CN1207414C - 一种含稀土元素金属间化合物颗粒增强金属基复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含稀土元素金属间化合物颗粒增强金属基复合材料，包括增强体和基体合金，其增强体占总体积的5～45%，余量为基体合金，增强体为含稀土元素的YAl系、CeAl系、LaAl系金属间化合物颗粒，基体合金为Mg及Mg合金。本发明利用了金属间化合物合金所具有的高比强度、比刚度和较陶瓷材料优异的可塑性以及限制了金属间化合物块材应用的室温脆性等特性，制备含稀土元素金属间化合物颗粒增强金属基复合材料。金属间化合物既具有增强作用又具备一定的微应变协调作用，在提高基体合金强度的同时，保持了金属基复合材料较好的塑性，明显改善金属基复合材料的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种含稀土元素金属间化合物颗粒增强金属基复合材料。该复合材料具有较高的弹性模量和刚度，良好的塑性，易于成型和机械再加工。
背景技术
Mg-Li基合金因具有低的密度(1.35～1.65g/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。在二元Mg-Li合金中，随着Li量的增加，合金组织发生着α(hcp)→α+β→β(bcc)转变(如图1所示)，合金的塑性变形能力得到显著提高，其延伸率可达到40％以上，但由于合金强度偏低，抗蠕变性能较差，限制了Mg-Li基合金应用范围。
Mg-Li基复合强化则为了进一步提高Mg-Li合金的力学性能提供了有效途径。与Mg-Li基体合金相比，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，而且集低密度、高比刚度、高比强度、良好的耐磨性、耐高温性能、减震性能以及良好的阻尼性能和电磁屏蔽性能于一身，成为材料研究的热点之一。如同其它复合材料，Mg基复合材料的增强方式也主要有纤维增强、颗粒增强和晶须增强三种方式，增强成分主要有SiC、B4C、Al2O3、TiC、石墨、玻璃纤维、铝的硼酸盐或硅酸盐纤维等。这些增强体既可以采用以颗粒、纤维、或晶须形式单独加入，也可以采用混合形式(例如SiC颗粒/Al2O3晶须混合)加入强化，并不同程度地提高了合金的力学性能。但陶瓷材料复合强化也带来了材料的塑性和韧性严重损伤的问题。从研究结果来看，Mg-Li基体合金与陶瓷增强材料具有良好的润湿性和化学相容性能可形成较为理想的复合相界面，所以，材料的塑性及韧性的大幅度下降与陶瓷增强相的脆性密切相关。因此，选取既具有增强作用又具备一定的微应变协调作用的材料作为Mg基复合材料增强材料，对改善材料的综合性能有着重要的意义。
金属间化合物因具有金属的特性，如表现出金属光泽、金属导电性及导热性等，因而选择金属间化合物颗粒作为金属基复合材料的增强相，更容易获取与金属基体具有良好的润湿性、化学相容性等适配的界面。而金属间化合物所具有的较高比强度和比刚度，以及介于合金和陶瓷之间的高使用温度，使其成为合金有效的增强相。金属间化合物相对于陶瓷具有良好的可塑性，因而其在提高基体合金强度的同时，对合金基体的塑性损伤小于采用陶瓷增强相造成的损伤。以上所述为形成金属间化合物颗粒增强金属基复合材料具有良好的综合性能提供了基础。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的含稀土元素金属间化合物颗粒增强金属基复合材料。该复合材料具有较高的弹性模量和刚度，良好的塑性，易于成型和机械再加工，综合了作为增强颗粒的金属间化合物的高强度、高硬度、较陶瓷优异的塑性以及金属基体所具有的良好的机加工性能、刚度和成型性能，是一种轻型的金属间化合物颗粒增强金属基复合材料。