一種制備Mg₂Si顆粒增強鎂基塊體非晶合金復合材料的方法

專利名稱：一種制備Mg₂Si顆粒增強鎂基塊體非晶合金復合材料的方法
技術領域：
本發明涉塊體非晶合金復合材料及其制備方法，具體而言為涉及一種制備Mg2Si 顆粒增強鎂基塊體非晶合金復合材料的方法。
背景技術：
與晶態合金相比，塊體非晶合金具有強度高、硬度高等優點，但由于沒有類似晶態 合金的晶界、相界和位錯等結構，致使其在室溫條件下的失效表現為脆性斷裂，通常會發生 剪切帶的失穩擴展導致災難性斷裂，在很大程度上制約了塊體非晶合金作為結構材料的應 用和發展；因此，有很多研究致力于改善塊體非晶合金的力學性能，主要途徑是在非晶合金 基體中引入第二相，如金屬絲、顆粒、枝晶等，形成塊體非晶合金復合材料，抑制剪切帶局域 化擴展，并通過第二相與基體間的相互作用，阻止剪切帶的快速擴展，誘發多重剪切帶的形 成，從而提高變形能力；塊體非晶合金復合材料的制備按工藝分可分為外加法和原位法， 外加法多將第二相直接引入非晶基體中，原位法是指設計合金成分，選擇合適冷卻速度，使 第二相在凝固過程中從熔體中析出；一般來說，由于復合材料中基體合金和第二相的內在 性能是一定的，所以復合材料性能設計在很大程度上是通過設計第二相和基體之間的界面 實現的，因此優化第二相和基體之間的界面結合是非常重要的，常用的方法有1)對顆粒 或纖維表面進行改性處理；2)在合金基體中加入微量元素；3)選擇合適工藝參數，如滲 流時間、滲流溫度和冷卻速度等，目的都是為了提高增強相和基體的潤濕性能，控制界面反 應，增強界面結合強度等。由于Mg基非晶合金具有脆性特征，改善其韌性能使這種密度低且廉價的非晶材 料獲得實質性應用，因此開發Mg基非晶復合材料的研究更具有重要意義；Mg基非晶合金復 合材料最初也是通過加入第二相或通過加入不與互溶的過渡族金屬來實現，但是采用這種 方式對韌性的改善有限；目前重要的進展是發現了長程有序Mg相增強Mg基非晶合金復合 材料，最大塑性應變量可以達到18%，成為Mg基非晶合金復合材料的研究熱點。原位顆粒增強鎂基復合材料的制備方法概括為固-液反應法、固-固反應法、 液_液反應法、氣_液反應法、氣_固反應法以及利用傳統鑄造和凝固過程中析出的初生 相和/或共晶相作為增強體的鑄造冶金法；鎂的反應體系主要包括Mg-Mg2Si、Mg-MgO、 Mg-TiC、Mg-TiB2等，Mg2Si的密度僅為1. 99kg/m3，彈性模量高(120 GPa)，熱膨脹系數低 (CTE =7. 5 X 10_ 6K_》，是金屬基復合材料理想的增強相，Mg2Si相組織在AZ91合金中有兩 種形態一種為多邊形狀或樹枝晶狀，一種為漢字狀，多邊形狀或樹枝晶狀Mg2Si相是合 金在凝固過程中作為初生相形成的，漢字狀Mg2Si相是合金在凝固過程中發生共晶反應時 產生的，原位生成的Mg2Si為樹枝狀或漢字狀，很粗大，不能很好地起到增強基體的作用，所 以要對其進行細化，很多研究人員在復合材料中加入稀土、堿土來細化Mg2Si顆粒，取得了 較好的效果，然而，到目前為止，還沒有關于采用Mg2Si原位顆粒增強的鎂基非晶合金復合 材料的研究報道。
實現Mg2Si原位顆粒增強的鎂基非晶合金復合材料的難度在于，既要保證Mg2Si 原位顆粒的析出，又要保證鎂基非晶合金的非晶形成能力，而這兩者往往是相互矛盾的；因 此，本發明提出對Mg-Si中間合金進行預處理，從而在鎂基非晶合金基體上原位生成Mg2Si 相，獲得Mg2Si顆粒增強的鎂基非晶合金復合材料。

發明內容
