CN112453398A - 一种增强镁基复合材料界面结合的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种增强镁基复合材料界面结合的方法，属于复合材料结构设计领域。本发明所述方法将增强体选择具有高表面能的金属非晶(BMG)，采用“湿混→干燥→球磨→放电等离子烧结”的粉末冶金方法，得到界面良好的镁基复合材料。本发明所述结构设计方法将增强体设计为高表面能的非晶相，利用金属元素之间的相互作用，增强界面结合性能，从而避免了传统增强相界面结合性能差的缺点。镁合金表面始终存在一层抑制粘结的钝化氧化层，但是在烧结期间通过动态压制引入粉末颗粒表面的氧化膜，从而形成金属‑非金属‑金属的结合粘接。
Description
技术领域
本发明涉及一种增强镁基复合材料界面结合的方法，属于复合材料结构设计领域。
背景技术
镁基复合材料具有高比强度以及优良的耐磨、减震等优异性能，在航空航天、汽车等领域获得越来越多的关注。但是其弹性模量低而无法广泛应用。而影响镁基复合材料弹性模量最主要因素就是界面结合。传统意义上镁基非晶复合材料的增强体主要有SiC、B4C、Al2O3等，但是由于界面结合不好，导致其弹性模量不够高，挠度不够，而无法广泛应用。
发明内容
为解决镁基复合材料结构界面结合不理想的问题，本发明的目的在于提供一种增强镁基复合材料界面结合的方法，选择球形铁基非晶颗粒作为镁基复合材料的增强相，球形铁基非晶颗粒具有高的表面能，且在烧结过程中球形铁基非晶颗粒增强体与镁基体之间为金属元素相互作用，形成金属-非金属-金属的结合方式，从而增强镁基复合材料界面结合。
本发明所述增强镁基复合材料界面结合的方法，具体包括以下步骤：
（1）将纯镁粉和球形铁基非晶粉按比例混合均匀，混料后在真空条件下干燥，然后压结成（Φ10×20 mm）圆柱形试样；
（2）采用放电等离子烧结工艺对试样进行烧结，最终实现增强镁基复合材料界面结合。
优选的，本发明所述球形铁基非晶粉与镁粉的尺寸为20~50μm，保证镁粉末与非晶颗粒尺寸相近，有利于复合材料变形。
优选的，在混合粉体中球形铁基非晶粉的质量百分比为10%~40%。
优选的，本发明步骤（1）中混料后干燥条件为：80℃，干燥1~12 h。
优选的，本发明步骤（2）中放电等离子烧结的条件为：烧结温度500 ~ 630℃，烧结压力30~40 MPa，保温时间15~20min。
本发明所述球形铁基非晶颗粒增强体的软化温度（过冷液相区）在500 ~ 630℃，且在该温度范围不发生晶化，符合镁基复合材料的烧结温度，有利于镁基复合材料烧结致密。
本发明的原理：球形铁基非晶包含多种高熔点金属，本发明采用镁粉与球形铁基非晶颗粒增强体相结合的方式，利用球形铁基非晶颗粒较高的表面能与金属元素之间的相互作用，保证增强体与基体之间形成良好的界面结合；另外，本发明采用铁基非晶颗粒增强体，利用球形颗粒强化效果好和受力均匀的优势，并保证增强体与基体粉末尺寸相近，进一步增强了复合材料在变形过程中的稳定性，且在非晶增强体软化温度范围进行烧结，制备出致密的球形非晶颗粒增强镁基复合材料；不规则形状的增强体容易应力集中，所以塑性差；而球形铁基非晶颗粒增强体没有应力集中，界面相容性较好，在塑性好的基础上，增强镁基复合材料的弹性模。
本发明的有益效果是：
（1）相比较而言采用普通复合材料强化结构的方式，本发明所述方法不仅因为界面结合性能好而能够有效发挥增强体的作用，也能提高复合材料的弹性模量；一方面使变形应力均匀分布在增强体表面，在提升复合材料强度的同时，提高复合材料协调变形能力，即提升复合材料的韧性；另一方面，球形铁基非晶颗粒具有高的表面能，而且球形铁基非晶颗粒处于亚稳态，烧结过程中促进放热，促进界面结合。
