專利名稱：一種金屬間化合物超細(xì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于復(fù)合材料及其制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種金屬間化合物顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，尤其涉及一種經(jīng)復(fù)合球磨表面改性的金屬間化合物超細(xì)顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
鎂鋰基合金因具有超低的密度(I. 30g/CnTl. 60g/cm3)、較高的比強(qiáng)度和比剛度、優(yōu)良的減震性能以及抗高能粒子的穿透能力，作為無毒金屬材料中最輕的結(jié)構(gòu)金屬材料， 在航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。在二元鎂鋰合金中，隨著含Li量的增力口，合金組織發(fā)生a (hep) — α+β — β (bcc)轉(zhuǎn)變(如圖I所示)，合金的塑性變形能力得到顯著提高，其延伸率可達(dá)到40%以上，但由于合金強(qiáng)度偏低，抗蠕變性能較差，限制了鎂鋰基合金應(yīng)用范圍。復(fù)合強(qiáng)化則為進(jìn)一步提高鎂鋰基合金的力學(xué)性能提供了有效途徑。與鎂鋰基合金相比，復(fù)合材料不僅保留了基體合金的導(dǎo)電、導(dǎo)熱及優(yōu)良的冷、熱加工性能，而且集低密度、高比剛度、高比強(qiáng)度、良好的耐磨性、耐高溫性能、減震性能以及良好的阻尼性能和電磁屏蔽性能于一身，成為材料研究的熱點(diǎn)之一。如同其它復(fù)合材料，鎂鋰基復(fù)合材料的增強(qiáng)方式也主要有纖維增強(qiáng)、顆粒增強(qiáng)和晶須增強(qiáng)三種方式，增強(qiáng)體成分主要有SiC、B4C、Al203、TiC、B等。這些增強(qiáng)體既可以采用以顆粒、纖維或晶須形式單獨(dú)加入強(qiáng)化，也可以采用混合形式(例如SiC顆粒/Al2O3晶須混合)加入強(qiáng)化，并不同程度地提高了鎂鋰基合金的力學(xué)性能。但陶瓷材料復(fù)合強(qiáng)化也帶來了材料的塑性和韌性嚴(yán)重?fù)p傷的問題。從研究結(jié)果來看，鎂鋰基合金與陶瓷增強(qiáng)材料具有良好的潤(rùn)濕性和化學(xué)相容性能可形成較為理想的復(fù)合相界面，所以，材料的塑性及韌性的大幅度下降與陶瓷增強(qiáng)相的脆性密切相關(guān)。因此，選取既具有增強(qiáng)作用又具備一定的微應(yīng)變協(xié)調(diào)作用的材料作為鎂鋰基復(fù)合材料增強(qiáng)材料，對(duì)改善材料的綜合性能有著重要的意義。金屬間化合物因具有金屬的特性，如表現(xiàn)出金屬光澤、金屬導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性等，因而選擇金屬間化合物顆粒作為鎂鋰基復(fù)合材料的增強(qiáng)相，更容易獲取與鎂鋰基體具有良好的潤(rùn)濕性、化學(xué)相容性等適配的界面。而金屬間化合物所具有的較高比強(qiáng)度和比剛度，以及介于合金和陶瓷之間的高使用溫度，使其成為合金有效的增強(qiáng)相。另外，與陶瓷顆粒相比，金屬間化合物具有相對(duì)塑性，因而其在提高基體合金強(qiáng)度的同時(shí)，對(duì)合金基體的塑性損傷小于采用陶瓷增強(qiáng)相造成的損傷。以上所述為形成金屬間化合物顆粒增強(qiáng)鎂鋰基復(fù)合材料具有良好的綜合性能提供了基礎(chǔ)。申請(qǐng)?zhí)枮?00910082581. 7的專利文獻(xiàn)中提出了一種含稀土元素金屬間化合物超細(xì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，該復(fù)合材料采用O. 1 3μπι的金屬間化合物顆粒強(qiáng)化鎂鋰合金，其塑性得到較好的保持，其強(qiáng)度提高值在20% 40%。雖然在一定程度上提高了材料的綜合力學(xué)性能，由于顆粒尺寸較小，增強(qiáng)體較易發(fā)生團(tuán)聚，同時(shí)界面結(jié)合依然不能滿足對(duì)強(qiáng)度的需求，距離超輕、高強(qiáng)的目標(biāo)還有一定的差距，鎂鋰基復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能還有待于進(jìn)一步提聞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種金屬間化合物超細(xì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料及其制備方法，所述的制備方法包括復(fù)合球磨、粉末預(yù)壓和熔煉的步驟，解決了納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料在制備過程中產(chǎn)生的團(tuán)聚問題，有利于復(fù)合材料力學(xué)性能的提高和保持穩(wěn)定。