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种含稀土元素金属间化合物颗粒增强金属基复合材料，它由增强体、基体合金组成。其增强体占总体积的5～45％，余量为基体合金，所述增强体为含稀土元素的金属间化合物颗粒，所述基体合金为Mg合金。其增强体可以为YAl系金属间化合物颗粒，其Al含量13.17～47.66wt％，较优为YAl2金属间化合物颗粒；其增强体可以为CeAl系金属间化合物颗粒，其Al含量14.35～43.51wt％，较优为CeAl2金属间化合物颗粒；其增强体可以为LaAl系金属间化合物颗粒，其Al含量6.08～43.72wt％，较优为LaAl2金属间化合物颗粒。
所述的基体合金可以为Mg-Li合金，其Li含量0～20wt％。
本发明运用了金属间化合物合金所具有的高比强度、比刚度和较陶瓷材料优异的可塑性以及限制了金属间化合物块材应用的室温脆性等特性，制备含稀土元素金属间化合物颗粒增强金属基复合材料。
图1是二元Mg-Li相图。
具体实施方式
本发明的一种含稀土元素金属间化合物颗粒增强金属基复合材料，可通过铸造法、压力浸渗法、粉末(或薄膜)冶金法制备其复合材料。在下面的实施例中，发明人仅列举以熔铸方法进行制备说明。
熔铸法是指在一定温度下熔化基体合金，然后加入颗粒增强体后并降温至半凝固状态，在该状态下搅拌合金熔体一定时间，使增强体颗粒分布均匀，然后升高温度至浇铸温度，迅速浇铸成型。熔炼过程采用氩气保护。
本发明是一种含稀土元素金属间化合物颗粒增强金属基复合材料，其由增强体和基体合金组成，其增强体占总体积的5～45％，余量为基体合金，所述增强体为含稀土元素的金属间化合物颗粒，所述基体合金为Mg合金。
以制备重量1Kg的复合材料为例。
实施例1：
YAl系金属间化合物颗粒增强Mg-11wt％Li基复合材料
YAl系金属间化合物颗粒制备工艺：
按照Al含量13.17～47.66wt％，剩余为Y配比YAl合金原料，在900～1530℃温度下熔铸YAl金属间化合物块体材料，机械粉碎后通过普通球磨制备所需的金属间化合物颗粒。
在Mg-11wt％Li合金熔液中加入20％(体积含量)的YAl系颗粒，颗粒平均粒径为5～50μm左右。熔铸工艺条件如下：595℃加入颗粒增强体后降温至580℃，在半凝固状态下搅拌合金熔体约10min，使颗粒分布均匀，然后升高温度至630℃迅速浇铸，熔炼过程采用氩气保护。复合材料力学性能测试结果表明，合金在塑性损伤不大的情况下，延伸率由基体合金的30％最低降至20～25％，而剪切强度由95MPa提高至130～165MPa，强度值提高30％以上。
YAl2金属间化合物颗粒增强Mg-11wt％Li基复合材料
按照Al含量37.76wt％，剩余为Y配比YAl合金原料，在1530℃温度下熔铸YAl2金属间化合物块体材料，机械粉碎后通过普通球磨制备所需的金属间化合物颗粒。
在Mg-11wt％Li合金熔液中加入20％(体积含量)的YAl2颗粒，颗粒平均粒径为10μm左右。熔铸工艺条件如下：595℃加入颗粒增强体后降温至580℃，在半凝固状态下搅拌合金熔体约10min，使颗粒分布均匀，然后升高温度至630℃迅速浇铸，熔炼过程采用氩气保护。复合材料力学性能测试结果表明，合金在塑性损伤不大的情况下，延伸率由基体合金的30％降至22％，而剪切强度由95MPa提高至165MPa，强度值提高30％以上。
