專利名稱：一種制備Mg₂Si顆粒增強(qiáng)鎂基塊體非晶合金復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉塊體非晶合金復(fù)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(qiáng)鎂基塊體非晶合金復(fù)合材料的方法。
背景技術(shù)：
與晶態(tài)合金相比，塊體非晶合金具有強(qiáng)度高、硬度高等優(yōu)點(diǎn)，但由于沒(méi)有類似晶態(tài) 合金的晶界、相界和位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)，致使其在室溫條件下的失效表現(xiàn)為脆性斷裂，通常會(huì)發(fā)生 剪切帶的失穩(wěn)擴(kuò)展導(dǎo)致災(zāi)難性斷裂，在很大程度上制約了塊體非晶合金作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng) 用和發(fā)展；因此，有很多研究致力于改善塊體非晶合金的力學(xué)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(fù)合材料，抑制剪切帶局域 化擴(kuò)展，并通過(guò)第二相與基體間的相互作用，阻止剪切帶的快速擴(kuò)展，誘發(fā)多重剪切帶的形 成，從而提高變形能力；塊體非晶合金復(fù)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(shè)計(jì)合金成分，選擇合適冷卻速度，使 第二相在凝固過(guò)程中從熔體中析出；一般來(lái)說(shuō)，由于復(fù)合材料中基體合金和第二相的內(nèi)在 性能是一定的，所以復(fù)合材料性能設(shè)計(jì)在很大程度上是通過(guò)設(shè)計(jì)第二相和基體之間的界面 實(shí)現(xiàn)的，因此優(yōu)化第二相和基體之間的界面結(jié)合是非常重要的，常用的方法有1)對(duì)顆粒 或纖維表面進(jìn)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(shù)，如滲 流時(shí)間、滲流溫度和冷卻速度等，目的都是為了提高增強(qiáng)相和基體的潤(rùn)濕性能，控制界面反 應(yīng)，增強(qiáng)界面結(jié)合強(qiáng)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(jià)的非晶材 料獲得實(shí)質(zhì)性應(yīng)用，因此開(kāi)發(fā)Mg基非晶復(fù)合材料的研究更具有重要意義；Mg基非晶合金復(fù) 合材料最初也是通過(guò)加入第二相或通過(guò)加入不與互溶的過(guò)渡族金屬來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是采用這種 方式對(duì)韌性的改善有限；目前重要的進(jìn)展是發(fā)現(xiàn)了長(zhǎng)程有序Mg相增強(qiáng)Mg基非晶合金復(fù)合 材料，最大塑性應(yīng)變量可以達(dá)到18%，成為Mg基非晶合金復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)。原位顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備方法概括為固-液反應(yīng)法、固-固反應(yīng)法、 液_液反應(yīng)法、氣_液反應(yīng)法、氣_固反應(yīng)法以及利用傳統(tǒng)鑄造和凝固過(guò)程中析出的初生 相和/或共晶相作為增強(qiáng)體的鑄造冶金法；鎂的反應(yīng)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(shù)低 (CTE =7. 5 X 10_ 6K_》，是金屬基復(fù)合材料理想的增強(qiáng)相，Mg2Si相組織在AZ91合金中有兩 種形態(tài)一種為多邊形狀或樹(shù)枝晶狀，一種為漢字狀，多邊形狀或樹(shù)枝晶狀Mg2Si相是合 金在凝固過(guò)程中作為初生相形成的，漢字狀Mg2Si相是合金在凝固過(guò)程中發(fā)生共晶反應(yīng)時(shí) 產(chǎn)生的，原位生成的Mg2Si為樹(shù)枝狀或漢字狀，很粗大，不能很好地起到增強(qiáng)基體的作用，所 以要對(duì)其進(jìn)行細(xì)化，很多研究人員在復(fù)合材料中加入稀土、堿土來(lái)細(xì)化Mg2Si顆粒，取得了 較好的效果，然而，到目前為止，還沒(méi)有關(guān)于采用Mg2Si原位顆粒增強(qiáng)的鎂基非晶合金復(fù)合 材料的研究報(bào)道。