所述的制備方法中將增強(qiáng)體顆粒和金屬添加物進(jìn)行復(fù)合球磨，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體顆粒的表面改性；將復(fù)合球磨后得到的復(fù)合粉末進(jìn)行預(yù)壓塊處理，形成復(fù)合粉末預(yù)壓塊。然后以增強(qiáng)體顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為金屬基復(fù)合材料的19Γ30%為參數(shù)，通過復(fù)合粉末預(yù)壓塊的方式在基體合金熔液中引入表面改性后的金屬間化合物顆粒增強(qiáng)體，在機(jī) 械攪拌和超聲攪拌輔助下熔煉，制備得到金屬間化合物超細(xì)顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料。本發(fā)明提供的金屬間化合物超細(xì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，以金屬間化合物超細(xì)顆粒為增強(qiáng)體，選取增強(qiáng)體的顆粒粒徑為O. 01 μ πΓ5 μ m,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1% 30%，優(yōu)選地，增強(qiáng)體顆粒的平均粒徑為O. 0Γ0. 5 μ m，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1^T20%。具體制備方法步驟如下第一步，將增強(qiáng)體顆粒和金屬添加物混合，作為混合粉末，將混合粉末在行星球磨機(jī)上進(jìn)行復(fù)合球磨形成復(fù)合粉末。所述金屬添加物可以為鎂粉或鋁粉，可以為鎂基的金屬屑或金屬粉末，也可以為鋁基的金屬屑或金屬粉末。由于Mg-Li合金較易被氧化，因此其粉末不適宜作為添加粉末，因此當(dāng)選用Mg-Li合金作為基體時(shí)，采用Mg粉末作為金屬添加物。金屬添加物的質(zhì)量與第三步中熔煉基體合金的質(zhì)量之和構(gòu)成了復(fù)合材料的基體總質(zhì)量。金屬添加物與增強(qiáng)體顆粒的質(zhì)量比為1:3到3: I。第二步，經(jīng)過復(fù)合球磨得到的復(fù)合粉末進(jìn)行預(yù)壓實(shí)，得到復(fù)合粉末預(yù)壓塊。這樣可以防止超細(xì)粉末增強(qiáng)體在加入基體合金的過程中引入過多的氣體雜質(zhì)及燃燒。預(yù)壓實(shí)的條件為壓力IMPa 20MPa，時(shí)間lOmin。第三步，按照復(fù)合材料中基體合金的成分要求，扣除金屬添加物所占元素比例，對(duì)剩余元素進(jìn)行配比然后進(jìn)行熔煉，然后向基體合金熔液中加入所述的復(fù)合粉末預(yù)壓塊，繼續(xù)熔煉，最后得到金屬間化合物超細(xì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，所述的金屬間化合物超細(xì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中增強(qiáng)體顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19^30%。熔煉過程中采用機(jī)械攪拌和超聲攪拌的輔助。所述的增強(qiáng)體可以為過渡族或稀土金屬間化合物，如YAl2或CeAl2金屬間化合物超細(xì)顆粒。所述的基體合金采用鎂基合金或鋁基合金，鎂基合金可以為含鋰的鎂合金如鎂鋰基合金，其鋰含量為O. Iwt% 40wt%。所述的鋁基合金可以為含鋰的鋁合金如鋰鋁合金，其鋰含量為O. Iwt % 15wt%。本發(fā)明利用了金屬間化合物所具有的高比強(qiáng)度、比剛度和超細(xì)顆粒的尺寸效應(yīng)等特性，制備出新型超細(xì)顆粒增強(qiáng)體，用于強(qiáng)化合金基體，同時(shí)利用了金屬間化合物兼具有的金屬鍵和共價(jià)鍵的特性，通過與金屬添加物(粉末或屑的狀態(tài))的復(fù)合球磨，在機(jī)械攪拌和超聲攪拌的輔助下，實(shí)現(xiàn)對(duì)增強(qiáng)體顆粒分散性、界面結(jié)合和界面性質(zhì)的改善，最終制備出了組織均勻，具有良好界面狀態(tài)的含稀土元素金屬間化合物超細(xì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。