CN109777986A - 一种原位生成Mg2Si增强铝基复合材料的制备及组织优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位生成Mg₂Si颗粒增强铝基复合材料的制备及组织优化方法，包括以下步骤：(1)将一定配比的纯铝、结晶硅及纯镁在完全融化后，在700‑760℃精炼并静置，制得Mg₂Si/Al复合材料熔体；(2)在700‑800℃加入细化变质剂充分搅拌，并在700‑760℃保温5‑30min，以上细化变质剂包含Sr、P和Ti，其中Sr的添加量为复合材料质量的0.05‑0.5％，P的添加量为复合材料质量的0.05‑1％，Ti的添加量为复合材料质量的0.05‑0.5％；(3)对以上步骤得到的复合材料熔体通入Ar气体精炼2‑10min，静置5‑20min后在700‑760℃浇铸成型。本发明同步实现了复合材料增强体原位生成及组织复合细化变质优化，工艺简单，复合材料表现出良好的组织形貌特征。

Description

一种原位生成Mg2Si增强铝基复合材料的制备及组织优化方法

技术领域

本发明涉及一种原位生成颗粒增强铝基复合材料的制备与组织优化方法，特别涉及一种Mg₂Si/Al复合材料制备及增强体及铝合金基体组织优化方法。

背景技术

铝基复合材料是以铝合金为基体，通过一定的制备工艺手段加入或生成第二相物质(增强相)复合形成的新材料。这类材料可具备一系列优异的综合性能，如高比强度、高比刚度、高弹性模量、热膨胀系数小、高温性能好、抗疲劳性能好等优点。铝基复合材料的类型包括短纤维、晶须增强、长纤维增强和颗粒增强等类型。铝基复合材料的制备方法多种多样，各有利弊。而其中内生法制备颗粒增强复合材料由于具备(1)增强体在基体合金内部生成，表面洁净无污染，增强体与基体界面结合好；(2)通过适当的搅拌，增强体能够均匀弥散地分布于基体合金中；(3)制备工艺简单，适合于工业生产和推广应用。该方法受到国内外科研工作者的高度关注。

Mg₂Si具有密度小，熔点和弹性模量相对较高的特性，不仅是一种潜在的结构材料，还是铝基复合材料中理想的颗粒增强体。同时，Mg₂Si颗粒可利用熔体直接反应法在铝熔体中原位生成，制备工艺简单，容易实现含量的控制和规模生产。

但目前受限于高质量分数增强体的复合材料组织中粗大的树枝晶状增强体Mg₂Si，形状不够圆润，割裂基体材料；另外Al-Si共晶相粗大，以上组织特征严重降低了复合材料的性能。另外，关于Mg₂Si/Al复合材料的研究基体合金大多选为纯Al或者硬度较高的过共晶Al-Si合金，由于熔体流动性能一般，铸造质量较差；对复合材料的变质多集中在Mg₂Si相，而对材料中的其他组织的优化不够重视，对于复合细化变质鲜有研究。本发明通过制备不同增强体含量、不同基体铝合金的复合材料，采用复合细化变质处理，控制复合材料组织中的生成相的尺寸与形状等形貌特征，从而优化组织，提高材料性能。

发明内容

为了克服现有技术上的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种原位生成Mg₂Si增强铝基复合材料的制备及组织优化方法，将颗粒增强复合材料制备与组织中增强颗粒及基体组织细化变质同步进行，获得组织性能优异的复合材料。该方法制备流程短，简化工艺，操作方便。

本发明通过以下技术方案实现：

(1)制备Mg₂Si增强铝基复合材料熔体

根据预先设计的复合材料增强体含量及铝合金基体成分，计算出各元素的质量配比，从而分别称取相应质量的纯铝、结晶硅和纯镁；将纯铝置于坩埚中加热至750-800℃，加入结晶硅并搅拌，待全部熔化后降温至680-720℃，加入纯镁并搅拌待全部熔化后扒渣并精炼，在700-800℃保温；

(2)对Mg₂Si增强铝基复合材料进行组织优化

将细化变质剂加入步骤(1)所制备的Mg₂Si/Al熔体并快速搅拌1-10min，待全部熔化后在700-760℃保温5-30min；

细化变质剂是用于细化晶粒和改善组织以提高材料性能的物质，以上细化变质剂包含Sr、P和Ti，其中Sr的添加量为复合材料质量的0.05-0.5％，P的添加量为复合材料质量的0.05-1％，Ti的添加量为复合材料质量的0.05-0.5％；

(3)对步骤(2)所得熔体通Ar气体精炼2-10min，然后在700-760℃静置5-20min后浇铸成型，获得经组织优化后的Mg₂Si/Al复合材料。

其中，步骤(1)中所述Mg₂Si增强铝基复合材料，是以Mg₂Si为增强体的XMg2Si/Al-YSi复合材料，其中X为5-35％，Y为0-15。

其中，步骤(1)中所述纯铝中Al含量高于99.7％，纯镁中Mg含量高于99.7％，结晶硅中Si含量高于98％。

其中，步骤(1)中所述精炼剂为C₂Cl₆，加入量为1-2％。

其中，步骤(2)中所述细化变质剂Sr、P和Ti均以中间合金的形式加入，其中Sr元素以Al-10Sr中间合金形式加入，P元素以Cu-14P或者Al-3P中间合金形式加入，Ti元素以Al-10Ti中间合金形式加入。