實(shí)現(xiàn)Mg2Si原位顆粒增強(qiáng)的鎂基非晶合金復(fù)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(fā)明提出對(duì)Mg-Si中間合金進(jìn)行預(yù)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(qiáng)的鎂基非晶合金復(fù)合材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種制備Mg2Si顆粒增強(qiáng)鎂基塊體非晶合金復(fù)合材料的方法，其原理 是首先對(duì)Mg-Si中間合金進(jìn)行超聲預(yù)處理，一方面促進(jìn)Si在Mg中的分散，另一方面進(jìn)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(guò)銅模冷卻方式制備出原位Mg2Si顆粒增強(qiáng)鎂基塊體非晶合金復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)析出Mg2Si 原位顆粒的同時(shí)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(hù)氣體的保護(hù)下，對(duì)熔融狀態(tài)的Mg-Si中間合金進(jìn)行超聲預(yù)處 理，然后將鎂基塊體非晶合金的組成組元按照設(shè)定的比例加入熔化爐熔化，并將經(jīng)過(guò)超聲 預(yù)處理的Mg-Si中間合金按Si占復(fù)合材料總質(zhì)量廣3wt%的比例添加到上述熔體中形成復(fù) 合材料熔體，通過(guò)機(jī)械攪拌或者超聲振動(dòng)方法將Si及其他組元均勻分散在復(fù)合材料熔體 中，然后通過(guò)銅模冷卻方式澆注，制備出原位Mg2Si顆粒增強(qiáng)鎂基塊體非晶合金復(fù)合材料。所述的超聲預(yù)處理，是指在Mg-Si中間合金熔煉過(guò)程中，引入功率超聲，超聲 的功率為50(T2000W，頻率為2(T40kHz，在對(duì)Mg-Si中間合金熔體施加超聲作用時(shí)，以 200^1000mm/s的速度對(duì)熔體進(jìn)行攪拌，以保證熔體均勻地受到超聲作用，超聲作用時(shí)間為 3 5min。所述的保護(hù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(diào)整到澆注溫度后 將復(fù)合材料熔體澆注到預(yù)先準(zhǔn)備好的銅模中。本發(fā)明所提出的Mg2Si顆粒增強(qiáng)鎂基塊體非晶合金復(fù)合材料的制備方法具有工藝 簡(jiǎn)單、制備容易的特點(diǎn)，適合制備各種Mg2Si顆粒增強(qiáng)鎂基塊體非晶合金復(fù)合材料。


圖1 Mg2Si顆粒增強(qiáng)鎂基塊體非晶合金復(fù)合材料的宏觀斷口照片； 圖2 Mg2Si顆粒增強(qiáng)鎂基塊體非晶合金復(fù)合材料的金相組織。
具體實(shí)施例方式在本發(fā)明中所使用的術(shù)語(yǔ)，除非有另外說(shuō)明，一般具有本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常 理解的含義，下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步詳細(xì)地描述本發(fā)明，應(yīng)理解，這些實(shí)施例只是為 了舉例說(shuō)明本發(fā)明，而非以任何方式限制本發(fā)明的范圍，在以下的實(shí)施例中，未詳細(xì)描述的 各種過(guò)程和方法是本領(lǐng)域中公知的常規(guī)方法。實(shí)施例1
在氬氣保護(hù)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(duì)熔體施加超聲作用時(shí)以200mm/s的速度對(duì)熔體進(jìn)行攪拌，以保證熔體均勻地 受到超聲作用，超聲作用時(shí)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(fù)合材料熔體總量lwt%進(jìn)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(diào)整到750°C，然后將經(jīng)超聲預(yù)處理的Mg-5wt%Si中間合金添加到上述熔體中，通過(guò)機(jī) 械攪拌(攪拌頭預(yù)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(shí)通過(guò)銅模冷卻方式澆注，制備出原位Mg2Si顆粒 增強(qiáng)鎂基塊體非晶合金復(fù)合材料；圖1為Mg2Si顆粒增強(qiáng)鎂基塊體非晶合金復(fù)合材料的宏 觀斷口照片，顯示3mm厚的復(fù)合材料基體為非晶合金的斷口特征，圖2為Mg2Si顆粒增強(qiáng)鎂 基塊體非晶合金復(fù)合材料的金相組織，從圖中可以看出所獲得的原位Mg2Si增強(qiáng)顆粒(圖中 塊狀相)尺寸小于5iim。實(shí)施例2
在SF6和C02的混合氣保護(hù)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(duì)熔體施加超聲作用時(shí)以600mm/s的速度對(duì)熔體進(jìn)行攪拌，以 保證熔體均勻地受到超聲作用，超聲作用時(shí)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(fù)合材料熔體總量2wt%進(jìn)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(diào)整到760°C，然后將經(jīng)超聲預(yù)處理的Mg-8wt%Si中間合金添加到 上述熔體中，通過(guò)機(jī)械攪拌(攪拌頭預(yù)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(shí)通過(guò)銅模冷卻方式澆注，制備 出4mm厚的原位Mg2Si顆粒增強(qiáng)鎂基塊體非晶合金復(fù)合材料。實(shí)施例3