由于復(fù)合材料均勻性的提高和強(qiáng)化機(jī)制的改變，金屬間化合物超細(xì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料在強(qiáng)度上得到大幅提高，遠(yuǎn)高于普通顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，并且其塑性得到良好保持。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于 I、通過復(fù)合球磨工藝對(duì)金屬間化合物顆粒進(jìn)行表面改性，既提高增強(qiáng)體顆粒的表面活性，促進(jìn)增強(qiáng)體顆粒與基體間的潤(rùn)濕，又以包覆的方式改善了增強(qiáng)體顆粒的分散性。2、亞微米及納米顆粒增強(qiáng)體與常規(guī)尺寸增強(qiáng)體顆粒所帶來的強(qiáng)化機(jī)制不同，超細(xì)增強(qiáng)體顆粒的尺寸效應(yīng)使得復(fù)合材料的性能得到更為顯著的提高。3、將復(fù)合球磨后的粉末預(yù)壓成復(fù)合粉末預(yù)壓塊，在基體熔煉過程中以預(yù)壓塊的方式，將金屬間化合物顆粒引入到金屬基體中，隨后金屬添加物率先被熔化，從而使得增強(qiáng)體顆粒被較好的分散開，同時(shí)較好地提高了熔煉過程的可靠性和安全性。4、相比于已有的制備技術(shù)，經(jīng)過表面改性和預(yù)壓，機(jī)械攪拌及超聲輔助的新熔煉工藝制備的復(fù)合材料的強(qiáng)度和塑性都同時(shí)得到了有效提高。5、采用本發(fā)明提供的制備方法制備得到的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度相比于基體合金提高50% 250%，而延伸率降至7% 20%，塑性得到較好保持。


圖I是現(xiàn)有的二元Mg-Li合金相圖；圖2是本發(fā)明提供的金屬間化合物超細(xì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備方法流程圖；圖3是本發(fā)明制備的復(fù)合材料界面特征圖片；圖4是本發(fā)明制備的復(fù)合材料顯微組織形貌圖片；圖5是本發(fā)明制備過程中YA12/Mg復(fù)合球磨后顆粒形貌TEM圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明提供一種金屬間化合物超細(xì)顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料的制備方法，制備方法流程如圖2所示，具體如下(I)將增強(qiáng)體顆粒和金屬添加物混合形成混合粉末，將混合粉末在行星球磨機(jī)上進(jìn)行復(fù)合球磨，形成復(fù)合粉末。所述的增強(qiáng)體顆粒為金屬間化合物增強(qiáng)體顆粒，粒徑為O. 01 μ πΓ5 μ m，所述的金屬添加物可以由基體合金制備而成，也可以為鎂粉、鋁粉等純金屬屑或粉末。所述的金屬間化合物增強(qiáng)體顆粒可以是YAl2或CeAl2金屬間化合物等過渡族或稀土金屬間化合物。(2)復(fù)合粉末在IMPalOMPa條件下被預(yù)壓實(shí)，得到復(fù)合粉末預(yù)壓塊。所述的預(yù)壓實(shí)可以防止超細(xì)粉末加入過程中弓I入過多的氣體雜質(zhì)及燃燒。(3)復(fù)合粉末預(yù)壓塊在基體組分熔煉過程中加入到基體熔液里，并借助機(jī)械攪拌和超聲攪拌，熔煉過程中采用氬氣保護(hù)，制備得到金屬基復(fù)合材料。基體元素配比過程中考慮到金屬添加物中已經(jīng)存在的金屬元素，按照復(fù)合材料中基體合金的成分要求，扣除金屬添加物所占元素比例，對(duì)剩余元素進(jìn)行配比然后進(jìn)行熔煉，然后向基體熔液中加入預(yù)壓塊，制備得到的金屬基復(fù)合材料中增強(qiáng)體的質(zhì)量百分比為19Γ30%。所述的機(jī)械攪拌和超聲攪拌可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超細(xì)顆粒的有效分散，同時(shí)優(yōu)化界面結(jié)合，提高復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能。所述的基體為鎂基合金或鋁基合金。通過上述方法制備得到的金屬基復(fù)合材料，增強(qiáng)體顆粒粒徑為O. 