原位自生氮化铝和镁二硅增强镁基复合材料及其制备方法

摘要

一种原位自生氮化铝和镁二硅增强镁基复合材料及其制备方法，所述复合材料中，镁合金基体的重量百分比含量为64％－97.6％，同时含有AlN和Mg2Si两相陶瓷颗粒重量百分比含量为2.4％－36％。镁合金基体中铝重量百分比含量是0％－9％，余量为Mg；AlN占材料总重量的百分比含量为1％－15％，Mg2Si占材料总重量的百分比含量为1.4－21％。制备如下：(1)在SF6+CO2混合气体保护条件下，将镁铝合金原材料完全熔化；(2)把用铝箔包好的Si3N4粉末压入镁铝熔体中；(3)加入Si3N4粉末后，升温并保温；(4)保温完成后降温并保温，并用石墨圆盘搅拌熔体后，捞去表面的浮渣，并浇铸于金属模具凝固后得到复合材料。本发明制得的复合材料具有轻质、高强、高模量、耐高温等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料技术领域镁基复合材料及其制备方法，特别是一种原位自生氮化铝和镁二硅增强镁基复合材料及其制备方法。

背景技术

镁合金是目前工业应用中最轻的金属结构材料，具有较高的比强度、比刚度以及良好的铸造、减震、切削加工，电磁屏蔽和可循环利用等性能，使它广泛被用于3C产品，航空工业和汽车工业中。随着交通运输中节能减耗要求的提高和对环保的日益重视，更加促使镁合金在这方面的应用潜力；但同时对镁合金的性能要求也越来越高，普通镁合金已不能满足这些要求，人们开始开发具有综合优越性能的镁基复合材料。

经对现有技术的文献检索发现，Hai Zhi Ye等人，在《Journal of MaterialsScience》(材料科学学报，39(2004)：2153-2171)上，撰文“Review of recent studieson magnesium matrix composites(镁基复合材料研究进展)”。该文对镁基复合材料的制备方法进行了综述，其中大部分是采用外加法制备颗粒增强镁基复合材料；外加法制备镁基复合材料存在许多缺点：(1)由于外加方法一般需要特殊的设备，增加了制造成本；(2)由于陶瓷颗粒与基体金属不润湿，难以制备出陶瓷颗粒均匀分布的金属基复合材料；(3)外加陶瓷颗粒尺寸一定，限制了增强相的尺寸；(4)陶瓷颗粒与金属的界面结合不良，影响到其最终的性能；(5)陶瓷颗粒与金属熔体发生不良界面反应，影响到其最终的性能。在这篇文献中也提到了一些原位制备镁基复合材料的方法。但是，目前仍没有找到好的原位反应相来生成好的增强相，目前主要的是原位形成Mg₂Si单相颗粒增强；并且由于Mg₂Si不高的性能，如弹性模量仅120GPa，所得镁基复合材料的性能提高是很有限的。

发明内容

本发明针对背景技术中的缺陷，提供一种原位自生氮化铝和镁二硅增强镁基复合材料及其制备方法，通过将搅拌铸造法和原位反应法结合起来，制备一种在镁合金内部自生成(AlN+Mg₂Si)多相陶瓷颗粒增强镁基复合材料，使其满足轻质、高强、高弹性模量、耐高温性能的需要。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所涉及的原位自生氮化铝和镁二硅增强镁基复合材料，是由镁合金基体和同时含有AlN和Mg₂Si两相陶瓷颗粒共同构成，镁合金基体的重量百分比含量为64％-97.6％，同时含有AlN和Mg₂Si两相陶瓷颗粒重量百分比含量为2.4％--36％。

所述镁合金基体中，铝重量百分比含量是0％--9％，余量为Mg。

所述同时含有AlN和Mg₂Si两相陶瓷颗粒中，AlN颗粒占镁基复合材料总重量的百分比含量为1％--15％，Mg₂Si颗粒占镁基复合材料总重量的百分比含量为1.4-21％。

本发明所涉及的原位自生氮化铝和镁二硅增强镁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)在SF₆和CO₂混合气体保护条件下，将镁铝合金原材料完全熔化；

