准晶及氧化铝混合颗粒增强镁基复合材料及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种镁合金，特别涉及一种准晶及氧化铝混合颗粒增强镁基复合材 料。本发明还涉及一种准晶及氧化铝混合颗粒增强镁基复合材料的制造方法。
【背景技术】
[0002] 镁合金由于其密度低、减振性好、易加工以及电磁屏蔽性好等优点，被广泛应用于 航空航天、汽车交通和数码产品等领域。其中，Mg-Al-Zn系镁合金力学性能优良，流动性 好，热裂倾向小，铸造工艺相对简单，成本较低，成为镁合金研究和应用领域的热点。但是， Mg-Al-Zn系镁合金在熔炼过程中极易氧化燃烧，且Mg-Al-Zn系镁合金继承了传统镁合金 的抗拉强度低，伸长率低的缺点，阻碍了镁合金在结构材料中的进一步应用。因此常采取添 加增强相制备镁基复合材料的方法改善镁合金的性能。
[0003] 目前国际上主要对非连续增强镁基复合材料的研究较活跃，不连续增强镁基复合 材料的增强相主要是SiC颗粒、B4C颗粒、SiC晶须及碳纳米管等。尤其是颗粒增强镁基复 合材料（Particle reinforce Magnesium Matrix Composites)以其制造工艺简单、成本低 廉、具有可加工性和各向同性等优点成为目前开发复合材料的方向之一。此外，界面是复合 材料的重要组成特点，界面反应及界面形成对复合材料性能起着决定性的作用。在复合材 料的制造中，基体的增强相很可能在界面处反应形成新的化合物。但是，常用的单一外加陶 瓷颗粒增强镁基复合材料的方法，存在颗粒与基体之间润湿性差、不良界面反应以及制备 工艺落后、生产成本高的问题，很大程度上制约了镁基复合材料综合性能的提高，限制了它 的广泛应用。
[0004] 目前，制备颗粒增强镁基复合材料的主要方法有：1.热压法，在加热状态下进行 压制，使材料显微组织密度增加，达到增强目的。2.热轧法，一般只适用于加工型材及棒材， 不适用于制备形状较复杂的高性能镁合金零部件。3.搅拌铸造法，采用常规铸造的方法在 液态或半固态熔体中加入增强体颗粒，获得镁基复合材料，由于在重力下凝固结晶，容易产 生气孔、裂纹、缩松等缺陷，难以达到理想的增强效果。4.粉末冶金法，利用粉末冶金技术将 颗粒增强相与基体镁合金粉末在高温下进行挤压或烧结而成复合材料，其成本相对较高， 不利于工业化生产。
【发明内容】
[0005] 本发明的首要目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种准晶及氧化铝混 合颗粒增强镁基复合材料，具有优异的抗拉性能且伸长率高。
[0006] 为解决以上技术问题，本发明的一种准晶及氧化铝混合颗粒增强镁基复合材料， 所述准晶及氧化铝混合颗粒增强镁基复合材料的原料组分及重量比为，准晶及氧化铝混合 颗粒增强相：基体镁合金=(4?8): 100 ;所述基体镁合金的原料组分及重量含量如下，镁： 1000份；错：90份；锌：10份，锰：1. 5?5份；娃：0. 5?1份；興：0. 1?0. 5份；所述准晶 及氧化铝混合颗粒增强相的原料组分及重量含量如下，镁：40份；锌：50?60份；钇：5? 10份；纳米氧化铝颗粒：8?20份；且所述纳米氧化铝颗粒的直径为20?30nm ;所述准晶 及氧化铝混合颗粒增强相的大小为100?200目。
[0007] 相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：①Mg原子半径为0. 160nm，Zn原子 半径为0? 133 nm，Y原子半径为0? 181nm ;Zn与Mg的原子半径差为16. 75%，Y与Mg的原子 半径差为13. 13%，由于Mg，Zn，Y原子半径差异较大，形成Mg-Zn-Y三元合金时会产生很大 的晶格畸变，在结构上有利于准晶的形成。Zn、Y单独与Mg形成二元合金时的最大固溶度分 别为8. 4%和12. 5%，当形成三元合金时，Zn、Y在Mg中的固溶度均较低，因此在合金凝固过 程中因溶质再分配作用，Zn和Y原子会向Mg熔体中扩散产生浓度起伏，当Zn、Y含量在枝 晶前沿富集到一定程度时，在合金的化学成分上完全能够形成MgZnY准晶，本发明的组分 及重量比可以形成MgZnY准晶。②本发明的MgZnY准晶介于晶体和非晶体之间，同时具有长 程准周期性平移序和非晶体学旋转对称性的固态有序相，具有良好的高温稳定性、高硬度、 高模量、以及低界面能、与基体镁合金具有良好润湿性的优点，非常适合做软韧性镁合金基 体的增强相。③氧化铝陶瓷颗粒的熔点为2050°C，具有较高的耐熔性、高硬度、耐腐蚀、电绝 缘性好等特性，不溶于水，可以在提高镁基复合材料强度的同时提高其耐蚀性能。氧化铝颗 粒表面与镁发生反应生成少量MgO和尖晶石MgAl 204, MgO和尖晶石MgAl204可作为良好地 结合剂，改善了增强颗粒与基体润湿性。