改善镁稀土基复合材料中微米级AlN颗粒团聚的方法

本发明属于金属基复合材料，具体涉及一种改善镁稀土基复合材料中微米级aln颗粒团聚的方法。

背景技术：

1、为满足镁合金高强、耐热等需求，在镁合金中添加re元素已成为提高合金强度和耐热性的主要方式，目前研究者开发了兼具高强耐热的gw系合金，如mg-10gd-3y-1zn-0.4zr等。由于re元素的价格较高，制备成本制约了镁合金的发展。因此，为了进一步提升gw系合金的力学性能，除了添加re元素外，添加sic、tib2、aln等价格低廉、性能优异的陶瓷颗粒制备镁基复合材料，成为了发展高强、耐热镁合金的重要选择。其中aln具有较低的密度，晶体构型与晶格参数也与mg相近，已经成为了极具发展潜力的增强相。

2、目前，适于商业化的复合材料制备方法是搅拌铸造法，然而这个方法的最大挑战在于如何实现颗粒在基体中的均匀分散；由于aln颗粒与mg基体的润湿性较差，容易在搅拌铸造过程中形成粗大的颗粒团聚，从而限制aln对合金性能的提升作用。专利号cn114277277a公开了一种aln_al颗粒增强镁铝稀土基复合材料及其制备方法，通过添加al/aln纳米粉，进行机械搅拌+超声波搅拌相结合的方法，成功将纳米级aln引入到合金中，但该方法工艺比较复杂，超声和较长时间的静置过程中纳米级颗粒最终也容易产生沉降，颗粒的分散性也不能较好地保证。而微米级aln颗粒由于价格合适，获得了更佳广泛的使用，但是微米级aln颗粒不仅存在团聚的问题，同时还具有比纳米级aln更容易沉降的问题，因此为了实现微米级aln颗粒对镁合金力学性能的有效提升，需要寻找一种工艺简单、成本低廉的方法来改善复合材料制备过程中的颗粒团聚问题，为镁基复合材料的发展提供技术支持。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的主要目的在于提供一种改善镁稀土基复合材料中微米级aln颗粒团聚的方法，旨在解决现有微米级aln颗粒容易在搅拌铸造过程中形成粗大的颗粒团聚、以及容易沉降到熔体底部的问题。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种改善镁稀土基复合材料中微米级aln颗粒团聚的方法，包括如下步骤：

4、1)aln/al复合粉末的制备：在纯氩气保护的手套箱里，将微米级aln颗粒与al粉在球磨机进行混合球磨，球磨完成后，采用铝箔包覆球磨后的混合材料，得aln/al复合粉末；

5、2)镁稀土基复合材料的熔炼铸造：在镁稀土基合金的半固态温区加入步骤1)获得的aln/al复合粉末，采用机械搅拌分散均匀，即得镁稀土基复合材料熔体；

6、3)将步骤2)中的镁稀土基复合材料熔体升温，保温静置后水冷，得到镁稀土基复合材料；

7、在某些具体的实施方式中，步骤1)中所述al粉与aln颗粒的质量比为(3-1):(1-3)，且所述al粉与aln颗粒的粒径为5-10μm。

8、在某些具体的实施方式中，所述镁稀土基复合材料中各组分的质量百分比含量为：97-99.9％的镁稀土基合金和0.1-3％的aln颗粒。

9、在某些具体的实施方式中，步骤1)中的球磨条件为：球料比为(10-20):1，转速为80-120rpm，运行时间为240～360min。

10、在某些具体的实施方式中，所述镁稀土基复合材料中al元素以al粉的形式加入。

11、在某些具体的实施方式中，步骤3)中，所述镁稀土基复合熔体的制备过程为：

12、31)在co2:sf6体积比为99:1的保护气氛中，将装有纯mg锭的坩埚放入电阻炉中，升温至720～740℃，直至完全熔化得镁熔体；

13、32)依次将mg-re中间合金、纯zn粒加入到镁熔体中，在720～740℃静置10～20min至合金完全熔化，刮除熔体表面浮渣，得mg-re-zn合金熔体；

14、33)将mg-re-zn合金熔体降温至半固态温区，将al/aln复合粉末加入到mg-re-zn合金熔体中，得到aln/mg-re-zn-al复合熔体；机械搅拌分散mg-re-zn-al合金熔体中的aln颗粒，得到镁稀土基复合熔体。

