一种高强高塑性铸造镁基复合材料的原位强化制备方法及装置

摘要

本发明涉及一种高强高塑性铸造镁基复合材料的原位强化制备方法及装置，采用Mg-9％Al合金为基体合金，在真空熔炼电阻炉中，通过向合金熔体中通入N2气，使其与合金熔体发生气/气和气/液反应，在合金熔体中原位形成均匀分布的AlN颗粒，从而制备出了最高抗拉强度为193Mpa，伸长率为14％的AlN/Mg复合材料。该工艺和制备装置具有操作简单，绿色环保，成本低廉，能耗小，制备周期短的特点。而制备出来的镁基复合材料强度和塑性均优于相应的Mg-Al合金(AZ91D)，且密度更小。

说明书

技术领域

本发明涉及一种铸造镁基复合材料的制备技术，特别是涉及采用原位生成强化颗 粒来提高镁合金性能，获得性能优异的镁合金材料。

背景技术

本发明是利用在合金熔体中原位生成均匀分布的强化相的原理来提高或改善合金 的性能，主要用于制备铝基和镁基复合材料。本发明中的原位强化技术在铝合金中应 用的比较成熟，已经有部分工业生产。然而由于镁合金存在易燃和易氧化等缺点，原 位生成强化相技术仅仅停留在实验室阶段，而且由于形成的强化相性能不稳定，分布 不均匀，目前利用该技术制备的镁基复合材料拉伸性能在国际国内的各种文献中并没 有相应的报导，仅是对其进行组织描述和硬度性能的测试，而且性能低于基体合金， 因而根本无法用于生产。

而本发明虽然采用与国内外相关技术相同的原理，但本发明独创性地设计了合金 制备装置，而且通过对颗粒强化相原位形成机理的系统研究，发现了除了传统认为的 气－气和固－液两个反应形成强化相ALN的机制外，还存在气－液和固－液反应机 制，而且后发现的机制是形成强化相ALN的主要方式，这就使得ALN在熔体中更加容 易形成和均匀分布。另外，本发明也发现通过形成强化相ALN，可以抑制Mg-AL共 晶反应，因而可以大幅减少共晶产物Mg17AL12，其为硬脆相，是影响Mg-AL合金性 能提高的不利因素。而且，通过强化相ALN的形成，基体合金的晶粒尺寸得到了有效 减少，这也是本发明的另一个突破。

在此基础上，本发明通过对制备装置和工艺的不断改进和完善，解决了熔体反应 不充分、难以精确控制以及铸件缺陷多等问题。正是由于本发明在强化相形成机制和 制备装置及工艺方面的创造性的发现和发明，使得合金的力学性能得到了大幅提高， 其铸态拉伸强度和塑性已经远超相近合金成分的AZ91D合金，而且由于没有添加其它 合金元素，其密度也小于AZ91D合金。另外，由于工艺简单，制备装置安全可靠、没 有污染、操作容易等特点，该发明可快速用于工业生产。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免镁合金及镁基复合材料性能偏低的问题，特别是原位生成颗粒强化镁基 复合材料，由于在其制备过程中存在氧化物夹杂、颗粒强化相分布不均匀、反应过程 难以控制，材料铸造缺陷多，污染严重，制备成本高等问题，本发明提出一种高强高 塑性铸造镁基复合材料的原位强化制备方法及装置。

技术方案

一种高强高塑性铸造镁基复合材料的原位强化制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将基体合金在真空度为2.0x10^-2MPa下加热熔炼，熔炼过程中通入氩气作 保护；熔炼至730℃～780℃往熔体中通入氮气2～4小时，通气过程中每隔40至60分 钟对熔体进行3～5分钟搅拌，所述的基体合金为Mg-9Al合金，质量为0.8～1.5kg；

步骤2：将熔体在空气中冷却至室温得到合金铸锭，冷却过程中通入氩气作保护；

步骤3：将冷却后的合金铸锭在700℃～750℃下重新熔炼，熔炼过程中通入氩气作 保护；然后在720℃～740℃时浇铸得到镁基复合材料。

一种高强高塑性铸造镁基复合材料的原位强化制备装置，包括热电偶、压力表、 放气阀、抽真空管、反应室、坩埚、Ar气通气管和N2通气管；坩埚位于反应室的底 部，热电偶、抽真空管、Ar气通气管和N2通气管通入到反应室内，抽真空管上设有 压力表和放气阀；其特征在于还包括保温室、多通道通气孔和搅拌叶片；在反应室上 隔开一个空间作为保温室，N2通气管在反应室内的部分上设有搅拌叶片，多通道通气 孔与N2通气管的底端相连。

