CN111719060A - 一种Mg-Li基复合材料用增强体表面改性及其预制体制备方法 - Google Patents

一种Mg-Li基复合材料用增强体表面改性及其预制体制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Mg‑Li基复合材料用增强体表面改性及其预制体制备方法，属于复合材料及其制备技术领域。本发明的制备方法首先将超细增强体颗粒与基体合金元素颗粒进行长时复合球磨，使其表面被基体元素充分包覆，从而提高与基体合金间的润湿性；通过施加导引棒，对表面改性后的增强体颗粒进行多道次变径角挤压，实现超细粉体高密实度的压制成型与剪切变形一次进行，有效排除超细颗粒中的气体、改善基体元素对增强体颗粒的包覆效应以及提高颗粒的分散度等。工艺全程采用惰性气体保护，有效降低超细粉体氧化问题，获得高纯净度的增强体颗粒预制体，且制备工艺流程短，利于工业化生产。

Description

一种Mg-Li基复合材料用增强体表面改性及其预制体制备 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Mg-Li基复合材料用增强体表面改性及其预制体制备方法。
背景技术
Mg-Li合金，作为一种最轻的金属结构材料，具有高的比强度、比刚度和优良的塑性，在航空航天、军事工业等领域具有广阔的应用前景。但镁锂合金具有高组元活性、低弹性模量和室温过时效导致强度衰减等本征属性，从而使合金的工程化制备及广泛应用受到限制。金属间化合物YAl2颗粒作为增强体，引入镁锂合金时，与基体合金形成一定厚度的过渡型界面层，这种类型的界面层能有效缓解材料变形过程中的应力集中，抑制材料变形过程中界面处的裂纹萌生，实现对基体合金强有力的“钉扎”作用，从而提升镁锂合金的强韧性。特别是当增强体颗粒尺寸细化至亚微米级或纳米级时，复合材料的力学性能将大幅提升，相比基体合金，抗拉强度可提高250%~350%。然而，在颗粒增强镁锂基复合材料的实际熔炼制备中，由于基体合金元素Mg、Li化学活性高，且熔炼温度相对较高，超细增强体颗粒无法有效加入Mg-Li合金熔体中；另外，随着增强体颗粒尺寸减小，其表面能增加，易自发凝合，在基体合金中表现为强烈的团聚特征，从而恶化材料性能。对此，如何确保超细增强体颗粒有效加入熔融的镁锂基体合金并改善其分布的均匀性是制备超轻高强YAl2颗粒增强镁锂基复合材料的关键。
申请号为201510179706.3的专利文献中提出了一种Mg-Li基复合材料及其制备方法，该文献提出将超细增强体YAl2颗粒与Mg粉复合球磨进行表面改性，然后通过冷压、热压、热挤压等多个工序，将预复合粉体压制成预制块，最后增强体颗粒以预制块的形式加入熔融的镁锂基体合金中，制备Mg-Li基复合材料。此方法虽解决了超细颗粒外部加入的问题，但制备工序相对繁杂，特别是热挤压环节需要9~16道次，耗时较长，不利于规模化生产；复合球磨时间较短（最长为2h），很难实现Mg粉对YAl2颗粒的完全包覆；另外，采用常规的单向直压坯方式压制YAl2/Mg预复合粉体，硬质YAl2颗粒更易团聚，且颗粒间会相互搭桥而形成骨架结构，致使预制体内部残留空气，熔炼时易造成熔体氧化，产生局部爆沸，造成熔体与增强体喷溅等，给熔炼带来安全隐患。
发明内容
本发明旨在克服现有技术不足，设计一种短流程、高效率的制备方法，规模化生产YAl2/Mg预制体，为超轻高强YAl2增强镁锂基复合材料提供一种高颗粒分散度、高纯净度、高密实度的增强体预制体。所述制备方法，具体包括下列步骤。
第一步，将超细增强体颗粒与基体合金元素颗粒按比例混合成混合粉末，然后复合球磨成预复合粉体，复合球磨时间为2~8h，球磨过程中实施惰性气体保护。
第二步，将导引棒放入变径角挤压模具内，然后将第一步制备的所述预复合粉体置于所述导引棒上，进行多道次变径角挤压成型，得到增强体预制体。
可选地，所述惰性气体为0.1MPa氩气。
可选地，所述超细增强体颗粒为金属间化合物YAl2，粒径分布范围为0.01~1μm。
可选地，所述基体合金元素颗粒为纯Mg粉，粒径分布范围为100~200目。
可选地，所述超细增强体颗粒与基体合金元素的质量配比为1:1~2:1。
可选地，所述导引棒材质为镁锂合金。