在SF6和C02的混合氣保護(hù)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(duì)熔體施加超聲作用時(shí)以1000mm/S的速度對(duì)熔體進(jìn)行攪拌， 以保證熔體均勻地受到超聲作用，超聲作用時(shí)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(fù)合材料熔體總量3wt%進(jìn)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(diào)整到760°C，然后將經(jīng)超聲預(yù)處理的Mg-10wt%Si中間合金添 加到上述熔體中，通過(guò)超聲處理(變幅桿端部預(yù)先刷涂料，烘干，超聲功率為1000W，頻率為 30kHz，作用時(shí)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(shí) 通過(guò)銅模冷卻方式澆注，制備出8mm厚的原位Mg2Si顆粒增強(qiáng)鎂基塊體非晶合金復(fù)合材料。
權(quán)利要求
一種制備Mg2Si顆粒增強(qiáng)鎂基塊體非晶合金復(fù)合材料的方法，其特征在于首先對(duì)Mg Si中間合金進(jìn)行超聲預(yù)處理，一方面促進(jìn)Si在Mg中的分散，另一方面進(jìn)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(guò)銅模冷卻方式制備出原位Mg2Si顆粒增強(qiáng)鎂基塊體非晶合金復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)析出Mg2Si原位顆粒的同時(shí)保證鎂基非晶合金基體具有足夠的非晶形成能力。
2.如權(quán)利要求1所述的一種制備Mg2Si顆粒增強(qiáng)鎂基塊體非晶合金復(fù)合材料的方法， 具體而言為在保護(hù)氣體的保護(hù)下，對(duì)熔融狀態(tài)的Mg-Si中間合金進(jìn)行超聲預(yù)處理，然后 將鎂基塊體非晶合金的組成組元按照設(shè)定的比例加入熔化爐熔化，并將經(jīng)過(guò)超聲預(yù)處理的 Mg-Si中間合金按Si占復(fù)合材料總質(zhì)量廣3wt%的比例添加到上述熔體中形成復(fù)合材料熔 體，通過(guò)機(jī)械攪拌或者超聲振動(dòng)方法將Si及其他組元均勻分散在復(fù)合材料熔體中，然后通 過(guò)銅模冷卻方式澆注，制備出原位Mg2Si顆粒增強(qiáng)鎂基塊體非晶合金復(fù)合材料。
3.如權(quán)利要求2所述的一種制備Mg2Si顆粒增強(qiáng)鎂基塊體非晶合金復(fù)合材料的方 法，其特征在于所述的超聲預(yù)處理，是指在Mg-Si中間合金熔煉過(guò)程中，引入功率超聲， 超聲的功率為50(T2000W，頻率為2(T40kHz，在對(duì)Mg-Si中間合金熔體施加超聲作用時(shí)，以 200^1000mm/s的速度對(duì)熔體進(jìn)行攪拌，以保證熔體均勻地受到超聲作用，超聲作用時(shí)間為 3 5min。
4.如權(quán)利要求2所述的一種制備Mg2Si顆粒增強(qiáng)鎂基塊體非晶合金復(fù)合材料的方法， 其特征在于所述的保護(hù)氣體，是指氬氣或者SF6與C02的混合氣。
5.如權(quán)利要求2所述的一種制備Mg2Si顆粒增強(qiáng)鎂基塊體非晶合金復(fù)合材料的方法， 其特征在于所述的Mg-Si中間合金，其Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 10%。
6.如權(quán)利要求2所述的一種制備Mg2Si顆粒增強(qiáng)鎂基塊體非晶合金復(fù)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(diào)整到澆注溫 度后將復(fù)合材料熔體澆注到預(yù)先準(zhǔn)備好的銅模中。
全文摘要
本發(fā)明涉塊體非晶合金復(fù)合材料及其制備方法，具體涉及一種制備Mg2Si顆粒增強(qiáng)鎂基塊體非晶合金復(fù)合材料的方法，其特征在于首先對(duì)Mg-Si中間合金進(jìn)行超聲預(yù)處理，一方面促進(jìn)Si在Mg中的分散，另一方面進(jìn)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(guò)銅模冷卻方式制備出原位Mg2Si顆粒增強(qiáng)鎂基塊體非晶合金復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)析出Mg2Si原位顆粒的同時(shí)保證鎂基非晶合金基體具有足夠的非晶形成能力。本發(fā)明所提出的Mg2Si顆粒增強(qiáng)鎂基塊體非晶合金復(fù)合材料的制備方法具有工藝簡(jiǎn)單、制備容易的特點(diǎn)，適合制備各種Mg2Si顆粒增強(qiáng)鎂基塊體非晶合金復(fù)合材料。
文檔編號(hào)C22C45/00GK101979697SQ201010551360
公開(kāi)日2011年2月23日 申請(qǐng)日期2010年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月19日
發(fā)明者彭蕾, 趙玉濤, 邵陽(yáng), 陳剛 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)