一种原位自生高强耐热Mg-Gd基复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种镁基复合材料及其制备方法，具体地说，涉及的是一种原位自生 高强耐热Mg-Gd基复合材料及其制备方法，属于金属基复合材料技术领域。
【背景技术】
[0002] 镁合金具有密度小、比强度高、比弹性模量高等优点，将镁合金应用于航天器和汽 车等交通工具，使其轻量化具有重要意义。然而，镁合金的强度和耐热性能较低，极大的限 制了其应用范围。实践表明，在镁合金中引入高强度的纤维、晶须或颗粒、金属间化合物等 形成镁基复合材料，可有效提高合金的强度和耐热性能。通常，制备镁基复合材料过程中， 引入增强相的方法有两种，一种是外加法，另一种是原位自生法。外加法引入增强相存在不 足之处，比如界面结合问题、颗粒分布不均匀等。相比之下，原位自生法制备复合材料具有 界面结合性好，分布均匀，不易引入外加污染，节约成本等特点，是制备镁基复合材料的理 想方法。
[0003] 经对现有技术的文献检索发现，张荻的三项专利（CN100491566C、CN100552072C、 CN100595007C)以及刘英的专利（CN102041424B)采用原位自生法制备了镁基复合材料，然 而其所制备的镁基复合材料中，或者基体需要A1元素，或者添加原料含有A1元素。由于A1 元素与稀土 RE会发生反应，使稀土 RE元素损耗，因而张荻和刘英的专利只适用于Mg-Al系 合金，而不能应用于高强度Mg-RE系合金，限制了其专利技术的应用范围。此外，刘辉晖的 专利（CN102127668 B)也采用了原位自生法制备了镁基复合材料，然而其所用原料Zr02、 ZnO、NiO或Mn02，会优先于Mg与稀土 RE发生反应，而不形成MgO和相应金属间化合物使 其专利技术对于Mg-RE合金失效。因此，刘辉晖的专利技术主要适用于纯镁，亦不适用于 Mg-RE稀土合金。相对于纯镁和Mg-Al合金，Mg-RE稀土合金有着更高的强度和耐热性能。 在Mg-RE稀土合金基础上，引入增强相，可进一步提高稀土合金的强度和耐热性能，满足航 空航天领域对高性能镁合金材料日益苛刻要求。
[0004] 因此，在Mg-RE稀土镁合金基础上，采用原位自生法开发新型高强耐热镁基复合 材料，进一步提高镁合金的强度和耐热性能，是镁合金复合材料领域需要解决的问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种原位自生高强耐热Mg-Gd基复 合材料及其制备方法，实现合金设计与铸造法相结合，获得原位自生金属间化合物增强体， 进一步提高镁合金的强度和耐热性能，使之更好满足航空航天、国防军工等领域对高性能 镁合金材料的需求。
[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的：一种原位自生高强耐热Mg-Gd基复合材料， 其特征在于：是由Mg-Gd合金基体和GdErNiNdMg金属间化合物增强体共同构成，其中： Mg-Gd基体的体积百分比含量为50%~70%，GdErNiNdMg金属间化合物增强体的体积百分 含量为30%~50%，所述Mg-Gd基体中Gd含量重量百分数为8%~10%。
[0007] 所述原位自生高强耐热Mg-Gd基复合材料，其重量百分数组成为9~15% Gd，1% Er，2. 2 ~3. 9% Ni，2. 1 ~4. 3% Nd，其余为 Mg。
[0008] -种原位自生高强耐热Mg-Gd基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步 骤： 第一步、按照成分9~15% Gd，1% Er，2. 2~3. 9% Ni，2. 1~4. 3% Nd，其余为Mg，准备 原料； 第二步、将第一步的原料放入石墨坩埚中，采用高频感应加热炉熔炼，高频感应加热电 流控制在150至400安培，实现对原料充分熔化并均匀化； 第三步、将第二步得到的熔体，在氩气保护下，浇注于钢模中，获得原位自生 GdErNiNdMg金属间化合物复合材料母锭； 第四步、将第三步得到的原位自生复合材料母锭，在氩气保护下，在500°C保温20小 时之后，将原位自生复合材料母锭置于空气中冷却，最终获得高强耐热Mg-Gd基复合材 料。
[0009] 本发明第一步中，所述1%、6(14厂附和制原料纯度均为99%以上。
[0010] 本发明第二步中，所述熔炼过程时间为120分钟：前30分钟电流为150安培， 之后45分钟电流为400安培，最后45分钟电流为250安培。
[0011] 本发明第二步中，所述熔炼过程在密封腔室中进行，使用石墨坩埚，气氛为纯度大 于99. 99%的纯氩气氛，气氛压力为1个大气压。
[0012] 本发明第三步中，所述钢模的型腔尺寸为长130mm、宽20mm、高40 mm，所述氩气纯 度大于99. 9%。
[0013] 本发明具有以下有益效果：本发明提供的原位自生Mg-Gd基复合材料，与现有的 原位自生镁基复合材料及其制备方法相比，具有强度高，尤其是高温强度，且高温稳定性好 等优点；该Mg-Gd基复合材料室温抗拉强度大于360 MPa，150°C抗拉强度大于320 MPa， 300°C抗拉强度大于260 MPa，而350°C抗拉强度大于180MPa。此外，本发明提供的复合材料 制备方法工艺简单、易操作，所得增强体分布均匀、与基体界面结合好，适合高质量高强耐 热镁基复合材料的制备。
[0014] 本发明所提供的原位自生高强耐热Mg-Gd基复合材料，所含元素的作用如下： Gd :基体合金元素，具有强化基体作用，提高复合材料基体耐热性能。
[0015] Er :少量添加元素，使GdErNiNdMg金属间化合物增强体细化和均匀化。
[0016] Ni :促进GdErNiNdMg金属间化合物增强体的形成，并提高增强体的耐热性能。
[0017] Nd :促进GdErNiNdMg金属间化合物增强体的形成，调节GdErNiNdMg金属间化合 物增强体含量，并提高增强体的强度。
【具体实施方式】
[0018] 本实施例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。
[0019] 实施例1、镁基复合材料：含70 vol.%的Mg-8 wt.%Gd基体以及30 vol.% GdErNiNdMg金属间化合物增强体 第一步、按照成分(重量百分数)9% Gd，l% Er，2. 2% Ni、2. 1% Nd以及85. 7% Mg，准备原 料，所用原料均为纯度在99%以上。
[0020] 第二步、将第一步的原料放入石墨坩埚中，采用高频感应加热炉熔炼，整个熔炼在 纯氩气氛密封腔室下进行，气氛纯度大于99. 99%，气氛压力为1个大气压。前30分钟电 流为150安培，之后45分钟电流为400安培，最后45分钟电流为250安培。
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