可选地，所述变径角挤压成型，挤压温度25~300℃，挤压1~3道次；所采用变径角挤压模具内角φ为90~120°，外角ψ为20~60°，变径比为1.1:1~6:1；挤压过程中，所述变径角挤压模具周围实施氩气气氛保护。
优选地，所述变径角挤压成型的挤压温度为100℃，挤压道次为三次；所述变径角挤压模具内角φ为90°，外角ψ为20°，变径比为1.1:1。
本发明还提供一种Mg-Li基复合材料用增强体表面改性的预制体，采用上述方法制备得到，所述预制体致密度达98%，且所述超细增强体颗粒均匀镶嵌于所述基体合金元素粉体中。
本发明通过变径角挤压技术，将粉状增强体颗粒压制成块状增强体预制体，有效排出粉体内部气体，提高预制体密实度和增强体颗粒分散度，突出的优点如下。
（1）长时复合球磨，利于增强体颗粒表面改性。通过延长超细增强体颗粒与基体合金元素复合球磨时间，使两者在磨球的不断冲击作用下，反复破碎→焊合→破碎，不仅可以进一步细化增强体颗粒，还可使增强体颗粒与基体合金元素粉体间发生元素扩散，增强基体合金元素对增强体颗粒的包覆效应，减轻复合材料熔炼过程中增强体颗粒的团聚。
（2）导引棒引导，利于超细粉体变径角挤压成型。由于变径角挤压模具为一贯穿的通道，无法实现粉体压制成型，在压制的粉体前端设置一导引棒，对挤压粉体施加一反向作用力（相对挤压力），实现超细粉体压制成型；且导引棒材质为镁锂合金，塑性好、易于变形，在保证粉体成型的同时能引导压制成型的粉体完成变径角挤压，且挤压中镁锂导引棒与预复合粉体间发生相互渗透，增加粉体的塑性，进而实现多道次挤压。
（3）粉体成型与变形一体，利于增强体颗粒分散。本发明的变径角挤压粉体技术中融合等径角挤压与常规挤压两种技术，实现超细粉体成型与大塑性变形一体，首道次挤压，超细预复合粉体经压实成型→剪切→拉长3次塑变，得到增强体预制体；后续道次挤压，预制体经墩粗→剪切→拉长3次塑变，不断受挤压、剪切等多向力耦合作用，使预制体中的增强体颗粒分布更加均匀。
（4）多种变形手段复合，利于增强体预制体密实度提升。常规压制的增强体预制体因密实度低，内部残留空气，加入熔融的镁锂基体合金时，引起熔体局部爆沸，导致熔体及增强体喷溅，造成元素烧损与产生熔炼安全隐患。本发明设计的变径角挤压粉体技术，通过压制、剪切和拉长等大塑性变形，有效破坏超细粉体压制中颗粒间搭桥所形成的骨架结构，从而减少预制体中的空洞和气体，预制体密实度进一步提高，达98%以上。
（5）短流程操作，利于增强体预制体规模化生产。本发明将复合球磨后的预复合粉体直接进行变径角挤压，相比现有制备技术，省去冷压、热压等预成型环节，实现从粉体直接到预制体短流程制备；另外采用变径角挤压，可实现连续加粉、持续多次道挤压，利于规模化量产。
附图说明
图1是本发明提供的一种Mg-Li基复合材料用增强体表面改性及其预制体制备工艺流程图。
图2是本发明制备过程中的YAl2/Mg复合球磨后颗粒形貌（SEM图）。
图3是本发明制备过程中的变径角挤压示意图。
图4是本发明所制备的YAl2/Mg预制体物相分析（XRD图）。
图5是本发明所制备的YAl2/Mg预制体微观形貌图（SEM图）。
图中：1－YAl2/Mg预复合粉体； 2－导引棒； 3－变径角挤压模具； 4－挤压杆。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述，实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
本发明提供一种Mg-Li基复合材料用增强体表面改性及其预制体制备方法，如图1所示流程，包括如下步骤。
第一步，将超细增强体颗粒与基体合金元素颗粒按比例混合成混合粉末，然后复合球磨成预复合粉体，复合球磨时间为2~8h，球磨过程中实施惰性气体保护。
第二步，将导引棒放入变径角挤压模具内，然后将第一步制备的所述预复合粉体置于所述导引棒上，进行多道次变径角挤压成型，得到增强体预制体。