采用YAl系金属间化合物具有较高的比强度和比刚度，可以作为增强材料有效增强Mg-Li基合金；与陶瓷相比，从键合作用的角度来看YAl系金属间化合物以金属间为主，而陶瓷以共价键为主，因此YAl系金属间化合物颗粒与金属基体将可能具有更好的润湿性。同时，金属间化合物Y、Al元素的扩散将有利于改善颗粒增强体与金属基体的结合性；Al元素的扩散将进一步提高合金的强度，Y稀土元素的扩散将有助于细化和变质组织，提高合金的力学性能和合金抗氧化和蠕变性能；更重要的是，金属间化合物较陶瓷材料有高得多的可塑性，将金属间化合物颗粒用于增强金属基复合材料，有利于改善变形条件下增强颗粒与基体界面形变的协调性，以提高材料裂纹起裂及扩展的阻滞作用，从而在材料强韧性综合性能提高上有较明显的优势。金属间化合物块材的室温脆性一直是影响合金实用化的问题，然而该性质却为颗粒增强复合材料的制粉提供了有利条件，通过普通的球磨，即可得到均匀的粉末，为获取增强材料提供了便利。该发明拓展了金属间化合物的应用领域，并为复合材料的制备提供一条新的途径。
稀土元素是典型的金属元素。它们的金属活泼性仅次于碱金属和碱土金属元素，而比其他金属元素活泼。在17个稀土元素当中，按金属的活泼次序排列，由Sc(钪)，Y(钇)、La(镧)递增，由La(镧)到Lu(镥)递减，即La(镧)元素最活泼。稀土元素能形成化学稳定的氧化物、卤化物、硫化物。稀土元素可以和氮、氢、碳、磷发生反应，易溶于盐酸、硫酸和硝酸中。
La(镧)、Ce(铈)、Y(钇)三种稀土元素金属的部分物理特性如下表：
| 元素 | 原子序数 | 原子量 | 离子半径(埃) | 密度(g/cm3) | 熔点(℃) | 沸点(℃) | 氧化物熔点(℃) | 比电阻(欧姆·厘米×106) | R3+离子磁矩(波尔磁子) | 执中子俘获截面(靶) |
| La | 57 | 138.92 | 1.22 | 6.19 | 920±5 | 4230 | 2315 | 56.8 | 0.00 | 8.9 |
| Ce | 58 | 140.13 | 1.18 | 6.768 | 804±5 | 2930 | 1950 | 75.3 | 2.56 | 0.7 |
| Y | 39 | 88.92 | 1.06 | 4.472 | 1550～1600 | 3030 | 2680 | - | - | 1.27 |
实施例2：
CeAl系金属间化合物颗粒增强Mg-13wt％Li基复合材料
CeAl系金属间化合物颗粒制备工艺：
按照Al含量14.35～43.51wt％，剩余为Ce配比CeAl合金原料，在900～1500℃温度下熔铸CeAl金属间化合物块体材料，机械粉碎后通过普通球磨制备所需的金属间化合物颗粒。
在Mg-13wt％Li合金熔液中加入30％(体积含量)的CeAl系金属间化合物颗粒，颗粒平均粒径为5～50μm左右。熔铸工艺条件如下：590℃加入颗粒增强体后降温至570℃，在半凝固状态下搅拌合金熔体约10min，使颗粒分布均匀，然后升高温度至620℃迅速浇铸，熔炼过程采用氩气保护。复合材料力学性能测试结果表明，合金在塑性损伤不大的情况下，延伸率由基体合金的35％最低降至20～30％，而剪切强度由82Mpa提高至100～140Mpa，强度值提高20％以上。
CeAl2金属间化合物颗粒增强Mg-13wt％Li基复合材料
按照Al含量27.78wt％，剩余为Ce配比CeAl合金原料，在1500℃温度下熔铸CeAl2金属间化合物块体材料，机械粉碎后通过普通球磨制备所需的金属间化合物颗粒。
在Mg-13wt％Li合金熔液中加入30％(体积含量)的CeAl2颗粒，颗粒平均粒径为20μm左右。熔铸工艺条件如下：590℃加入颗粒增强体后降温至570℃，在半凝固状态下搅拌合金熔体约10min，使颗粒分布均匀，然后升高温度至620℃迅速浇铸，熔炼过程采用氩气保护。复合材料力学性能测试结果表明，合金在塑性损伤不大的情况下，延伸率由基体合金的35％降至24％，而剪切强度由82Mpa提高至122Mpa，强度值提高40％以上。
