CN106282637B - 一种原位制备含硼镁基复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位制备含硼镁基复合材料的方法；在镁及合金基体板材上制备沟槽作为复合材料制备区域；将待加工的镁及合金基体板材用夹具固定于搅拌摩擦加工设备平台上；将事先制备的含硼高能球磨粉末均匀填埋至基板的沟槽内并压实；采用无针搅拌头于填充粉末的沟槽处进行预加工，将粉末封装于沟槽中；使用与沟槽尺寸匹配的带针搅拌头对基体上的粉末填充区域进行多次搅拌摩擦加工，利用搅拌摩擦过程中产生的热量以及剧烈的材料流动，获得含硼镁基复合材料。本发明有机结合高能球磨以及搅拌摩擦加工技术的优势，原位制备了含硼镁基复合材料，有效获得纳米尺寸增强相的同时还降低了镁基材的晶粒尺寸，从而获得了综合性能较好的镁基复合材料。

Description

一种原位制备含硼镁基复合材料的方法

技术领域

本发明属于镁基复合材料加工领域，尤其涉及一种原位制备含硼镁基复合材料的方法。

背景技术

镁及镁合金作为最轻的结构材料具有比强度、比刚度高，电磁屏蔽和抗辐射能力强等一系列优点，伴随着世界范围内日益严峻的能源和环境问题，镁及镁合金在轻量化领域具有广阔的应用前景。但是，镁合金较低的综合力学性能制约了它的广泛应用。金属基复合材料是以金属材料为基体，以晶须、纤维或颗粒为增强体复合而成的材料，可通过合理设计使得基体与增强体之间互相取长补短，发挥各自性能优势。镁基复合材料以其高的比强度、模量、硬度、尺寸稳定性，以及优良的耐磨、耐蚀、减振性能和高温性能，在航空以及运输业获得越来越广泛的关注。目前，镁基复合材料已成功运用到很多方面，如美国TEXT RON公司、Dow化学公司，利用SiCp/Mg复合材料已制造出螺旋桨、导弹尾翼、内部加强气缸等。

金属基复合材料的力学性能主要取决于增强相的尺寸、体积分数以及基体-增强相界面。常规的金属基复合材料制备包括在铸造过程中加入陶瓷颗粒或粉末冶金，以这些方式加入的颗粒尺寸将受限于原始颗粒尺寸，很难获得细小的增强相颗粒尺寸以及弥散的分布，因此很难通过Orowan强化机制提高性能。

搅拌摩擦焊加工是基于搅拌摩擦焊接原理发展起来的一种塑性加工技术。FSP过程中，搅拌区会经历剧烈的塑性变形和热暴露，从而形成晶粒细小、成分均一的再结晶组织。最近一些研究表明通过FSP可成功制备铝基复合材料，并达到降低初始颗粒尺寸，获得弥散增强相以及细小晶粒尺寸，从而达到提高材料综合力学性能的目的。而目前关于通过FSP向镁基体中加入颗粒增强体时，并不与镁基体发生原位反应，而仅通过FSP技术将其导入。另外，一些非金属颗粒由于与镁基体的润湿性较差，即使通过搅拌摩擦加工也较难与镁基体形成较强的界面结合，与基体的相容性较差。而如何将非金属元素成功导入至镁及合金基体中并形成有效增强相，仍然是有待解决的问题。

高能球磨是一种利用固态扩散反应制进行金属基复合材料制备的加工技术。该工艺通过将不同粉末在高能球磨机中球磨，粉末经磨球的碰撞、挤压、重复地发生变形、断裂、焊合、原子间相互扩散或进行固态反应而形成合金粉末。剧烈塑性变形在初始粉末中引入大量的晶体缺陷，从而提高了扩散速率；有研究还表明，高能球磨能够显著降低固态反应的激活能，降低反应开始的温度。通过高能球磨技术能够将非金属元素或粉末与金属材料混合，新形成的高能球磨粉末还具有较高的活性。不过，高能球磨法所制备的材料均为粉体材料，必须经过后续工艺如热压以及高温挤压才能获得块体材料以及进一步反应，步骤较为繁琐。

发明内容

本发明的目的在于客服上述现有技术存在的不足，提供一种有机结合高能球磨以及搅拌摩擦加工技术的优势的原位制备含硼镁基复合材料的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明涉及一种原位制备含硼镁基复合材料的方法，所述方法包括如下步骤：