01 μ πΓ5 μ m，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1% 30%，制備過程中，將改性后的超細(xì)顆粒增強(qiáng)體以復(fù)合粉末預(yù)壓塊的方式引入到基體熔液中，并且在熔煉過程中復(fù)合粉末預(yù)壓塊中的金屬添加物會(huì)優(yōu)先熔化，使得增強(qiáng)體顆粒得到很好的分散效果。對(duì)上述制備的金屬基復(fù)合材料進(jìn)行界面和性能分析可知，超細(xì)增強(qiáng)體顆粒在基體合金中呈均勻彌散的分布，同時(shí)增強(qiáng)體和基體間具有良好的界面結(jié)合效果，材料的抗拉強(qiáng)度得到有效提高，同時(shí)塑性得到較好的維持。下面通過實(shí)施例進(jìn)行具體的說明。實(shí)施例I 以制備重量2Kg的金屬間化合物超細(xì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料為例。YAl2金屬間化合物超細(xì)顆粒增強(qiáng)Mg-HLi-Al基復(fù)合材料，制備工藝如下I、按照Al含量37. 76wt%,剩余為Y配比YAl2合金原料，在1530°C溫度下熔鑄YAl2金屬間化合物塊體材料，機(jī)械粉碎后通過高能球磨法制備金屬間化合物超細(xì)顆粒，其中超細(xì)顆粒平均粒徑為5 μ m。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)的33. 3%鎂屑與66. 7%YA12復(fù)合球磨》ι(ΥΑ12為600g，Mg屑為300g)，得到復(fù)合粉末。2、球磨后的復(fù)合粉末在壓力為20MPa條件下進(jìn)行預(yù)壓實(shí)，作為復(fù)合粉末預(yù)壓塊。3、以復(fù)合粉末預(yù)壓塊的形式，在Mg-Li-Al合金熔液中加入YAl2超細(xì)顆粒，合金熔液的配比中Mg為890g，Li為224g，Al為16g，經(jīng)過攪拌鑄造，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%YA12增強(qiáng)Mg-HLi-Al基復(fù)合材料。復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，與基體合金相比，室溫拉伸強(qiáng)度由基體合金的122MPa提高至420MPa，強(qiáng)度值提高200%以上，而延伸率不低于7%，塑性得到較好保持。實(shí)施例2 以制備重量2Kg的復(fù)合材料為例。YAl2金屬間化合物超細(xì)顆粒增強(qiáng)Mg-HLi-Al基復(fù)合材料，制備工藝如下I、按照Al含量37. 76wt%,剩余為Y配比YAl2合金原料，在1530°C溫度下熔鑄YAl2金屬間化合物塊體材料，機(jī)械粉碎后通過高能球磨法制備金屬間化合物超細(xì)顆粒，其中超細(xì)顆粒平均粒徑為O. 01 μ m。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)66. 7%的鎂屑與33. 3%YA12粉末復(fù)合球磨2h(YAl2為20g，Mg為40g)，得到復(fù)合粉末。2、預(yù)壓實(shí)在壓力為2MPa條件下進(jìn)行預(yù)壓實(shí)lOmin，得到復(fù)合粉末預(yù)壓塊。3、在Mg-Li-Al合金熔液中加入復(fù)合粉末預(yù)壓塊，合金熔液的配比中Mg為1643g，Li為277. 2g，Al為19. 8g，經(jīng)過攪拌鑄造，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%YA12增強(qiáng)Mg_14Li_Al基復(fù)合材料。復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，金屬基復(fù)合材料的室溫拉伸強(qiáng)度由基體合金的`122MPa提高至320MPa，拉伸強(qiáng)度值提高160%以上，而延伸率由基體合金的20%降至18%，塑性得到較好保持。如圖3和圖4所示，復(fù)合材料的顯微組織中，YAl2顆粒較均勻的分布于晶內(nèi)和晶界處，沒有發(fā)生團(tuán)聚，復(fù)合材料界面特征為完美的直接結(jié)合界面，沒有界面反應(yīng)和界面脫粘現(xiàn)象。如圖5所示，球磨后的復(fù)合粉末透射形貌圖片表明，YAl2顆粒被Mg包覆良好，兩者之間具有良好的界面結(jié)合。實(shí)施例3 以制備重量2Kg的復(fù)合材料為例。YAl2金屬間化合物超細(xì)顆粒增強(qiáng)Mg-HLi-Al基復(fù)合材料，制備工藝如下I、按照Al含量37. 76wt%,剩余為Y配比YAl2合金原料，在1530°C溫度下熔鑄YAl2金屬間化合物塊體材料，機(jī)械粉碎后通過高能球磨法制備金屬間化合物超細(xì)顆粒，其中超細(xì)顆粒平均粒徑為O. I μ m。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)66. 7%的鎂屑與33. 3%YA12粉末復(fù)合球磨2h (YAl2為20g，Mg為40g)，得到復(fù)合粉末。2、預(yù)壓實(shí)在壓力為2MPa條件下進(jìn)行預(yù)壓實(shí)lOmin，得到復(fù)合粉末預(yù)壓塊。