本發明提出一種制備Mg2Si顆粒增強鎂基塊體非晶合金復合材料的方法，其原理 是首先對Mg-Si中間合金進行超聲預處理，一方面促進Si在Mg中的分散，另一方面進一 步清除鎂熔體中的夾雜物，從而保證其加入到鎂基塊體非晶合金中以后形成的合金具有足 夠的非晶形成能力；然后將Mg-Si中間合金與鎂基塊體非晶合金的組成組元混合均勻，并 通過銅模冷卻方式制備出原位Mg2Si顆粒增強鎂基塊體非晶合金復合材料，實現析出Mg2Si 原位顆粒的同時保證鎂基非晶合金基體具有足夠的非晶形成能力。具體而言為在保護氣體的保護下，對熔融狀態的Mg-Si中間合金進行超聲預處 理，然后將鎂基塊體非晶合金的組成組元按照設定的比例加入熔化爐熔化，并將經過超聲 預處理的Mg-Si中間合金按Si占復合材料總質量廣3wt%的比例添加到上述熔體中形成復 合材料熔體，通過機械攪拌或者超聲振動方法將Si及其他組元均勻分散在復合材料熔體 中，然后通過銅模冷卻方式澆注，制備出原位Mg2Si顆粒增強鎂基塊體非晶合金復合材料。所述的超聲預處理，是指在Mg-Si中間合金熔煉過程中，引入功率超聲，超聲 的功率為50(T2000W，頻率為2(T40kHz，在對Mg-Si中間合金熔體施加超聲作用時，以 200^1000mm/s的速度對熔體進行攪拌，以保證熔體均勻地受到超聲作用，超聲作用時間為 3 5min。所述的保護氣體，是指氬氣或者SF6與C02的混合氣。所述的Mg-Si中間合金，其Si的質量分數為5 10%。所述的銅模冷卻方式澆注，是指在處理后的非晶合金熔體溫度調整到澆注溫度后 將復合材料熔體澆注到預先準備好的銅模中。本發明所提出的Mg2Si顆粒增強鎂基塊體非晶合金復合材料的制備方法具有工藝 簡單、制備容易的特點，適合制備各種Mg2Si顆粒增強鎂基塊體非晶合金復合材料。


圖1 Mg2Si顆粒增強鎂基塊體非晶合金復合材料的宏觀斷口照片； 圖2 Mg2Si顆粒增強鎂基塊體非晶合金復合材料的金相組織。
具體實施例方式在本發明中所使用的術語，除非有另外說明，一般具有本領域普通技術人員通常 理解的含義，下面結合具體實施例，進一步詳細地描述本發明，應理解，這些實施例只是為 了舉例說明本發明，而非以任何方式限制本發明的范圍，在以下的實施例中，未詳細描述的 各種過程和方法是本領域中公知的常規方法。實施例1
在氬氣保護下，將Mg-5wt%Si中間合金熔化，并引入功率超聲，超聲功率為500W，頻率為20kHz，在對熔體施加超聲作用時以200mm/s的速度對熔體進行攪拌，以保證熔體均勻地 受到超聲作用，超聲作用時間為5min ；鎂基塊體非晶合金的組成組元按照Mg65Cu25Y1(l配比、 Si按占復合材料熔體總量lwt%進行原料配比，將純鎂、Cu-Y中間合金加入熔化爐熔化，將 溫度調整到750°C，然后將經超聲預處理的Mg-5wt%Si中間合金添加到上述熔體中，通過機 械攪拌(攪拌頭預先刷涂料，烘干，攪拌速度1000mm/S，攪拌5min)將Si及其他組元均勻分 散在鎂基塊體非晶合金熔體中，在720°C時通過銅模冷卻方式澆注，制備出原位Mg2Si顆粒 增強鎂基塊體非晶合金復合材料；圖1為Mg2Si顆粒增強鎂基塊體非晶合金復合材料的宏 觀斷口照片，顯示3mm厚的復合材料基體為非晶合金的斷口特征，圖2為Mg2Si顆粒增強鎂 基塊體非晶合金復合材料的金相組織，從圖中可以看出所獲得的原位Mg2Si增強顆粒(圖中 塊狀相)尺寸小于5iim。實施例2
在SF6和C02的混合氣保護下，將Mg-8wt%Si中間合金熔化，并引入功率超聲，超聲功 率為1000W，頻率為30kHz，在對熔體施加超聲作用時以600mm/s的速度對熔體進行攪拌，以 保證熔體均勻地受到超聲作用，超聲作用時間為4min ；鎂基塊體非晶合金的組成組元按照 Mg65Cu15Zn10Y10配比、Si按占復合材料熔體總量2wt%進行原料配比，將純鎂、Cu-Y中間合金 加入熔化爐熔化，將溫度調整到760°C，然后將經超聲預處理的Mg-8wt%Si中間合金添加到 上述熔體中，通過機械攪拌(攪拌頭預先刷涂料，烘干，攪拌速度1500mm/s，攪拌4min)將Si 及其他組元均勻分散在鎂基塊體非晶合金熔體中，在720°C時通過銅模冷卻方式澆注，制備 出4mm厚的原位Mg2Si顆粒增強鎂基塊體非晶合金復合材料。實施例3