S1、混合Mg-RE合金碎屑与氮化硼粉末，通过高能球磨加工制备得到含硼高能球磨镁合金粉末；

S2、在镁或镁合金基板上切割出沟槽作为复合材料制备区域；

S3、将待加工的镁或镁合金基板固定于搅拌摩擦加工设备平台上，将所述含硼高能球磨镁合金粉末均匀填埋至所述沟槽内并压实；

S4、搅拌摩擦预加工：采用无针搅拌头在填充了所述粉末的沟槽区域进行搅拌摩擦，将所述粉末封装于沟槽中；

S5、搅拌摩擦加工：使用与沟槽尺寸匹配的带针搅拌头在预加工后的填充了所述粉末的沟槽区域进行搅拌摩擦，获得含硼镁基复合材料。

优选的，所述Mg-RE合金碎屑的尺寸为0.1～6mm；所述Mg-RE合金碎屑与氮化硼粉末的质量比为0.1％～5％。

优选的，Mg-RE合金中RE包括Gd、Nd、Y、Ce、Sm、La、Pr、Th、Dy、Tb、Ho。

优选的，所述镁或镁合金基板的厚度为2～10mm。

优选的，所述含硼高能球磨镁合金粉末的尺寸≦150μm。

优选的，步骤S4中，所述无针搅拌头只含轴肩，且轴肩表面具有向外凸出弧度，轴肩尺寸大于所述沟槽宽度，无针搅拌头与垂直方向的倾角为1～3°，无针搅拌头下压量0.1-2mm，无针搅拌头旋转速度300～2000rpm，无针搅拌头前进速度10～500mm/min。更优选无针搅拌头旋转速度800～1200rpm，无针搅拌头前进速度60～120mm/min。

优选的，步骤S5中，所述带针搅拌头与垂直方向的倾角为1～3°，带针搅拌头下压量0.1～2mm，带针搅拌头旋转速度300～2000rpm，带针搅拌头前进速度10～400mm/min。更优选带针搅拌头旋转速度800～1600rpm，带针搅拌头前进速度60～120mm/min。

优选的，步骤S5中，所述搅拌摩擦为多道次搅拌摩擦。在本发明的体系中，进行多道次搅拌摩擦加工后发现增强粒子的分布更加均匀弥散。

优选的，所述多道次搅拌摩擦的加工次数为1～5次。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明结合高能球磨和搅拌摩擦加工两种技术的优势，在搅拌摩擦加工过程中，加入高能球磨获得含B金属粉末进行镁基复合材料的制备；与直接加入陶瓷颗粒相比，高能球磨获得的高活性金属颗粒可以提高通过搅拌摩擦加工原位生成增强相的反应率，也利用了搅拌摩擦加工过程中的热力耦合作用，使原来高能球磨后续的烧结以及热挤压工序合为一步，精简了制备工艺。

2)相对于常规的热挤压工艺，搅拌摩擦加工可以使增强相弥散分布，且获得均匀细小的基体晶粒尺寸。

3)搅拌摩擦加工设备可以兼具将粉末封装的功能，使粉末与基体材料在密闭空间中混合及反应更加充分。

4)搅拌摩擦加工过程中的剧烈变形和热暴露可以激活增强相的原位生成反应。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为填粉沟槽以及搅拌摩擦加工示意图；其中，1为金属基体材料，2为搅拌头，3为粉末，4为沟槽；

图2为本发明实施例2得到搅拌摩擦加工区中增强粒子分布的显微结构照片，其中，(a)为金相照片，(b)为扫描电镜照片；

图3为本发明实施例3得到搅拌摩擦加工区中增强粒子分布的显微结构照片，其中，(a)为金相照片，(b)为扫描电镜照片；

图4为本发明实施例3得到的搅拌摩擦加工区中增强粒子的透射电镜明场照片和ESD结果；其中，(a)为分布有增强粒子的搅拌加工区显微组织透射电镜明场照片，(b)为增强粒子高倍透射电镜明场照片，(c)为透射电镜自带能谱对(b)图所示增强粒子的成分检测EDS结果。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例涉及一种原位制备含硼镁基复合材料的方法；按照设计的粉末成分将Mg-Gd合金碎屑与BN粉在高能球磨设备上混合，然后提高转速在氩气保护下进行高能球磨，获得尺寸≦150μm的Mg-Gd-B金属粉末，其中，Mg-Gd合金碎屑的尺寸为4～6mm，其与氮化硼粉末的质量比为4％；如图1所示，在厚6mm的金属基体材料1(本实施例选用纯镁板材)上通过电火花线切割设备沿板长度方向制备宽1mm，深3mm的填粉沟槽4；随后将待加工纯镁板用夹具固定于搅拌摩擦加工设备平台上；将高能球磨Mg-Gd-B金属粉末3均匀填埋至纯镁基板的沟槽内并压实；采用具有外凸弧度轴肩的无针搅拌头2于填充粉末的沟槽处进行预加工，将粉末封装于沟槽中，其中，搅拌头轴肩直径23mm，搅拌头与垂直方向的倾角为2.5°，搅拌头下压量0.25mm，搅拌头旋转速度800rpm，搅拌头前进速度60mm/min；采用轴肩直径15mm，搅拌针直径5mm，高度3.8mm的搅拌头对纯镁基体上的粉末填充区域进行搅拌摩擦加工，其中搅拌头与垂直方向的倾角为2.5°，搅拌头下压量0.35mm，搅拌头旋转速度1600rpm，搅拌头前进速度60mm/min。利用搅拌摩擦过程中产生的热量及剧烈的材料流动，加上高能球磨Mg-Gd-B粉末所具备的高活性，获得了镁基含B复合材料。所获得搅拌区中增强颗粒可与纯镁基体材料充分混合反应，获得晶粒尺寸细小且含B增强相的充分混合分布的加工区域。

