专利名称：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
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。
技术背景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 Materials Science》(材料科学学报，39(2004) : 2153-2171)上，撰文"Review of recent studies on 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(l)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(AIN +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A1N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A1N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A1N和Mg2Si两相陶瓷颗粒中，A1N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. 4一21%。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C(V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Si美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。C之间。步骤(1)中，所述的SF6和C(V混合气体，其中SF6体积占1(^， 0)2体积占90%。步骤(2)中，所述的Si3N4粉末，其颗粒尺寸为0.5um—45um。步骤(3)中，所述的升温，其温度升至800。C—900°C。步骤(3)中，所述的保温，其时间为30分钟一90分钟；步骤(4)中，所述的降温至温度为680°C--720°C，搅拌速度为200—1000r/min， 搅拌时间为10分钟一40分钟。
本发明以镁铝合金和Si3N4粉末为原材料，根据4[A1L…十6[Mg]+Si美(s) =4AlN(s)+ 3Mg2Si(s)，即镁铝合金熔体中4molAl和6molMg与lmol Si^反应生成 4molAlN和3molMg2Si ，保证513队与镁铝合金熔体中的Mg、Al完全反应形成A1N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A1N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.。/。C02混合气体保护的条件下，将纯镁锭(98.4wt.%)和纯铝 锭(0. 7wt. %)在680°C完全熔化，然后把用铝箔包好的Si3N4 (0. 9wt. %)粉末压入熔体中， Si3队颗粒尺寸为0. 5um。接着将温度升高到800°C，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68(TC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A1N的重量 分数为l%,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。C拉伸强度为200MPa。 实施例二-在10volJSFs+90volJC02混合气体保护的条件下，将纯镁锭(81. lwt.%)和纯铝 锭(10.4wtJ)在700°C完全熔化，然后把用铝箔包好的Si美(8.5wt /。)粉末压入熔体 中，Si具颗粒尺寸为lum。接着将温度升高到850°C，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70(TC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A1N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°C 的拉伸强度为280MPa。实施例三在10vol. %SF6+90vol. %0)2混合气体保护的条件下，将纯镁锭(71. 5wt. %)和纯铝 锭(15. 7wt. %)在720°C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40 u m。接着将温度升高到900°C，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72(TC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. %A1复合材料，其中A1N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， 15(TC拉伸强度为320MPa。
权利要求
1、一种原位自生氮化铝和镁二硅增强镁基复合材料，其特征在于，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，其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％。
2、 根据权利要求1所述的原位自生氮化铝和镁二硅增强镁基复合材料，其特征是， 所述镁合金基体中，铝重量百分比含量是0%—9%，余量为Mg。
3、 根据权利要求1所述的原位自生氮化铝和镁二硅增强镁基复合材料，其特征是， 所述同时含有AlN和M&Si两相陶瓷颗粒中，A1N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%。
4、 一种如权利要求1所述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，其特征在于，包括以下步骤(1) 在SFs和C(V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Mg美粉末后，升温至800°C—900°C并保温，以保证51^4粉末 与镁铝合金熔体中的Mg、 Al完全反应；(4) 保温完成后降温至68(TC—72(TC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原位自生氮化铝和镁二硅增强镁基复合材 料。
5、 根据权利要求4所述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，其特征是，步骤(1)中，所述的SFe和C(V混合气体，其中SFs体积占10%, C02 体积占90%。
6、 根据权利要求4或5所述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，其特征是，步骤(1)中，所述的熔化，其温度控制在680。C—720。C之间。
7、 根据权利要求4所述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，其特征是，步骤(2)中，所述的Si3N4粉末，其颗粒尺寸为0. 5 u m—45 u m。
8、 根据权利要求4所述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，其特征是，步骤(3)中，所述的保温，其时间为30分钟一90分钟。
9、 根据权利要求2所述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，其特征是，步骤(4)中，所述的搅拌，其速度为200 r/min—1000r/min。
10、 根据权利要求4或9所述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，其特征是，步骤(4)中，所述的搅拌，其时间为10分钟一40分钟。
全文摘要
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Mg<sub>2</sub>Si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％，Mg<sub>2</sub>Si占材料总重量的百分比含量为1.4-21％。制备如下(1)在SF<sub>6</sub>+CO<sub>2</sub>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Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>粉末压入镁铝熔体中；(3)加入Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>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。
文档编号C22C23/00GK101148722SQ20071004794
公开日2008年3月26日 申请日期2007年11月8日 优先权日2007年11月8日
发明者荻 张, 张从发, 玮 曹, 范同祥 申请人:上海交通大学