15、进一步的，步骤33)中，所述mg-re-zn-al合金熔体的温度为605-630℃，机械搅拌转速为100-500rpm，搅拌时间为5-10min。

16、在某些具体的实施方式中，还包括将al/aln复合粉末、纯mg锭、mg-re中间合金和纯zn粒进行预热，预热温度为150～200℃。

17、在某些具体的实施方式中，步骤4)中，所述镁稀土基复合熔体的保温温度为640-650℃，静置时间为2-5min。

18、与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

19、1)本发明所提供的改善镁稀土基复合材料中微米级aln颗粒团聚的方法，通过机械球磨法将al粉和aln颗粒进行均匀混合得到al/aln复合粉末，能够使较硬的aln陶瓷颗粒均匀地依附在较软的al粉上，从而在合金熔炼之前实现aln颗粒的预先分散，减小颗粒团聚的倾向；同时al与aln复合球磨后能明显减小aln颗粒的暴露面，减少表面气体与杂质的吸附，从而提高aln与熔体间的润湿性，进一步减少团聚的形成。另外，由于al的熔点低于熔体温度，而aln的熔点远高于740℃而不熔入基体，因此当al/aln复合粉末加入到镁稀土合金熔体中时，al粉会优先熔化，然后依附在al粉上的aln陶瓷颗粒会缓慢地原位释放到熔体中，并在外加机械搅拌的作用下进一步分散开来，进而达到均匀分散的目的；本申请中的方法相比直接添加aln颗粒，al/aln复合粉末的预分散效果能明显提升复合材料中aln颗粒的分散性，从而有效改善镁稀土基复合材料中aln颗粒团聚的问题，减小颗粒团聚对复合材料力学性能的影响。

20、2)本发明中通过采用通过将合金中的al粉代替al锭加入，同时将该al粉与aln颗粒进行机械球磨处理，使得aln颗粒预分散在al粉上，进而改变了aln颗粒的分散性，即本申请通过改变铝元素的加入形态，同时将al粉与aln颗粒预先形成复合粉末后加到mg-re-zn合金中，在不改变镁稀土基复合材料成分同时，大大改善了aln颗粒在镁稀土基合金中的分散性，大大提高了aln颗粒在镁稀土基合金中填充量。

21、3)本发明提供的方法工艺简单，通过改变al元素的加入形式，以及将其制备成复合粉末，再复合球磨和机械搅拌不仅有效减少aln颗粒的团聚，而且还有效地改善了微米级aln颗粒沉降的问题，提高了aln颗粒在镁稀土基合金在垂直方向上的均匀分布，即有效提高了镁稀土基复合材料的铸锭高度，使其适用于后续的挤压工艺，为复合材料的后续变形提供了保障，是适于商业化应用的技术手段。

技术特征：

1.一种改善镁稀土基复合材料中微米级aln颗粒团聚的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的改善镁稀土基复合材料中微米级aln颗粒团聚的方法，其特征在于，步骤1)中所述al粉与aln颗粒的质量比为(3-1):(1-3)，且所述al粉与aln颗粒的粒径为5-10μm。

3.根据权利要求1或2所述的改善镁稀土基复合材料中的微米级aln颗粒团聚的方法，其特征在于，所述镁稀土基复合材料中各组分的质量百分比含量为：97-99.9％的镁稀土基合金和0.1-3％的aln颗粒。

4.根据权利要求1所述的改善镁稀土基复合材料中微米级aln颗粒团聚的方法，其特征在于，步骤1)中的球磨条件为：球料比为(10-20):1，转速为80-120rpm，运行时间为240～360min。

5.根据权利要求1所述的改善镁稀土基复合材料中微米级aln颗粒团聚的方法，其特征在于，所述镁稀土基复合材料中al元素以al粉的形式加入。

6.根据权利要求5所述的改善镁稀土基复合材料中微米级aln颗粒团聚的方法，其特征在于，步骤3)中，所述镁稀土基复合熔体的制备过程为：

7.根据权利要求6所述的改善镁稀土基复合材料中微米级aln颗粒团聚的方法，其特征在于，步骤33)中，所述mg-re-zn-al合金熔体的温度为605-630℃，机械搅拌转速为100-500rpm，搅拌时间为5-10min。

8.根据权利要求7所述的改善镁稀土基复合材料中微米级aln颗粒团聚的方法，其特征在于，还包括将al/aln复合粉末、纯mg锭、mg-re中间合金和纯zn粒进行预热，预热温度为150～200℃。

9.根据权利要求1所述的改善镁稀土基复合材料中微米级aln颗粒团聚的方法，其特征在于，步骤4)中，所述镁稀土基复合熔体的保温温度为640-650℃，静置时间为2-5min。

技术总结
本发明公开了一种改善镁稀土基复合材料中微米级AlN颗粒团聚的方法，包括如下步骤：1)AlN/Al复合粉末的制备；2)在镁稀土基合金的半固态温区加入AlN/Al复合粉末，采用机械搅拌分散均匀，得镁稀土基复合材料熔体；3)将镁稀土基复合材料熔体升温，保温静置后水冷，得到镁稀土基复合材料。本发明的方法通过改变Al元素的加入形式，用Al粉代替Al锭，并将Al粉用于制备复合粉末实现AlN颗粒的预先分散，再结合机械搅拌不仅有效减少了AlN颗粒的团聚，还有效地改善了微米级AlN颗粒沉降的问题，提高了AlN颗粒在镁稀土基合金在垂直方向上的均匀分布，使其适用于后续的挤压工艺，为复合材料的后续变形提供了保障，是适于商业化应用的技术手段。

技术研发人员：杨鸿,谢文龙,蒋斌,罗小钧,周建新,陈功,高瑜阳,董志华,潘复生
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15