对比例1

本对比例是实施例1的对照例。在本对比例中，采用市售纯B粉末；在厚6mm的纯镁板材上通过电火花线切割设备沿板长度方向制备宽1mm，深3mm的填粉沟槽；随后将待加工纯镁板用夹具固定于搅拌摩擦加工设备平台上；将纯B粉末均匀填埋至纯镁基板的沟槽内并压实；采用具有外凸弧度轴肩的无针搅拌头于填充粉末的沟槽处进行预加工，将粉末封装于沟槽中，其中，搅拌头轴肩直径23mm，搅拌头与垂直方向的倾角为2.5°，搅拌头下压量0.25mm，搅拌头旋转速度800rpm，搅拌头前进速度60mm/min；采用轴肩直径15mm，搅拌针直径5mm，高度3.8mm的搅拌头对纯镁基体上的粉末填充区域进行搅拌摩擦加工，其中搅拌头与垂直方向的倾角为2.5°，搅拌头下压量0.35mm，搅拌头旋转速度1600rpm，搅拌头前进速度60mm/min。虽然在此过程中通过搅拌摩擦产生的较多的热量以及剧烈的材料流动，但是结果显示，纯B粉末很难于混合于纯镁基体中，两者之间存在明显的界限，界面结合强度差，纯B粉末易脱落，两者没有得到有机的结合。

实施例2

按照设计的粉末成分将Mg-Gd合金碎屑与BN粉在高能球磨设备上混合，然后提高转速在氩气保护下进行高能球磨，获得尺寸≦150μm的Mg-Gd-B金属粉末，其中，Mg-Gd合金碎屑的尺寸为0.5～2.5mm，其与氮化硼粉末的质量比为1％；采用与高能球磨粉末成分相近的Mg-Gd-Zr合金板材作为基体母材，其厚度为6mm，在Mg-Gd-Zr合金板材上通过电火花线切割设备沿板长度方向制备宽2mm，深3mm的填粉沟槽；随后将待加工Mg-Gd-Zr合金板用夹具固定于搅拌摩擦加工设备平台上；将高能球磨Mg-Gd-B金属粉末均匀填埋至Mg-Gd-Zr合金基板的沟槽内并压实；采用具有外凸弧度轴肩的无针搅拌头于填充粉末的沟槽处进行预加工，将粉末封装于沟槽中，其中，搅拌头轴肩直径23mm，搅拌头与垂直方向的倾角为2.5°，搅拌头下压量0.25mm，搅拌头旋转速度800rpm，搅拌头前进速度120mm/min；采用轴肩直径15mm，搅拌针直径5mm，高度3.8mm的搅拌头对Mg-Gd-Zr基体上的粉末填充区域进行搅拌摩擦加工，其中搅拌头与垂直方向的倾角为2.5°，搅拌头下压量0.35mm，搅拌头旋转速度800pm，搅拌头前进速度120mm/min。利用搅拌摩擦过程中产生的热量及剧烈的材料流动，加上高能球磨Mg-Gd-B粉末所具备的高活性，同时利用基体母材与高能球磨粉末成分相近带来的高结构匹配度，获得了镁基含B复合材料。所获得搅拌区中增强颗粒可与Mg-Gd-Zr基体材料充分混合反应，如图2的金相及扫描电镜照片所示，获得了晶粒尺寸细小且含B增强相的充分混合分布的加工区域。