目前制备镁基复合材料最常用的是微米级陶瓷颗 粒，使得基体镁合金的强度增加但伸长率降低，因此采用纳米级氧化铝颗粒作为增强体，可 以保证基体镁合金伸长率的同时，提高基体镁合金强度。④本发明改善了外加单一增强相 陶瓷颗粒存在的与基体之间润湿性差、制备工艺复杂、增强效果不明显的问题，采用准晶及 氧化铝混合颗粒作为增强相，使镁基复合材料的抗拉性能可达190MPa以上，且伸长率达到 6. 5%以上。⑤铝在镁中固溶度大，在共晶温度437°C时的最大固溶度达到12. 5%，且温度降 低固溶度变化明显，不仅可以在本发明的合金中产生固溶强化作用，还可以进行淬火、时效 处理，产生沉淀强化；当铝含量过高造成（Mg 17Al12)相与a (Mg)基体的电极电位相差太多， 从而引起应力腐蚀；本发明的铝含量比例既保证了铝的固溶强化作用，又避免应力腐蚀。⑥ 锌在镁中的固溶度随着温度的降低而显著减小，本发明锌的含量既可以起到固溶强化和沉 淀强化的作用，又避免因含量过高增大合金结晶温度间隔，增加合金热裂和缩松倾向。锰在 镁中的固溶度小，不与镁形成化合物，锰与杂质元素Fe生成高熔点的化合物沉淀出来，从 而除去危害元素Fe，提高本发明镁合金的耐蚀性。⑦本发明在Mg-Al合金中加入Ca，与Mg、 A1形成（Mg、Al) 2Ca化合物，具有与镁相似的六方晶体结构，与基体形成牢固的界面，（Mg、 Al)2Ca的热稳定性和界面结合力强并在晶界起到钉扎作用，从而提高本发明镁合金的整 体蠕变抗力。⑧硅在本发明中与Mg形成高熔点的强化相Mg 2Si，与其他元素形成稳定的硅 化物，改善本发明镁合金的蠕变性能。
[0008] 作为本发明的优选方案，所述准晶及氧化铝混合颗粒增强镁基复合材料的原料组 分及重量比为，准晶及氧化铝混合颗粒增强相：基体镁合金=4 :100 ;所述基体镁合金的原 料组分及重量含量如下，镁：1〇〇〇份；铝：90份；锌：10份，锰：1. 5份；硅：0. 5份；钙：0. 1 份；所述准晶及氧化铝混合颗粒增强相的原料组分及重量含量如下，镁：40份；锌：50份； 钇：5份；纳米氧化铝颗粒：8份；且所述纳米氧化铝颗粒的直径为20nm ;所述准晶及氧化铝 混合颗粒增强相的大小为100目。
[0009] 作为本发明的优选方案，所述准晶及氧化铝混合颗粒增强镁基复合材料的原料组 分及重量比为，准晶及氧化铝混合颗粒增强相：基体镁合金=6 :100 ;所述基体镁合金的原 料组分及重量含量如下，镁：1〇〇〇份；铝：90份；锌：10份，锰：3份；硅：0. 7份；钙：0. 3份； 所述准晶及氧化铝混合颗粒增强相的原料组分及重量含量如下，镁：40份；锌：55份；钇： 8份；纳米氧化铝颗粒：14份；且所述纳米氧化铝颗粒的直径为25nm ;所述准晶及氧化铝混 合颗粒增强相的大小为150目。
[0010] 作为本发明的优选方案，所述准晶及氧化铝混合颗粒增强镁基复合材料的原料组 分及重量比为，准晶及氧化铝混合颗粒增强相：基体镁合金=8 :100 ;所述基体镁合金的原 料组分及重量含量如下，镁：1〇〇〇份；铝：90份；锌：10份，锰：5份；硅：1份；钙：0. 5份；所 述准晶及氧化铝混合颗粒增强相的原料组分及重量含量如下，镁：40份；锌：60份；钇：10 份；纳米氧化铝颗粒：20份；且所述纳米氧化铝颗粒的直径为30nm ;所述准晶及氧化铝混 合颗粒增强相的大小为200目。
[0011] 作为本发明的优选方案，所述准晶及氧化铝混合颗粒增强镁基复合材料的显微组 织特征为a -Mg固溶体+断裂链状分布的Mg17Al12+弥散分布在晶界处的准晶相和氧化铝颗 粒。这种显微组织的镁基复合材料机械性能优异，抗拉能力强，伸长率高。
[0012] 本发明的另一个目的在于，提供一种准晶及氧化铝混合颗粒增强镁基复合材料的 制造方法，该方法制造而成的镁合金，具有优异的抗拉性能且伸长率高。
[0013] 为解决以上技术问题，本发明准晶及氧化铝混合颗粒增强镁基复合材料的制造方 法，依次包括如下步骤：⑴制备准晶及氧化铝混合颗粒增强相：①准备制备准晶及氧化铝 混合颗粒增强相的原材料，纯镁锭、纯锌锭、镁钇合金和纳米氧化铝颗粒，所述镁钇合金中 钇的重量百分含量为25% ;上述各元素之间的重量比如下，镁：40份；锌：50?60份；钇： 5?10份；纳米氧化铝颗粒：8?20份，且所述纳米氧化铝颗粒的直径为20?30nm ;②预 处理金属原材料：将上述纯镁锭、纯锌锭和镁钇合金切割成块状，去除各金属块表面附着的 氧化物，放入电阻炉中预热，在180°C?200°C下保温20分钟?30分钟，去除各金属块表面 附着的水汽；③预处理纳米氧化铝颗粒：将纳米氧化铝颗粒放入烧杯中，加入无水乙醇后， 放置在超声清洗器中震荡处理15?20分钟，静置后滤去无水乙醇，再放置在烘箱内进行 烘干，烘干温度为5