有益效果

本发明提出的一种高强高塑性铸造镁基复合材料的原位强化制备方法及装置，所 制备的镁基复合材料，主要由两相组成，即强化相ALN和镁基体。由于强化相ALN 的形成抑制了共晶产物Mg17Al12相的形成，而该相属于硬脆相，其存在将损害材料 的性能。另外，由于强化相ALN与镁具有相似的晶体结构，因而可以作为镁的异质形 核质点，从而细化镁基体晶粒。这些凝固特征的存在使得原位生成得ALN可以有效提 高基体合金的性能。在铸态合金性能上，与AZ91D合金(其合金成分与本发明合金成 分相近，即均为Mg-9at.％Al)相比，本发明制备的复合材料的拉伸性能为180－ 193Mpa，其伸长率为13－15％，分别远超AZ91D的160Mpa和2％，而且本发明制 备的合金没有经过精炼和热处理，其密度也小于AZ91D合金。这也是所有报道的镁基 复合材料中性能最高的，因此，本发明的实现，将极大扩大镁合金的使用范围，能有 效解决镁合金性能低下的问题。

另外，本发明的制备技术，因为整个熔炼制备过程均在真空密闭环境中进行，绿 色环保，没有污染，使用的反应气为氮气，成本低，没有危险。反应温度为700－800 度之间，与常规镁合金熔炼温度一致，没有增加能耗，而且相比常规制备工艺，本发 明技术省去了除渣、精炼等环节，因而制备效率更高。

附图说明

图1原位镁基复合材料的制备装置

1-热电偶；2-压力表；3-放气阀；4-抽真空；5-真空室和反应室；6-坩埚；7-通气 孔；8-搅拌叶片；9-Ar气入口；10-保温室；11-N2通气管

图2为拉伸试样片

图3为拉伸试样片尺寸图

图4为铸态组织应力应变曲线图

图5为原位AlN/Mg复合材料的组织照片

图6为原位AlN/Mg复合材料的XRD分析图谱

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明的技术方案是建立在镁合金熔体中原位生成强化颗粒的基本原理之上，但 如果简单的在镁合金熔体中通入反应气体氮气，并不能在镁合金熔体中形成强化相 ALN，而仅能在熔体表面形成一薄层ALN，由于ALN的钝化作用，合金熔体内部ALN 难以形成，这也是国际国内该技术无法得到继续发展的核心所在。本发明针对这一原 理，独创性地设计了制备装置：首先在真空室上部加装了保温室，有效解决了充气管 和热电偶在熔炼和反应过程中上下移动容易造成漏气和进入空气的问题；第二，在保 温室上加装了放气阀和安全阀，当真空室内的气体压力超出一定范围可以通过放气降 低室内压力，从而保证整个制备过程的安全。第三，在通气管下端设计并安装了多孔 装置，通过一定的孔径，可以在合金熔体中获得细小而且均匀分布的气泡，有利于气 泡对熔体的搅拌以及加速气泡与熔体的反应速度。第四，在通气管下端加装了叶片， 在气－液反应过程中通过旋转通气管可以实现对熔体的机械搅拌，加速反应以及强化 颗粒的均匀分布。

另外，经过反复实验和分析结果，确定了最佳的工艺参数，如温度范围、通气时 间及通气量等，可以确保整个制备方法的正常完成以及复合材料性能的提高。

图1为自制的原位镁基复合材料的制备装置示意图，可以看到镁合金在坩锅中熔 炼，并与氮气发生反应，形成ALN强化相。通过气体搅拌和机械搅拌，形成的ALN 强化相可以均匀分布在合金熔体中。

如图1所述，该装置总体上由上下两部分构成，上面为保温室10，下面为真空室 与反应室5；顶端的热电偶1插入坩埚6中的金属熔体中测温；N2通气管11和搅拌 叶片8、通气孔7构成通气装置和搅拌装置，可以通气和搅拌，加速熔体中颗粒强化 相的形成速率和均匀分布；下面的真空室和反应室5为一体，可以两用；右端上方的 压力表2可以显示装置内的压力；抽真空4接抽真空机，对装置抽真空；放气阀3可 以放气，确保装置内的压力，确保实验安全，属于安全装置；Ar气9通Ar气，保护 合金熔体。