(2)然后把用铝箔包好的Si₃N₄粉末压入镁铝熔体中；    

(3)在熔体中加入Mg₃N₂粉末后，升温并保温，以保证Si₃N₄粉末与镁铝合金熔体中的Mg、Al完全反应；

(4)保温完成后降温并保温，并用石墨圆盘搅拌熔体后，捞去表面的浮渣，并浇铸于金属模具凝固后得到本发明原位自生氮化铝和镁二硅增强镁基复合材料。

步骤(1)中，所述的熔化，其温度控制在680-720℃之间。

步骤(1)中，所述的SF₆和CO₂混合气体，其中SF₆体积占10％，CO₂体积占90％。

步骤(2)中，所述的Si₃N₄粉末，其颗粒尺寸为0.5μm-45μm。

步骤(3)中，所述的升温，其温度升至800℃-900℃。

步骤(3)中，所述的保温，其时间为30分钟-90分钟；

步骤(4)中，所述的降温至温度为680℃-720℃，搅拌速度为200-1000r/min，搅拌时间为10分钟-40分钟。

本发明以镁铝合金和Si₃N₄粉末为原材料，根据4[Al]_{in Mg alloy}+6[Mg]+Si₃N₄(s)＝4AlN(s)+3Mg₂Si(s)，即镁铝合金熔体中4molAl和6molMg与1mol Si₃N₄反应生成4molAlN和3molMg₂Si，保证Si₃N₄与镁铝合金熔体中的Mg、Al完全反应形成AlN和Mg₂Si两相陶瓷颗粒，并采用搅拌铸造法和原位反应法相结合的制备方法。由于AlN和Mg₂Si陶瓷颗粒是在搅拌铸造过程中通过化学反应在镁合金基体内自生成的，与基体的界面相容性好，增强相的颗粒尺寸可控，增强相分布均匀等特点，因而制备的镁基复合材料具有良好的机械和物理性能；并且有效地避免了传统外加法制备复合材料时，增强相的尺寸受限制、增强相与基体结合不好、增强相分布不均匀等问题。

本发明在不改变原有搅拌铸造设备和工艺流程的条件下简捷，低成本地制备出原位镁基复合材料；并且镁合金内部自生成的AlN陶瓷相弹性模量为310GPa，其增强效果远好于单一Mg₂Si增强，能显著提高复合材料的弹性模量；而且自生成的AlN陶瓷相具有密排六方结构(晶格常数为a：0.3113nm c：0.4981nm)与镁的晶体结构相同并且晶格常数(a：0.3202nm c：0.5199nm)相近，容易形成好的界面结构(如共格或半共格界面)，从而可制备出物理和机械性能优越的镁基复合材料。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一：

在10vol.％SF₆+90vol.％CO₂混合气体保护的条件下，将纯镁锭(98.4wt.％)和纯铝锭(0.7wt.％)在680℃完全熔化，然后把用铝箔包好的Si₃N₄(0.9wt.％)粉末压入熔体中，Si₃N₄颗粒尺寸为0.5μm。接着将温度升高到800℃，并继续保温90分钟，保证Si₃N₄粉末与熔体中的Mg、Al完全反应，保温完成后降温到680℃保温，并用石墨圆盘搅拌浆搅拌熔体，搅拌速度为1000r/min，搅拌时间为10分钟。最后捞去表面的浮渣后浇铸于金属模具中凝固后得到2.4wt.％(AlN+Mg₂Si)/pure Mg复合材料，其中AlN的重量分数为1％，Mg₂Si的重量分数为1.4％。所得(AlN+Mg₂Si)增强纯镁基复合材料的密度为：1.75g/cm³，弹性模量为：47GPa，拉伸性能为：230MPa，150℃拉伸强度为：200MPa。

实施例二：

在10vol.％SF₆+90vol.％CO₂混合气体保护的条件下，将纯镁锭(81.1wt.％)和纯铝锭(10.4wt.％)在700℃完全熔化，然后把用铝箔包好的Si₃N₄(8.5wt.％)粉末压入熔体中，Si₃N₄颗粒尺寸为1μm。接着将温度升高到850℃，并继续保温60分钟，保证Si₃N₄粉末与熔体中的Mg、Al完全反应，保温完成后降温到700℃保温，并用石墨圆盘搅拌浆搅拌熔体，搅拌速度为600r/min，搅拌时间为20分钟。最后捞去表面的浮渣后浇铸于金属模具中凝固后得到24wt.％(AlN+Mg₂Si)/Mg-5wt.％复合材料，其中AlN的重量分数为10％，Mg₂Si的重量分数为14％。所得(AlN+Mg₂Si)增强含铝重量分数为5％的镁铝合金基复合材料的密度为1.85g/cm³，弹性模量为：70GPa，拉伸性能为：310MPa，150℃的拉伸强度为280MPa。

实施例三：

在10vol.％SF₆+90vol.％CO₂混合气体保护的条件下，将纯镁锭(71.5wt.％)和纯铝锭(15.7wt.％)在720℃完全熔化，然后把用铝箔包好的Si₃N₄(12.8wt.％)粉末压入熔体中，Si₃N₄颗粒尺寸为40μm。接着将温度升高到900℃，并继续保温30分钟，保证Si₃N₄粉末与熔体中的Mg、Al完全反应，保温完成后降温到720℃保温，并用石墨圆盘搅拌浆搅拌熔体，搅拌速度为200r/min，搅拌时间为40分钟。最后捞去表面的浮渣后浇铸于金属模具中凝固后得到36wt.％(AlN+Mg₂Si)/Mg-9wt.％Al复合材料，其中AlN的重量分数为15％，Mg₂Si的重量分数为21％。所得(AlN+Mg₂Si)增强含铝重量分数为9％的镁铝合金基复合材料的密度为：1.91g/cm³，弹性模量为：84GPa，拉伸性能为：350MPa，150℃拉伸强度为：320MPa。