專利名稱：鐵顆粒增強(qiáng)的鎂基非晶態(tài)合金復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鎂合金制備技術(shù)，具體為一種塑性Fe顆粒增強(qiáng)的鎂基非晶態(tài)合金 復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
非晶態(tài)金屬材料由于其獨特的原子排布結(jié)構(gòu)，即長程無序而短程有序，使其
具有了優(yōu)異的使用性能，例如高強(qiáng)度，高彈性極限以及良好的耐腐蝕性能等等。 而鎂基非晶態(tài)合金由于其高比強(qiáng)度、易于回收利用等獨特的優(yōu)勢成為極具應(yīng)用前 景的新型工程材料。另外，中國具有豐富的鎂資源，更使得開發(fā)和研究鎂基非晶 態(tài)金屬材料具有現(xiàn)實意義。
但是，非晶態(tài)合金的變形是一種高度局域化的變形。主要的變形量集中在有 限的幾條剪切帶內(nèi)。雖然剪切帶內(nèi)的相對變形量可以很大，但非晶態(tài)合金整體的 塑性變形量卻非常有限。總體來說，非晶態(tài)合金是一種脆性材料。而鎂基非晶態(tài) 合金則是最脆的幾種非晶態(tài)合金之一，其斷裂方式可被認(rèn)為是一種典型的脆性斷 裂。這種本征脆性極大地限制了鎂基非晶態(tài)合金的實際應(yīng)用。
為了改善非晶態(tài)合金的塑韌性能，人們發(fā)展了各種非晶態(tài)合金復(fù)合材料。各 種含有內(nèi)生析出相或外加顆粒和纖維糊隔態(tài)合金復(fù)合材料都表現(xiàn)出了一定的塑 性。目前，增強(qiáng)鎂基非晶態(tài)合金的主要方法是內(nèi)生析出韌性相或通過添加高硬度 的陶，粒來阻礙剪切帶的擴(kuò)展以提高其塑性。但是，由于內(nèi)生析出相的尺寸有 限，或者是陶娜粒的本征脆性，這些方法X寸剪切帶的阻礙作用非常有限。通過 這些方法制備的鎂基非晶態(tài)合金復(fù)合材料的室溫壓縮塑性變形量僅有1% ~ 3%。 為了能夠使鎂基非晶態(tài)合金成為一種實用的工程材料，迫切要求尋找更加有效的 強(qiáng)化手段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種塑性Fe顆粒增強(qiáng)的鎂基非晶態(tài)合金復(fù)合材料及 其制備方法，解決鎂基非晶態(tài)合金脆性大、易出現(xiàn)脆性斷裂等問題，最終獲得高 強(qiáng)度、高塑性變形能力的鎂基非晶態(tài)合金復(fù)合材料。 本發(fā)明的技術(shù)方案是
本發(fā)明提供了一種塑性鄉(xiāng)粒增強(qiáng)的鎂基非晶態(tài)合金復(fù)合材料，該復(fù)合材料
的成分為Mg65Cu2oAg5Gd1() (at. %)與Fe顆粒復(fù)合，F(xiàn)e顆粒的體積百分?jǐn)?shù)Vf為4%
8%, Fe顆粒的粒度為20 50(jm。
本發(fā)明還提供了，塑性Fe顆粒增強(qiáng)的鎂基非晶態(tài)合金復(fù)合材料的制備方 法，具體步驟如下
(1) 將Cu， Ag和Gd (重量純度>99.9%)三種元素按成分配比稱量混合后， 在惰性氣體氣氛中電弧熔煉帝喊中間合金；
(2) 再將中間合金與Mg混合后，在惰性氣體氣氛中感應(yīng)熔煉制成 Mg65Cu20Ag5Gd10 (at. %)合金；
(3) 在惰性氣體氣氛中，將不同體積百分?jǐn)?shù)的Fe顆粒與Mg65Cu2oAg5Gd1() 合金液混合，并電磁攪拌以得到混合均勻的復(fù)合材料，制成復(fù)合材料合金錠；
(4) 將復(fù)合材料合金錠在惰性氣體氣氛中感應(yīng)熔化，并噴鑄到銅模中獲得鐵 顆粒增強(qiáng)的鎂基非晶態(tài)合金復(fù)合材料。
本發(fā)明中所制備的鎂基非晶態(tài)合金復(fù)合材料經(jīng)X射線衍射(XRD)和差熱分 析(DSC)證實，所獲得的非晶態(tài)合金復(fù)合材料樣品具有典型的非晶態(tài)合金的特 征。Fe顆粒的加入既沒有損害非晶態(tài)合金基體的形成能力，也沒有改變其熱力學(xué) 行為。經(jīng)OT直徑為2mm的復(fù)合材料樣品進(jìn)行應(yīng)變速率為2xl0"4 s—1的室溫壓縮 試驗，并利用掃描電鏡(SEM)對壓縮斷裂后的試樣進(jìn)行觀察。