其中，步骤(3)中所述通入Ar气体精炼的温度为720-750℃。

本发明的原理如下：

该复合材料实际为XMg₂Si/Al-YSi，根据增强体含量及基体合金成分的设计，如15％Mg₂Si/Al-10Si，计算出各元素的重量配比关系。由Mg-Si相图可知，Mg₂Si是Mg-Si体系中唯一的稳定化合物，在铝熔液中，Mg与Si能反应生成Mg₂Si并在凝固过程中形成Mg₂Si颗粒增强相。

2Mg+Si＝Mg₂Si

Sr能有效细化复合材料中的共晶Si，由针状相变为细小的纤维状。同时，Sr能改变复合材料中初生Mg₂Si相的形貌及其生长方式；Sr的加入能将复合材料中不规则形状及树枝晶状的初生Mg₂Si相变为多边形状。分析表明，Sr对复合材料组织中初生Mg₂Si相及共晶Si的作用机制为吸附毒化。

P能有效改善复合材料中初生Mg₂Si相的形貌及其颗粒尺寸。经过P变质后，复合材料中的初生Mg₂Si相由不规则形状及树枝晶状变为多边形状，且尺寸明显减小。P的加入为初生Mg₂Si增加了形核核心(P在熔体中会与Al反应形成AlP相，AlP的(220)晶面与Mg₂Si的(311)晶面的错配度为6.58％，满足异质形核核心机制对于低指数晶面点阵错配度小于15％的要求，说明AlP可成为Mg₂Si相的异质形核核心。

Ti的变质机理为：因钛与铝反应生成TiAl₃，在665℃TiAl₃与液体进行包晶反应生成α-Al，此时α-Al以TiAl₃作为晶核长大，因此有效细化α-Al组织。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)将颗粒增强复合材料制备与组织中增强颗粒及基体组织复合细化变质同步进行，从而获得组织性能优异的复合材料，缩短工艺流程，工艺简单可靠。

(2)本发明中使用的原材料及变质剂均为市场化产品，操作方法简单，易于实现工业化批量生产。

(3)通过对增强体及基体组织的复合处理方法发现，不同变质剂变质效果虽各有偏重也存在一定耦合作用。

附图说明

图1为实施例1中未经组织优化处理的20％Mg₂Si/Al-12Si复合材料的XRD图谱；

图2为实施例1中未经组织优化处理的20％Mg₂Si/Al-12Si复合材料的金相照片(x100)；

图3为实施例1中未经组织优化处理的20％Mg₂Si/Al-12Si复合材料的金相照片(x500)；

图4为实施例2中Sr对20％Mg₂Si/Al-12Si变质处理后复合材料的金相照片；

图5为实施例3中P对20％Mg₂Si/Al-12Si变质处理后复合材料的金相照片；

图6为实施例4中Sr-P-Ti对20％Mg₂Si/Al-12Si变质处理后复合材料的金相照片。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1 20％Mg₂Si/Al-12Si复合材料的制备

(1)根据该复合材料的成分设计计算出各原材料(纯铝、纯镁、结晶硅)的添加量，将称取的各原材料预热烘干。

(2)先将纯铝(Al)放入已置于井式电阻炉的石墨坩埚中加热熔化，待全部熔化后升温至800℃，然后加入结晶硅(Si)，待全部熔化后搅拌。

(3)将上述所得熔液降温至720℃加入纯镁(Mg)，熔融后搅拌均匀，温度保持720℃。

(4)扒除熔液表面浮渣并加入质量分数为1％的C₂Cl₆精炼剂搅拌精炼。

(5)静置5min后再次扒渣而后浇铸成型，获得复合材料样品并取样测试分析。

图1为经本实施例制得20％Mg₂Si/Al-12Si复合材料XRD图谱，从该图谱分析中可以看出复合材料中主要有Al相、Si相和Mg₂Si相。图2和图3为20％Mg₂Si/Al-12Si复合材料的铸态组织形貌，由图可知复合材料的组织由小颗粒Si相、Al-Si共晶相、初生Mg₂Si相以及α-Al相组成；其中，Mg₂Si相为粗大树枝晶状且连成一片，平均长度尺寸超过80μm。

实施例2 Sr对20％Mg₂Si/Al-12Si复合材料变质处理

(1)采用与实施例1中(1)-(4)熔炼制得20％Mg₂Si/Al-12Si复合材料熔体并在730℃保温。

(2)将一定量的Al-10Sr中间合金加入上述熔体中充分搅拌使其快速熔化，其中变质剂Sr的加入量为复合材料熔体的0.1％。

(3)在730℃时通入Ar气精炼3min，随后在720℃保温5min后扒渣浇铸成型，获得复合材料样品取样观察分析。

图4为实施例2制得的Sr对20％Mg₂Si/Al-12Si变质处理后复合材料的金相照片。由图可以看出，未变质处理复合材料中的初生Mg₂Si相由树枝晶状变为不规则多边形状；复合材料中的共晶Si相由片状或者针状变成细小的针状或者纤维状交织在一起，表明Sr对复合材料中的共晶Si相有明显的变质细化作用。