实施例3

按照设计的粉末成分将Mg-Gd合金碎屑与BN粉在高能球磨设备上混合，然后提高转速在氩气保护下进行高能球磨，获得尺寸≦150μm的Mg-Gd-B金属粉末，其中，Mg-Gd合金碎屑的尺寸为2～3mm，其与氮化硼粉末的质量比为2％；在厚6mm的AZ31板材上通过电火花线切割设备沿板长度方向制备宽1mm，深3mm的填粉沟槽；随后将待加工AZ31板材用夹具固定于搅拌摩擦加工设备平台上；将高能球磨Mg-Gd-B金属粉末均匀填埋至AZ31板材基板的沟槽内并压实；采用具有外凸弧度轴肩的无针搅拌头于填充粉末的沟槽处进行预加工，将粉末封装于沟槽中，其中，搅拌头轴肩直径23mm，搅拌头与垂直方向的倾角为2.5°，搅拌头下压量0.25mm，搅拌头旋转速度1200rpm，搅拌头前进速度100mm/min；采用轴肩直径15mm，搅拌针直径5mm，高度3.8mm的搅拌头对AZ31板材基板上的粉末填充区域进行搅拌摩擦加工，其中搅拌头与垂直方向的倾角为2.5°，搅拌头下压量0.25mm，搅拌头旋转速度1200rpm，搅拌头前进速度100mm/min。利用搅拌摩擦过程中产生的热量及剧烈的材料流动，加上高能球磨Mg-Gd-B粉末所具备的高活性，获得了镁基含B复合材料。所获得搅拌区中增强颗粒可与AZ31基体材料充分混合反应，获得晶粒尺寸细小且含B增强相的充分混合分布的加工区域。图3显示了搅拌摩擦加工区中增强粒子分布的金相及扫描电镜照片，可见有较多的增强颗粒分布于AZ31基体中，图4中显示的搅拌摩擦加工区增强粒子的透射电镜明场照片及ESD结果显示，通过搅拌摩擦加工及高能球磨技术可以在AZ31镁合金中生成含B增强粒子。

通过对比未开槽的AZ31搅拌区镁合金拉伸力学性能以及本实施例中搅拌区镁基复合材料力学性能，发现含硼镁基复合材料强度明显提高，且具有较高的综合力学性能，具体拉伸性能结果如下：未开槽的AZ31搅拌区镁合金屈服强度58.92MPa，抗拉强度170.47MPa，延伸率13.99％；本实施例中搅拌区镁基复合材料屈服强度78.72MPa，抗拉强度232.43MPa，延伸率13.89％。在本实施例的基础上，再进行多道次搅拌摩擦加工后发现增强粒子的分布更加均匀弥散。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种原位制备含硼镁基复合材料的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、混合Mg-RE合金碎屑与氮化硼粉末，通过高能球磨加工制备得到含硼高能球磨镁合金粉末；

S2、在镁或镁合金基板上切割出沟槽作为复合材料制备区域；

S3、将待加工的镁或镁合金基板固定于搅拌摩擦加工设备平台上，将所述含硼高能球磨镁合金粉末均匀填埋至所述沟槽内并压实；

S4、搅拌摩擦预加工：采用无针搅拌头在填充了所述粉末的沟槽区域进行搅拌摩擦，将所述粉末封装于沟槽中；

S5、搅拌摩擦加工：使用与沟槽尺寸匹配的带针搅拌头在预加工后的填充了所述粉末的沟槽区域进行搅拌摩擦，获得含硼镁基复合材料。

2.如权利要求1所述的原位制备含硼镁基复合材料的方法，其特征在于，所述Mg-RE合金碎屑的尺寸为0.1～6mm；所述Mg-RE合金碎屑与氮化硼粉末的质量比为0.1％～5％。

3.如权利要求1所述的原位制备含硼镁基复合材料的方法，其特征在于，Mg-RE合金中RE包括Gd、Nd、Y、Ce、Sm、La、Pr、Dy、Tb、Ho。

4.如权利要求1所述的原位制备含硼镁基复合材料的方法，其特征在于，所述镁或镁合金基板的厚度为2～10mm。

5.如权利要求1所述的原位制备含硼镁基复合材料的方法，其特征在于，所述含硼高能球磨镁合金粉末的尺寸≦150μm。

6.如权利要求1所述的原位制备含硼镁基复合材料的方法，其特征在于，步骤S4中，所述无针搅拌头只含轴肩，且轴肩表面具有向外凸出弧度，轴肩尺寸大于所述沟槽宽度，无针搅拌头与垂直方向的倾角为1～3°，无针搅拌头下压量0.1-2mm，无针搅拌头旋转速度300～2000rpm，无针搅拌头前进速度10～500mm/min。

7.如权利要求1所述的原位制备含硼镁基复合材料的方法，其特征在于，步骤S5中，所述带针搅拌头与垂直方向的倾角为1～3°，带针搅拌头下压量0.1～2mm，带针搅拌头旋转速度300～2000rpm，带针搅拌头前进速度10～400mm/min。

8.如权利要求1所述的原位制备含硼镁基复合材料的方法，其特征在于，步骤S5中，所述搅拌摩擦为多道次搅拌摩擦。

9.如权利要求8所述的原位制备含硼镁基复合材料的方法，其特征在于，所述多道次搅拌摩擦的加工次数为1～5次。