复合粉末中，超细颗粒均匀镶嵌于Mg颗粒上，超细颗粒之间未发生团聚。如图3所示，经过压制工艺得到的预制体没有明显气孔，超细颗粒分散良好。如图4所示，预制体能谱曲线中包括Mg、Y、Al三种元素，表面超细颗粒与Mg颗粒分散均匀，达到了固态包覆效果。

实施例4

以制备重量50kg的复合材料为例。

YAl₂超细颗粒增强Mg-14Li-3Al基复合材料，制备步骤如下：

1.按照体积分数为10％的YAl₂颗粒增强Mg-14Li-3Al基复合材料进行配料，0.01μm～5μmYAl₂超细颗粒12.76kg，锂锭5.57kg，铝锭1.17kg，1μm～100μm镁粉6.38kg，镁锭24.12kg。

2.按照YAl₂与Mg粉质量比为2:1进行混粉并球磨，时间1h。

3.复合粉体在30MPa下压实，保压时间3min，得到粉末预制体。

4.粉末预制体在250℃下、60MPa下进一步压制，时间15min，得到预压块。

5.多个预压块在400℃下共同进行16道次挤压，挤压比9:1，得到预制棒材。

6.在熔炉中将镁锭融化，投入锂锭、锌锭以及预制棒材，经过搅拌铸造，得到体积分数为10％的YAl₂颗粒增强Mg-14Li-3Al基复合材料。

7.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提高到520MPa，密度为1.58g/cm³，延伸率为10％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种Mg-Li基复合材料的制备方法，其特征在于：

第一步，将0.01μm～5μmYAl₂超细颗粒与Mg粉混合形成混合粉末，将混合粉末在行星球磨机上进行球磨形成复合粉末；超细颗粒与Mg粉的质量比例为1:2到2:1，球磨时间为0.5h～2h；

第二步，对经过复合球磨得到的复合粉末在室温下冷压，得到复合粉末的预制体；压制压力为20MPa～40MPa，保压时间为1min～5min；

第三步，对经过冷压得到预制体在150℃～300℃下热压，压力为40MPa～80MPa，保温保压时间为5min～20min；之后将预制体冷却至室温；

第四步，对经过热压过后的预制体进行多道次热挤压，形成预制棒材。挤压温度为380℃～420℃，挤压比为3:1到16:1；

第五步，按照复合材料中基体合金的成分要求，扣除Mg粉所占元素比例，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上述的预制棒材，继续熔炼，最后得到超细颗粒增强Mg-Li基复合材料；所述的超细颗粒增强Mg-Li基复合材料中增强体颗粒体积分数为5％～10％。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：超细颗粒与Mg粉的质量比例为2:1，球磨时间2h；所述的超细颗粒尺寸为0.01μm～1μm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：热压的压力大于冷压的压力，热压的保压时间大于冷压的保压时间。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的热挤压温度为420℃，挤压比为16:1。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的超细颗粒增强Mg-Li基复合材料中增强体颗粒体积分数为5％。

6.一种Mg-Li基复合材料，其特征在于：YAl₂超细颗粒作为增强体，Mg-Li基合金为基体，所述增强体的体积分数为5％～10％；YAl₂超细颗粒增强体的粒径尺寸为0.01μm～5μm。

7.根据权利要求6所述的一种Mg-Li基复合材料，其特征在于：所述的Mg-Li基合金为Mg-(9-14)Li-(1-3)Zn或Mg-(9-14)Li-(1-3)Al。