（2）本发明所述方法选择球形铁基非晶颗粒作为增强相，球形铁基非晶颗粒颗粒具有高的表面能，且在烧结过程中增强体与基体之间为金属元素相互作用，具有良好的界面结合性能，该材料具有高弹性模量、塑性良好、致密度高等特点。
附图说明
图1实施例1~3得到的镁基复合材料的拉伸性能。
图2实施例1~3得到的镁基复合材料的断口显微形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
一种增强镁基复合材料界面结合的方法，具体为：
（1）采用原料为纯镁粉(纯度99.8 wt.%)，尺寸20~50 μm，球形铁基非晶粉(纯度99.81 wt.%)，尺寸20~50 μm，按不同比例球形铁基非晶粉与镁粉混合，采用酒精为湿磨介质，球磨转速100 r/min，球料比为5:1；混料后在真空干燥箱中干燥8h，干燥温度80℃。
（2）然后在真空热压烧结炉中烧结成型：将粉末用称量纸放入模具中，开始通电并逐步施压进行烧结，从0℃开始升温到250℃，并施加约15MPa预压力把粉末压实，再将模具装入SPS烧结腔体中；在15MPa的压力下，升温到550℃；随着压力的施加，压力达到35MPa的时候，温度达到580摄氏度，保温15分钟，然后对模具进行降温，整个过程用时45min。
实施例1~4分别加入了不同含量的球形铁基非晶粉。
实施例1
球形铁基非晶粉的加入量为：在混合粉体中球形铁基非晶粉的质量百分比为10%。
实施例2
球形铁基非晶粉的加入量为：在混合粉体中球形铁基非晶粉的质量百分比为20%。
实施例3
球形铁基非晶粉的加入量为：在混合粉体中球形铁基非晶粉的质量百分比为30%。
实施例4
球形铁基非晶粉的加入量为：在混合粉体中球形铁基非晶粉的质量百分比为40%。
对比实施例1：不添加球形铁基非晶粉。
不同实施例中，镁基复合材料的力学性能如表1所示.
表1不同实施例所述镁基复合材料的强度和塑性
由表1可以看出：随非晶粉比例增加，弹性模量大大增加，在添加40%的球形非晶粉后，屈服强度达到65.4 Mpa。
图2实施例1~4得到的镁基复合材料的断口显微形貌图如图2所示，图（b~e）的基体和增强体之间存在MgO膜，从而在界面处形成金属-非金属-金属的结合方式。
上面对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (6)
1.一种增强镁基复合材料界面结合的方法，其特征在于：选择球形铁基非晶颗粒作为镁基复合材料的增强相，球形铁基非晶颗粒具有高的表面能，且在烧结过程中球形铁基非晶颗粒增强体与镁基体之间为金属元素相互作用，形成金属-非金属-金属的结合方式，从而增强镁基复合材料界面结合。
2.根据权利要求1所述增强镁基复合材料界面结合的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）将纯镁粉和球形铁基非晶粉按比例混合均匀，混料后在真空条件下干燥然后压结成圆柱形试样；
（2）采用放电等离子烧结工艺对试样进行烧结，最终实现增强镁基复合材料界面结合。
3.根据权利要求1或2所述增强镁基复合材料界面结合的方法，其特征在于：球形铁基非晶粉与镁粉的尺寸为20~50 μm，保证镁粉末与非晶颗粒尺寸相近，有利于复合材料变形。
4.根据权利要求1或2所述增强镁基复合材料界面结合的方法，其特征在于：在混合粉体中球形铁基非晶粉的质量百分比为10%~40%。
5.根据权利要求2所述增强镁基复合材料界面结合的方法，其特征在于：步骤（1）中混料后干燥条件为：80℃，干燥1~12 h。
6.根据权利要求2所述增强镁基复合材料界面结合的方法，其特征在于：步骤（2）中放电等离子烧结的条件为：烧结温度500 ~ 630℃，烧结压力30~40 MPa，保温时间15~20min。
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