本发明提供一种Mg-Li基复合材料用增强体表面改性的预制体及其制备方法，相对于现有技术延长了复合球磨时间到最多8小时，有利于增强体表面改性与颗粒分散。采用导引棒进行导引的方式有利于超细粉体变径角挤压成型，经过多道次挤压，每个道次，超细预复合粉体经压实成型→剪切→拉长3次塑变，因此可以得到高密实度的增强体预制体。适当延长球磨时间，减少了后续制备过程中冷压、热压等预成型环节，实现从粉体直接到预制体短流程制备；另外采用变径角挤压，可实现连续加粉、持续多次道挤压，利于规模化量产。
上述制备工艺全程采用惰性气体保护，惰性气体为0.1MPa氩气，防止超细增强体颗粒和基体合金元素的氧化。
本发明中超细增强体颗粒为金属间化合物YAl2，粒径分布范围为0.01~1μm。基体合金元素颗粒为纯Mg粉，粒径分布范围为100~200目。选取超细增强体颗粒与基体合金元素的质量配比为1:1~2:1。进一步地，导引棒材质为镁锂合金，可以是LA143镁锂合金或LA141镁锂合金。
可选地，变径角挤压成型，挤压温度25~300℃，挤压1~3道次；所采用变径角挤压模具内角φ为90~120°，外角ψ为20~60°，变径比为1.1:1~6:1；挤压过程中，所述变径角挤压模具周围实施氩气气氛保护。
上述所制备的YAl2/Mg预制体组分纯净，且增强体YAl2基本上为单颗粒独立分布，表面被Mg粉包覆，特别是变径角挤压后，增强体颗粒分布更加均匀，预制体更加密实。
本发明还提供一种Mg-Li基复合材料用增强体表面改性的预制体，预制体致密度达98%，且所述超细增强体颗粒均匀镶嵌于所述基体合金元素粉体中。
实施例1：制备质量比2:1的YAl2/Mg预制体，如图1所示流程，制备步骤如下。
S1.超细YAl2颗粒、Mg粉按2:1（质量比）配比成混合粉末。其中，0.01~1μm超细YAl2颗粒320g，100~200目Mg粉160g。
S2.将上述超细YAl2颗粒、Mg粉装入行星球磨机的4个球磨罐中，内充0.1MPa氩气，进行复合球磨，时间8h，得到YAl2/Mg预复合粉体1。如图2所示，复合球磨后的增强体YAl2（图中白色部分）基本上为单颗粒独立分布，表面完全被镁粉（图中灰白色物质）包覆，且形状为近球形。
S3.将一导引棒2（材质：LA143镁锂合金）放入变径角挤压模具3中，如图3，然后将上述制备的YAl2/Mg预复合粉体1置于变径角挤压模具3中的导引棒2上，通过挤压杆4对预复合粉体1依次进行三道次变径角热挤压，得到YAl2/Mg预制体。其中，挤压温度100℃，变径角挤压模具3内角φ为90°，外角ψ为20°，变径比d1/d2为1.1:1，变径角挤压模具3周边通入氩气实施惰性气体保护。
对上述制备的YAl2/Mg预制体进行物相分析和性能检测，结果表明：YAl2/Mg预制体成型良好，组分纯净，物相组成为YAl2、Mg（图4）；预制体内未见明显气孔、夹杂等缺陷，致密度较高，达到99.5%，且增强体颗粒均匀镶嵌于Mg粉中，如图5所示，超细增强体颗粒在预制体中未发现团聚现象。
实施例2：制备质量比1.5:1的YAl2/Mg预制体，制备步骤如下。
S1.超细YAl2颗粒、Mg粉按1.5:1（质量比）配比成混合粉末。其中，0.01~1μm超细YAl2颗粒288g，100~200目Mg粉192g。
S2.将上述YAl2颗粒、Mg粉装入行星球磨机的4个球磨罐中，内充0.1MPa氩气，进行复合球磨，时间4h，得到YAl2/Mg预复合粉体1。
S3.将一导引棒2（材质：LA143镁锂合金）放入变径角挤压模具3中，然后将上述制备的YAl2/Mg预复合粉体1置于变径角挤压模具3中的导引棒2上，通过挤压杆4对预复合粉体1依次进行三道次变径角热挤压，得到YAl2/Mg预制体。其中，挤压温度100℃，变径角挤压模具3内角φ为90°，外角ψ为60°，变径比d1/d2为3:1，变径角挤压模具3周边通入氩气实施惰性气体保护。
对上述制备的YAl2/Mg预制体进行物相分析和性能检测，结果表明：YAl2/Mg预制体成型良好，组分纯净，物相组成为YAl2、Mg；预制体内未见明显气孔、夹杂等缺陷，致密度较高，达到98.5%，且增强体颗粒均匀镶嵌于Mg粉中。
实施例3：制备质量比1:1的YAl2/Mg预制体，制备步骤如下。
S1.超细YAl2颗粒、Mg粉按1:1（质量比）配比成混合粉末。其中，0.01~1μm超细YAl2颗粒240g，100~200目Mg粉240g。
S2.将上述YAl2颗粒、Mg粉装入行星球磨机的4个球磨罐中，内充0.1MPa氩气，进行复合球磨，时间2h，得到YAl2/Mg预复合粉体1。