该装置集真空室5、保温室10、反应室5、搅拌装置7、8、11、安全保护装置3、 通气装置7、8、11于一体；保温室10在反应室和真空室5上方，确保原位镁基复合 材料制备过程中反应室5中熔体温度均匀，可以精确控制反应温度，同时可利于减少 升温时间，缩短制备周期，从而提高制备效率。通气管11底端是一多孔充气装置7， 可以把单通道气体转换为多通道气体，减小了反应气泡的尺寸，增大了气泡数量，从 而利于气泡与熔体的反应和对熔体的搅拌，有利于强化相的快速形成。通气管下端加 装有搅拌叶片8，并可以做圆周运动(旋转)以及纵向运动，使得搅拌与通气于一体， 可有效实现熔体与气体反应形成强化相的同时，促使强化颗粒均匀分布到熔体中。装 置外部配备有真空计2、气压表2、安全阀3、热电偶1，有效保证了熔体反应控制的 精确性和安全性。

该装置具有以下几个特征：

(a)该设备集真空室、保温室、反应室、搅拌装置、安全保护装置、通气装置于 一体；

(b)搅拌装置可以按照工艺需要实现熔体纵向和圆周方向的搅拌；

(c)通气管底端为多孔装置，可实现由单一通道的气体变为多通道气体这一转换， 增大了熔体与气泡的接触面积，同时还起到气泡充分搅拌熔体的作用；

(d)合金熔炼和原位反应均在真空室和氩气保护下进行，反应气体为氮气，因此， 整个制备过程合金熔体无氧化、无污染，且安全环保。

本发明具体实施过程如下：

1、采用Mg-9Al合金为基体合金，保护气为氩气，氮气为反应气体。

2、在电阻炉内采用自制的原位镁基复合材料制备设备进行复合材料的制备：将 0.8～1.5kg的基体合金放入坩埚中，再将坩埚置于如图1所示的真空室中，然后将如图 1所示的制备装置放入电阻炉内，关闭充气和放气阀，用机械泵将真空室抽真空至 2.0x10-2MPa。

3、开启电阻炉对真空室进行加热，当熔体温度为730℃～780℃时，关闭真空阀， 停止抽真空，然后将氮气通气管插入合金熔体中，并将一定量的氮气持续通入合金熔 体中。

4、在通氮气期间，周期性的慢速上下移动和转动通气管(每隔40至60分钟上下 移动和转动搅拌装置3～5分钟)，对合金熔体进行周期性的慢速搅拌。

5、通氮气时间达到2～4小时后，将通气管提至熔体上方，并停止充气。

6、通气结束后，将制备装置从电阻炉中拿出，在氩气的保护下，在空气中冷却至 室温。

7.将冷却后的合金铸锭在700℃～750℃下重熔，熔炼过程中通入氩气作保护；然 后在720℃～740℃时浇铸。

可见通过利用本发明的制备装置，具体工艺简单、易于操作，安全环保，没有废 弃和废渣的产生。本发明制备的镁基复合材料力学性能稳定，而且还有进一步提高的 空间。

通过自制的原位镁基复合材料的制备装置，运用本发明的制备工艺，我们得到了 性能优异的铸造AlN/Mg-Al复合材料，该复合材料拥有高的强度和高的塑性，可以直 接用来作为铸造镁合金使用，也可用做变形镁合金使用。由于我们的基体合金是 Mg-9Al合金，接近铸造镁合金体系中的AZ91合金成分，表1给出了本专利制得的高 强度高塑性镁合金与AZ91镁合金力学性能的对比。

表1AlN/Mg复合材料与国标AZ91D合金铸态组织力学性能对比

本发明采用真空熔炼，氩气保护、反应气体为氮气、基体合金采用Mg-Al二元合 金，整个熔炼及材料制备在密闭容器中进行，因而，不存在镁合金燃烧及需要SF6气 体保护的情况，镁合金熔体不会出现氧化物夹杂的问题，而且通入熔体的气体为干燥 氮气，成本低。本发明的制备工艺参数仅仅是熔体温度和气体流量，由于工艺参数容 易控制，因而本发明解决了原位增强镁基复合材料研究仅仅停留在实验室阶段的瓶颈， 可以促进镁合金的工业化生产。