在SF6和C02的混合氣保護下，將Mg-10wt%Si中間合金熔化，并引入功率超聲，超聲功 率為2000W，頻率為40kHz，在對熔體施加超聲作用時以1000mm/S的速度對熔體進行攪拌， 以保證熔體均勻地受到超聲作用，超聲作用時間為3min，鎂基塊體非晶合金的組成組元按 照Mg65Cu25Gd1Q配比、Si按占復合材料熔體總量3wt%進行原料配比，將純鎂、Cu-Y中間合 金加入熔化爐熔化，將溫度調整到760°C，然后將經超聲預處理的Mg-10wt%Si中間合金添 加到上述熔體中，通過超聲處理(變幅桿端部預先刷涂料，烘干，超聲功率為1000W，頻率為 30kHz，作用時間3min)將Si及其他組元均勻分散在鎂基塊體非晶合金熔體中，在710°C時 通過銅模冷卻方式澆注，制備出8mm厚的原位Mg2Si顆粒增強鎂基塊體非晶合金復合材料。
權利要求
一種制備Mg2Si顆粒增強鎂基塊體非晶合金復合材料的方法，其特征在于首先對Mg Si中間合金進行超聲預處理，一方面促進Si在Mg中的分散，另一方面進一步清除鎂熔體中的夾雜物，從而保證其加入到鎂基塊體非晶合金中以后形成的合金具有足夠的非晶形成能力；然后將Mg Si中間合金與鎂基塊體非晶合金的組成組元混合均勻，并通過銅模冷卻方式制備出原位Mg2Si顆粒增強鎂基塊體非晶合金復合材料，實現析出Mg2Si原位顆粒的同時保證鎂基非晶合金基體具有足夠的非晶形成能力。
2.如權利要求1所述的一種制備Mg2Si顆粒增強鎂基塊體非晶合金復合材料的方法， 具體而言為在保護氣體的保護下，對熔融狀態的Mg-Si中間合金進行超聲預處理，然后 將鎂基塊體非晶合金的組成組元按照設定的比例加入熔化爐熔化，并將經過超聲預處理的 Mg-Si中間合金按Si占復合材料總質量廣3wt%的比例添加到上述熔體中形成復合材料熔 體，通過機械攪拌或者超聲振動方法將Si及其他組元均勻分散在復合材料熔體中，然后通 過銅模冷卻方式澆注，制備出原位Mg2Si顆粒增強鎂基塊體非晶合金復合材料。
3.如權利要求2所述的一種制備Mg2Si顆粒增強鎂基塊體非晶合金復合材料的方 法，其特征在于所述的超聲預處理，是指在Mg-Si中間合金熔煉過程中，引入功率超聲， 超聲的功率為50(T2000W，頻率為2(T40kHz，在對Mg-Si中間合金熔體施加超聲作用時，以 200^1000mm/s的速度對熔體進行攪拌，以保證熔體均勻地受到超聲作用，超聲作用時間為 3 5min。
4.如權利要求2所述的一種制備Mg2Si顆粒增強鎂基塊體非晶合金復合材料的方法， 其特征在于所述的保護氣體，是指氬氣或者SF6與C02的混合氣。
5.如權利要求2所述的一種制備Mg2Si顆粒增強鎂基塊體非晶合金復合材料的方法， 其特征在于所述的Mg-Si中間合金，其Si的質量分數為5 10%。
6.如權利要求2所述的一種制備Mg2Si顆粒增強鎂基塊體非晶合金復合材料的方法， 其特征在于所述的銅模冷卻方式澆注，是指在處理后的非晶合金熔體溫度調整到澆注溫 度后將復合材料熔體澆注到預先準備好的銅模中。
全文摘要
本發明涉塊體非晶合金復合材料及其制備方法，具體涉及一種制備Mg2Si顆粒增強鎂基塊體非晶合金復合材料的方法，其特征在于首先對Mg-Si中間合金進行超聲預處理，一方面促進Si在Mg中的分散，另一方面進一步清除鎂熔體中的夾雜物，從而保證其加入到鎂基塊體非晶合金中以后形成的合金具有足夠的非晶形成能力；然后將Mg-Si中間合金與鎂基塊體非晶合金的組成組元混合均勻，并通過銅模冷卻方式制備出原位Mg2Si顆粒增強鎂基塊體非晶合金復合材料，實現析出Mg2Si原位顆粒的同時保證鎂基非晶合金基體具有足夠的非晶形成能力。本發明所提出的Mg2Si顆粒增強鎂基塊體非晶合金復合材料的制備方法具有工藝簡單、制備容易的特點，適合制備各種Mg2Si顆粒增強鎂基塊體非晶合金復合材料。
文檔編號C22C45/00GK101979697SQ201010551360
公開日2011年2月23日 申請日期2010年11月19日 優先權日2010年11月19日
發明者彭蕾, 趙玉濤, 邵陽, 陳剛 申請人:江蘇大學