S3.将一导引棒2（材质：LA141镁锂合金）放入变径角挤压模具3中，然后将上述制备的YAl2/Mg预复合粉体1置于变径角挤压模具3中的导引棒2上，通过挤压杆4进行一道次变径角热挤压，得到YAl2/Mg预制体。其中，挤压温度300℃，变径角挤压模具3内角φ为120°，外角ψ为20°，变径比d1/d2为6:1，变径角挤压模具3周边通入氩气实施惰性气体保护。
对上述制备的YAl2/Mg预制体进行物相分析和性能检测，结果表明：YAl2/Mg预制体成型良好，组分纯净，物相组成为YAl2、Mg；预制体内未见明显气孔、夹杂等缺陷，致密度较高，达到99%，且增强体颗粒均匀镶嵌于Mg粉中。
实施例4：制备质量比1:1的YAl2/Mg预制体，制备步骤如下。
S1.超细YAl2颗粒、Mg粉按1:1（质量比）配比成混合粉末。其中，0.01~1μm超细YAl2颗粒240g，100~200目Mg粉240g。
S2.将上述YAl2颗粒、Mg粉装入行星球磨机的4个球磨罐中，内充0.1MPa氩气，进行复合球磨，时间2h，得到YAl2/Mg预复合粉体1。
S3.将一导引棒2（材质：LA141镁锂合金）放入变径角挤压模具3中，然后将上述制备的YAl2/Mg预复合粉体1置于变径角挤压模具3中的导引棒2上，通过挤压杆4依次进行二道次变径角挤压，得到YAl2/Mg预制体。其中，挤压温度25℃，变径角挤压模具内角φ为90°，外角ψ为20°，变径比d1/d2为1.1:1，变径角挤压模具3周边通入氩气实施惰性气体保护。
对上述制备的YAl2/Mg预制体进行物相分析和性能检测，结果表明：YAl2/Mg预制体成型良好，组分纯净，物相组成为YAl2、Mg；预制体内未见明显气孔、夹杂等缺陷，致密度较高，达到98%，且增强体颗粒均匀镶嵌于Mg粉中。
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 (9)

1.一种Mg-Li基复合材料用增强体表面改性及其预制体制备方法，其特征在于：
第一步，将超细增强体颗粒与基体合金元素颗粒按比例混合成混合粉末，然后复合球磨成预复合粉体，复合球磨时间为2~8h，球磨过程中实施惰性气体保护；
第二步，将导引棒放入变径角挤压模具内，然后将第一步制备的所述预复合粉体置于所述导引棒上，进行多道次变径角挤压成型，得到增强体预制体。
2.根据权利要求1所述的Mg-Li基复合材料用增强体表面改性及其预制体制备方法，其特征在于：所述惰性气体为0.1MPa氩气。
3.根据权利要求1所述的Mg-Li基复合材料用增强体表面改性及其预制体制备方法，其特征在于：所述超细增强体颗粒为金属间化合物YAl2，粒径分布范围为0.01~1μm。
4.根据权利要求1所述的Mg-Li基复合材料用增强体表面改性及其预制体制备方法，其特征在于：所述基体合金元素颗粒为纯Mg粉，粒径分布范围为100~200目。
5.根据权利要求1所述的Mg-Li基复合材料用增强体表面改性及其预制体制备方法，其特征在于：所述超细增强体颗粒与基体合金元素的质量配比为1:1~2:1。
6.根据权利要求1所述的Mg-Li基复合材料用增强体表面改性及其预制体制备方法，其特征在于：所述导引棒材质为镁锂合金。
7.根据权利要求1所述的Mg-Li基复合材料用增强体表面改性及其预制体制备方法，其特征在于：所述变径角挤压成型，挤压温度25~300℃，挤压1~3道次；所采用变径角挤压模具内角φ为90~120°，外角ψ为20~60°，变径比为1.1:1~6:1；挤压过程中，所述变径角挤压模具周围实施氩气气氛保护。
8.根据权利要求7所述的Mg-Li基复合材料用增强体表面改性及其预制体制备方法，其特征在于：所述变径角挤压成型的挤压温度为100℃，挤压道次为三次；所述变径角挤压模具内角φ为90°，外角ψ为20°，变径比为1.1:1。
9.一种Mg-Li基复合材料用增强体表面改性的预制体，其特征在于：采用权利要求1-8中任意一种方法制备得到，所述预制体致密度达98%，且所述超细增强体颗粒均匀镶嵌于所述基体合金元素粉体中。
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