·
3、在Mg-Li-Al合金熔液中加入復(fù)合粉末預(yù)壓塊，合金熔液的配比中Mg為1643g，Li為277. 2g，Al為19. 8g，經(jīng)過攪拌鑄造，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%YA12增強(qiáng)Mg_14Li_Al基復(fù)合材料。復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，金屬基復(fù)合材料的室溫拉伸強(qiáng)度由基體合金的122MPa提高至270MPa，拉伸強(qiáng)度值提高120%以上，而延伸率由基體合金的20%降至17%，塑性得到較好保持。實(shí)施例4 以制備重量2Kg的金屬間化合物超細(xì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料為例。YAl2金屬間化合物超細(xì)顆粒增強(qiáng)Mg-14Li_3Al基復(fù)合材料，制備工藝如下I、按照Al含量37. 76wt%,剩余為Y配比YAl2合金原料，在1530°C溫度下熔鑄YAl2金屬間化合物塊體材料，機(jī)械粉碎后通過高能球磨法制備金屬間化合物超細(xì)顆粒，其中超細(xì)顆粒平均粒徑為3 μ m。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)66. 7% 的 Al3Mg2 粉與 33. 3%YA12 復(fù)合球磨 2h (YAl2 為 20g，Al3Mg2 粉為40g)，得到復(fù)合粉末。2、球磨后的復(fù)合粉末在壓力為20MPa下進(jìn)行預(yù)壓實(shí)，得到復(fù)合粉末預(yù)壓塊。3、扣除Al3Mg2粉元素的量后配比Mg-Li-Al合金組分，在Mg-Li-Al合金熔液中加入復(fù)合粉末預(yù)壓塊，合金熔液的配比中Mg為1630. Ig, Li為277. 2g，Al為32. 7g，經(jīng)過機(jī)械攪拌和超聲攪拌輔助熔煉，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%YA12增強(qiáng)Mg-14Li-3Al基復(fù)合材料。復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，與基體合金相比，室溫拉伸強(qiáng)度由基體合金的122MPa提高至180MPa，強(qiáng)度值提高50%，而延伸率不低于16%，塑性得到較好保持。實(shí)施例5 CeAl2金屬間化合物超細(xì)顆粒增強(qiáng)Mg_40Li基復(fù)合材料,制備工藝如下I、按照Al含量27. 78wt%，剩余為Ce配比CeAl2合金原料，在1500°C溫度下熔鑄CeAl2金屬間化合物塊體材料，機(jī)械粉碎后通過高能球磨法制備金屬間化合物超細(xì)顆粒，其中超細(xì)顆粒平均粒徑為I μ m。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%的鎂屑與75%CeAl2復(fù)合球磨2h (CeAl2為300g，Mg為100g)，球
磨后得到復(fù)合粉末。
2、預(yù)壓實(shí)球磨后的復(fù)合粉末在壓力為IMPa條件下進(jìn)行預(yù)壓實(shí)，得到復(fù)合粉末預(yù)壓塊。3、以預(yù)壓實(shí)復(fù)合粉末預(yù)壓塊的形式，在Mg-Li合金熔液中加入CeAl2超細(xì)顆粒，合金熔液的配比中Mg為920g，Li為680g，經(jīng)過攪拌鑄造，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%CeAl2增強(qiáng)Mg-40Li基復(fù)合材料。復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，室溫拉伸強(qiáng)度由基體合金的70MPa提高至180MPa，強(qiáng)度值提高150%以上，而延伸率不低于20%。實(shí)施例6 YAl2金屬間化合物超細(xì)顆粒增強(qiáng)Al-Cu-Li基復(fù)合材料，制備工藝如下 I、按照Al含量37. 