实施例3：
LaAl系金属间化合物颗粒增强Mg-8wt％Li基复合材料
按照Al含量6.08～43.72wt％，剩余为La配比LaAl合金原料，在800～1450℃温度下熔铸LaAl金属间化合物块体材料，机械粉碎后通过普通球磨制备所需的金属间化合物颗粒。
在Mg-8wt％Li合金熔液中加入15％(体积含量)的LaAl系金属间化合物颗粒，颗粒平均粒径为5～50μm左右。熔铸工艺条件如下：600℃加入颗粒增强体后降温至580℃，在半凝固状态下搅拌合金熔体约10min，使颗粒分布均匀，然后升高温度至630℃迅速浇铸，熔炼过程采用氩气保护。复合材料力学性能测试结果表明，合金在塑性损伤不大的情况下，延伸率由基体合金的15％降至8～14％，而剪切强度由100Mpa提高至120～160Mpa，强度值提高20％以上。
LaAl2金属间化合物颗粒增强Mg-8wt％Li基复合材料
按照Al含量27.98wt％，剩余为La配比LaAl合金原料，在1450℃温度下熔铸LaAl2金属间化合物块体材料，机械粉碎后通过普通球磨制备所需的金属间化合物颗粒。
在Mg-8wt％Li合金熔液中加入15％(体积含量)的LaAl2颗粒，颗粒平均粒径为15μm左右。熔铸工艺条件如下：600℃加入颗粒增强体后降温至580℃，在半凝固状态下搅拌合金熔体约10min，使颗粒分布均匀，然后升高温度至630℃迅速浇铸，熔炼过程采用氩气保护。复合材料力学性能测试结果表明，合金在塑性损伤不大的情况下，延伸率由基体合金的15％降至11％，而剪切强度由100Mpa提高至140Mpa，强度值提高40％以上。
该复合材料性能优异，可以在航空航天、交通运输等领域得到广泛应用。如可用于制备天线结构，制造计算机、电器仪表等的框架和外壳，制造轿车的防护板、前座支架、轮毂等。镁锂基复合材料的推广应用可以减轻飞行器、汽车等的重量，从而达到节能环保的效果，并可以在一定程度上提高使用安全性。
Claims (8)
1、一种含稀土元素金属间化合物颗粒增强金属基复合材料，由增强体和基体合金组成，所述基体合金是Mg合金，其特征在于：所述增强体为含稀土元素的金属间化合物颗粒，其占总体积的5～45％，余量为基体合金。
2、根据权利要求1所述的含稀土元素金属间化合物颗粒增强金属基复合材料，其特征在于：所述的增强体可以为YAl系金属间化合物颗粒，其Al含量13.17～47.66wt％。
3、根据权利要求1所述的含稀土元素金属间化合物颗粒增强金属基复合材料，其特征在于：所述的增强体可以为CeAl系金属间化合物颗粒，其Al含量14.35～43.51wt％。
4、根据权利要求1所述的含稀土元素金属间化合物颗粒增强金属基复合材料，其特征在于：所述的增强体可以为LaAl系金属间化合物颗粒，其Al含量6.08～43.72wt％。
5、根据权利要求2所述的含稀土元素金属间化合物颗粒增强金属基复合材料，其特征在于：所述的增强体可以为YAl2金属间化合物颗粒。
6、根据权利要求3所述的含稀土元素金属间化合物颗粒增强金属基复合材料，其特征在于：所述的增强体可以为CeAl2金属间化合物颗粒。
7、根据权利要求4所述的含稀土元素金属间化合物颗粒增强金属基复合材料，其特征在于：所述的增强体可以为LaAl2金属间化合物颗粒。
8、根据权利要求1所述的含稀土元素金属间化合物颗粒增强金属基复合材料，其特征在于：所述的基体合金可以为Mg-Li合金，其Li含量0～20wt％。
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