性能指標(biāo)為
Fe顆粒的體積百分?jǐn)?shù)V產(chǎn)4%時， 屈月艮強(qiáng)度ay = 855±40MPa; 塑性變形量Splastic=2±l%。 Fe顆粒的體積百分?jǐn)?shù)V產(chǎn)6%時， 屈服強(qiáng)度。,875士40MPa; 塑性變形量Splastic=3±2%。 Fe顆粒的體積百分?jǐn)?shù)V尸8%時， 屈服強(qiáng)度ay = 890±30MPa;
塑性變形量￡plastic=4±2%。 本發(fā)明具有以下優(yōu)點
1、本發(fā)明采用的鎂基非晶態(tài)合金為Mg65Cu2oAg5GdK)(at.。/。)， Fe顆粒的體積
百分?jǐn)?shù)為4%~8%。 Fe顆粒的加入不改變非晶態(tài)合金基體的形成能力，保留了其 高比強(qiáng)度的優(yōu)點。鎂基非晶態(tài)合金和一定含量的Fe顆粒二者配合使用后，與典型 非晶態(tài)合金相比，F(xiàn)e顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料具有更高的強(qiáng)度和塑性變形能力。
2、本發(fā)明采用了電弧熔煉制備中間合金、感應(yīng)熔煉制備鎂基非晶態(tài)合金、 Fe顆粒與鎂基非晶態(tài)合金液電磁攪拌混合、感應(yīng)熔化噴鑄到銅模中等歩驟組合， 即可獲得非晶態(tài)合金復(fù)合材料，制備工藝簡單。


圖1為復(fù)合材料的SEM顯微照片。
圖2為鎂基非晶態(tài)合金以及Fe顆粒增強(qiáng)的鎂基非晶態(tài)合金復(fù)合材料的室纟^E 縮斷裂曲線。
圖3為復(fù)合t才茅斗斷裂后的i式樣表面SEM照片。
具體實施例方式
以下通過實施例詳述本發(fā)明。
本發(fā)明按如下方法制備塑性娜粒增強(qiáng)的鎂基非晶態(tài)合金復(fù)合材料
將Cu， Ag和Gd (重量純度>99.9%)三種元素按成分配比稱量混合后，在 惰性氣體氣氛中采用常規(guī)電弧熔煉制成中間合金；再將中間合金與Mg混合后，
在惰性氣體氣氛中采用常規(guī)感應(yīng)熔煉制成Mg65Cli2oAg5GdK) (at %)合金;在惰性氣
體氣氛中，將不同體積百分?jǐn)?shù)的Fe顆粒(粒度為20 50阿)與Mg65Cu20Ag5Gd10 合金液混合，并采用常規(guī)電磁攪拌以得到混合均勻的復(fù)合材料，制成復(fù)合材料合 金錠；將復(fù)合材料合金錠在惰性氣體氣氛中采用常規(guī)感應(yīng)熔化，并噴鑄到銅模中 獲得Fe顆粒增強(qiáng)的,錢非晶態(tài)合金復(fù)合材料，本實施例情性氣體采用氬氣。銅模 澆鑄具體工藝參數(shù)如下銅模噴鑄在真空度為10—3Pa、溫度為700°C的條件下進(jìn) 行。復(fù)合材料的SEM顯微照片如圖1所示，從圖中可以看出塑性的Fe顆粒有 效地阻礙了剪切帶的運動與擴(kuò)展。通過自身的均勻變形，F(xiàn)e顆?？梢杂行У匚?剪切帶所帶來的不均勻應(yīng)變并有效促進(jìn)了二次剪切帶的萌生與分岔，使得變形更 加均勻地分布在整^i式樣上，從而賦予了試樣良好的塑性變形能力。 實施例1
當(dāng)在Mg65Cu2oAg5Gd1()合金中加入Vf = 4%的Fe顆粒時，其室MBE縮斷裂曲 線見圖2中的曲線2:
屈服強(qiáng)度ciy=880MPa;
塑性變形量％流=3%。
實施例2
當(dāng)在Mg65Cu2oAg5Gd1()合金中加入Vf = 6%的Fe顆粒時，其室^E縮斷裂的 技術(shù)指標(biāo)如下
屈服強(qiáng)度cry = 890MPa;
塑性變形量％*=4%。
實施例3
當(dāng)在Mg65Cu2oAg5Gd,。合金中加入Vf = 8%的Fe顆粒時，其室^E縮斷裂曲 線見圖2中的曲線3:
屈服強(qiáng)度(Jy=900MPa;
塑性變形量Splastic=4.2%。
如圖3所示，(a)- (d)分別表示復(fù)合材料斷裂后的不同放大倍數(shù)的試樣表面 SEM照片。在Fe顆粒增強(qiáng)的Mg基非晶合金復(fù)合材料中剪切帶也出現(xiàn)了被阻礙、 繞過或直接切入Fe顆粒盼瞎況。由于剪切帶的運動受到干擾，主剪切帶發(fā)生了 明顯的分岔，二次剪切帶大量出現(xiàn)并不斷發(fā)展，使得變形更均勻的分布在了整個 試樣上。如圖3(c)和Cd:)所示，試樣變形過程中Fe顆粒本身也發(fā)生了塑性變形，將 載荷均勻分布到了顆粒周圍的基體上，使得二次剪切帶的萌生位置大大增加。