76wt%,剩余為Y配比YAl2合金原料，在1530°C溫度下熔鑄YAl2金屬間化合物塊體材料，機(jī)械粉碎后通過高能球磨法制備金屬間化合物超細(xì)顆粒，其中超細(xì)顆粒平均粒徑為O. 5 μ m。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)66. 7%的Al2Cu粉與33. 3%YA12復(fù)合球磨40h (YAl2為20g，Al2Cu粉為40g)，得到復(fù)合粉末。2、預(yù)壓實(shí)在壓力為20MPa條件下對(duì)復(fù)合粉末進(jìn)行預(yù)壓實(shí)，得到復(fù)合粉末預(yù)壓塊。3、以預(yù)壓實(shí)復(fù)合粉末預(yù)壓塊的形式，在Al-Cu-Li-Zr-Mn合金熔液中加入YAl2超細(xì)顆粒，合金熔液的配比中Al為1873. 3g，Li為27. 9g，Cu為33. Ig, Zr為2. 4g，Mn為3. 3g，經(jīng)過攪拌鑄造，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%YA12增強(qiáng)Al-2. 68Cu-l. 41Li_0. 12Zr_0. 17Mn基復(fù)合材料。對(duì)制備得到的復(fù)合材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，室溫拉伸強(qiáng)度由基體合金的206MPa提高至460MPa，強(qiáng)度值提高120%以上，延伸率由基體合金的17%降至15%，塑性得到良好保持。金屬間化合物具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，可以作為增強(qiáng)材料有效增強(qiáng)鎂鋰基合金、含鋰鋁合金和鋁合金；與陶瓷相比，從鍵合作用的角度來看金屬間化合物以金屬鍵為主，而陶瓷以共價(jià)鍵為主，因此金屬間化合物顆粒與基體合金將可能具有更好的潤(rùn)濕性。同時(shí)，金屬間化合物中的Y、Ce、Al等元素的擴(kuò)散將有利于改善顆粒增強(qiáng)體與合金基體的潤(rùn)濕性；A1元素的擴(kuò)散將進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度，Y、Ce等稀土元素的擴(kuò)散將有助于細(xì)化和變質(zhì)組織，提高合金的力學(xué)性能和合金抗氧化和蠕變性能；更重要的是，金屬間化合物較陶瓷材料有較好的塑性，將金屬間化合物顆粒用于增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，有利于改善變形條件下增強(qiáng)顆粒與基體界面形變的協(xié)調(diào)性，以提高材料裂紋起裂及擴(kuò)展的阻滯作用，從而在材料強(qiáng)韌性綜合性能提高上有較明顯的優(yōu)勢(shì)。采用超細(xì)顆粒作為增強(qiáng)體后，其增強(qiáng)機(jī)制發(fā)生了較大變化，從而大幅度提高了以抗拉強(qiáng)度為代表的材料的力學(xué)性能。普通顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制主要以載荷傳遞為主，而超細(xì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料大大增強(qiáng)了其彌散強(qiáng)化作用，同時(shí)，由于顆粒變細(xì)，表面活性增大，因此其與基體的界面結(jié)合牢固，這將使顆粒自身發(fā)揮更高的承載能力。因此，基體與顆粒界面結(jié)合良好，顆粒彌散強(qiáng)化，宏觀組織均勻等因素是超細(xì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料高強(qiáng)度和高塑性的主要原因。根據(jù)稀土元素性質(zhì)上的相似性，所述的增強(qiáng)體還可以是Sc-Al系金屬間化合物、La-Al系金屬間化合物等，應(yīng)用上述的稀土金屬間化合物超細(xì)顆粒進(jìn)行增強(qiáng)制備的復(fù)合材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，可以在航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種金屬間化合物超細(xì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟 第一步，將增強(qiáng)體顆粒和金屬添加物混合后，在球磨機(jī)上進(jìn)行復(fù)合球磨，形成復(fù)合粉末；增強(qiáng)體顆粒的尺寸為O. Ol μ πΓ5 μ m ; 第二步，對(duì)經(jīng)過混合球磨得到的復(fù)合粉末進(jìn)行預(yù)壓實(shí)，得到復(fù)合粉末預(yù)壓塊； 