实施例3 P对20％Mg₂Si/Al-12Si复合材料变质处理

(1)采用与实施例1中(1)-(4)熔炼制得20％Mg₂Si/Al-12Si复合材料并在780℃保温。

(2)将一定量的Cu-14P中间合金加入上述熔体中充分搅拌使其快速熔化，其中变质剂P的加入量为复合材料熔体的0.2％。

(3)在720℃时通入Ar气精炼5min，随后在720℃保温5min后扒渣浇铸成型，获得复合材料样品取样观察分析。

图5为实施例3制得的P对20％Mg₂Si/Al-12Si变质处理后复合材料的金相照片。由图可以看出，未变质处理复合材料中的初生Mg₂Si相由树枝晶状变为多边形，且颗粒平均尺寸由未变质时的80μm减小到25μm以下；P对复合材料中的初生Mg₂Si相变质效果明显。

实施例4 Sr-P-Ti对20％Mg₂Si/Al-12Si复合材料复合细化变质处理

(1)采用与实施例1中(1)-(4)熔炼制得20％Mg₂Si/Al-12Si复合材料并在780℃保温。

(2)将一定量的Cu-14P中间合金加入上述熔体中充分搅拌使其快速熔化，降温至730℃后加入一定量的Al-10Sr和Al-10Ti中间合金并充分搅拌使其熔化，其中细化变质剂Sr、P、Ti的加入量分别为复合材料熔体的0.1％、0.1％和0.05％。

(3)在720℃时通入Ar气精炼5min，随后在720℃保温5min后扒渣浇铸成型，获得复合材料样品取样观察分析。

图6为实施例4中制得Sr-P-Ti对20％Mg₂Si/Al-12Si变质处理后复合材料的金相照片。由图可以看出，相对于未变质的复合材料，该复合细化变质处理后的复合材料组织中的初生Mg₂Si相的尺寸明显减小且分布均匀；同时基体组织中的共晶Si相和α-Al相明显细化。经复合细化变质处理后的复合材料表现出良好的组织形貌特征。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种原位生成Mg₂Si增强铝基复合材料的制备及组织优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制备Mg₂Si增强铝基复合材料熔体

根据预先设计的复合材料增强体含量及铝合金基体成分，计算出各元素的质量配比，从而分别称取相关质量的纯铝、结晶硅和纯镁；将纯铝置于坩埚中加热至750-800℃，加入结晶硅并搅拌，待全部熔化后降温至680-720℃，加入纯镁并搅拌待全部熔化后扒渣并精炼，在700-800℃保温；

(2)对Mg₂Si增强铝基复合材料进行组织优化

将细化变质剂加入步骤(1)所制备的Mg₂Si/Al熔体并快速搅拌1-10min，待全部熔化后在700-760℃保温5-30min；

以上细化变质剂包含Sr、P和Ti，其中Sr的添加量为复合材料质量的0.05-0.5％，P的添加量为复合材料质量的0.05-1％，Ti的添加量为复合材料质量的0.05-0.5％；

(3)对步骤(2)所得熔体通Ar气体精炼2-10min，然后在700-760℃静置5-20min后浇铸成型，获得经组织优化后的Mg₂Si/Al复合材料。

2.根据权利要求1所述的原位生成Mg₂Si增强铝基复合材料的制备及组织优化方法，其特征在于：步骤(1)中所述Mg₂Si增强铝基复合材料，是以Mg₂Si为增强体的XMg₂Si/Al-YSi复合材料，其中X代表Mg₂Si在复合材料中的质量分数，取值范围为5-35％，Y代表基体Al-Si合金中Si的质量百分比，取值范围是0-15。

3.根据权利要求1所述的原位生成Mg₂Si增强铝基复合材料的制备及组织优化方法，其特征在于：步骤(2)中所述细化变质剂Sr、P和Ti均以中间合金的形式加入，其中Sr元素以Al-10Sr中间合金形式加入，P元素以Cu-14P或Al-3P中间合金形式加入，Ti元素以Al-10Ti中间合金形式加入。

4.根据权利要求1所述的原位生成Mg₂Si增强铝基复合材料的制备及组织优化方法，其特征在于：步骤(1)中所述纯铝中Al含量高于99.7％，纯镁中Mg含量高于99.7％，结晶硅中Si含量高于98％。

5.根据权利要求1所述的原位生成Mg₂Si增强铝基复合材料的制备及组织优化方法，其特征在于：步骤(1)中精炼过程中精炼剂为C₂Cl₆，加入量为1-2％。

6.根据权利要求1所述的原位生成Mg₂Si增强铝基复合材料的制备及组织优化方法，其特征在于：步骤(3)中所述通入Ar气体精炼的温度为720-750℃。