相關(guān)比較例1
單相鎂基非晶態(tài)合金[H. Men, D.H. Kim， J. Mater. Res. 18 (2003) 1502]。該材料 的屈服強(qiáng)度約800MPa，塑性變形量為0，其室溫壓縮斷裂曲線見圖2中的曲線1。 相關(guān)比較例2
含有內(nèi)生析出相oc-Fe的鎂基非晶復(fù)合材料[H. Ma^ J. Xu, and E. Appl. Phys丄ett. 83,2793(2003)]。該復(fù)合材料屈服強(qiáng)度接近lGPa，塑性變形量約為1%。 相關(guān)比較例3
用TiB陶，粒增強(qiáng)的鎂基非晶復(fù)合材料[YK. Xu, H. Ma^ J. Xu, E. Ma, Acta. Mater. 53, 1857(2005)]。該復(fù)合材料屈服強(qiáng)度接近1.3GPa，塑性變形量約為1% 3%。
從實施例l-3可以看出，F(xiàn)e顆粒的體積百分?jǐn)?shù)Vf為4e/。 8y。時，在保持非晶 態(tài)合金形成能力不變的條件下，可明顯提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和塑性；與傳統(tǒng)的非 晶態(tài)合金相比，該復(fù)合材料的塑性指標(biāo)有了明顯的上升，克服了典型非晶態(tài)合金 脆性斷裂的缺點。
權(quán)利要求
1、一種鐵顆粒增強(qiáng)的鎂基非晶態(tài)合金復(fù)合材料，其特征在于該復(fù)合材料的成分為Mg65Cu20Ag5Gd10與Fe顆粒復(fù)合，F(xiàn)e顆粒的體積百分?jǐn)?shù)為4％～8％，其中Mg65Cu20Ag5Gd10為原子百分比。
2、 按照權(quán)利要求1所述的，粒增強(qiáng)的鎂基非晶態(tài)合金復(fù)合材料，其特征在 于Fe顆粒的粒度為20 50iam。
3、 按照權(quán)利要求1所述的，粒增強(qiáng)的鎂基非晶態(tài)合金復(fù)合材料的制備方 法，其特征在于具體步驟如下(1) 將Cu， Ag和Gd三種元素按成分配比稱量混合后，在惰性氣體氣氛中， 電弧熔煉制成中間合金；(2) 再將中間合金與Mg混合后，在惰性氣體氣氛中，感應(yīng)熔煉制成Mg65CU2oAg5Gdw合金；(3) 在惰性氣體氣氛中，將不同體積百分?jǐn)?shù)的Fe顆粒與Mg65Cu2oAg5Gd1() 合金液混合，并電磁攪拌以得到混合均勻的復(fù)合材料，制成復(fù)合材料合金錠；(4) 將復(fù)合材料合金錠在惰性氣體氣氛中感應(yīng)熔化，并噴鑄到銅模中獲得 Fe顆粒增強(qiáng)的鎂基非晶態(tài)合金復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及鎂合金制備技術(shù)，具體為一種塑性Fe顆粒增強(qiáng)的鎂基非晶態(tài)合金復(fù)合材料及其制備方法，解決鎂基非晶態(tài)合金脆性大、易出現(xiàn)脆性斷裂等問題，最終獲得高強(qiáng)度、高塑性變形能力的鎂基非晶態(tài)合金復(fù)合材料。該復(fù)合材料的基體成分為Mg₆₅Cu₂₀Ag₅Gd₁₀(at.％)，通過在合金熔煉過程中加入不同體積百分?jǐn)?shù)的Fe顆粒，在保持非晶態(tài)合金形成能力不變的條件下，可明顯提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和塑性；該復(fù)合材料可通過感應(yīng)熔煉和銅模澆鑄的方法制備。與傳統(tǒng)的非晶態(tài)合金相比，該復(fù)合材料的塑性指標(biāo)有了明顯的上升，克服了典型非晶態(tài)合金脆性斷裂的缺點，具有一定的實用價值。
文檔編號C22C45/00GK101348889SQ20071001216
公開日2009年1月21日 申請日期2007年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月18日
發(fā)明者丁炳哲, 張海峰, 宏 李, 潘大剛, 王愛民, 胡壯麒 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所