第三步，按照復(fù)合材料中基體合金的成分要求，扣除金屬添加物所占元素比例，對(duì)剩余元素進(jìn)行配比然后進(jìn)行熔煉，然后向基體合金熔液中加入所述的復(fù)合粉末預(yù)壓塊，繼續(xù)熔煉，最后得到金屬間化合物超細(xì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，所述的金屬間化合物超細(xì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中增強(qiáng)體顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19Γ30%。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于所述的增強(qiáng)體為YAl2或CeAl2金屬間化合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于所述的基體為鎂基合金或鋁基合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于所述的鎂基合金為含鋰的鎂合金，其中鋰含量為O. Iwt % ^40wt% ;所述的鋁基合金為含鋰的鋁合金，其中鋰含量為O. Iwt % 15wt% ο
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于所述金屬添加物為鎂基的金屬屑或金屬粉末、鋁基的金屬屑或金屬粉末。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于第一步中金屬添加物與增強(qiáng)體顆粒的質(zhì)量比為1:3到3: I。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于第二步中進(jìn)行預(yù)壓實(shí)的壓力為IMPa 20MPa。
8.一種金屬間化合物超細(xì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，其特征在于所述的復(fù)合材料中基體為鎂基合金或鋁基合金，增強(qiáng)體為YAl2或CeAl2金屬間化合物，增強(qiáng)體顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1% 30%，增強(qiáng)體顆粒的尺寸為O. 01 μ πΓ5 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的金屬間化合物超細(xì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，其特征在于所述的增強(qiáng)體平均粒徑為O. 01、. 5 μ m，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1% 20%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬間化合物超細(xì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料及其制備方法，金屬間化合物增強(qiáng)體顆粒粒徑為0.01μm~5μm，增強(qiáng)體顆粒先與金屬添加物混合球磨，得到復(fù)合粉末進(jìn)行預(yù)壓實(shí)得到預(yù)壓塊，將預(yù)壓塊加入基體合金的熔體中進(jìn)行共同熔煉，在攪拌熔煉系統(tǒng)下制備超細(xì)金屬間化合物顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料，其中增強(qiáng)體顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%~30%。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)增強(qiáng)體顆粒分散性、界面結(jié)合和界面性質(zhì)的明顯改善。復(fù)合材料較普通顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，在強(qiáng)度上有大幅提高，并且其塑性得到良好保持。
文檔編號(hào)C22C21/00GK102912159SQ201210414648
公開日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月25日
發(fā)明者張清清, 吳國(guó)清, 劉畢勝 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué), 江蘇艾特馬新材料科技有限公司