[发明专利]原位Mg2Si颗粒增强金属基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属基复合材料领域，涉及一种原位自生Mg₂Si颗粒增强金属基复合 材料的制备方法，特别是一种利用重熔等温处理和流变铸造来制备原位自生Mg₂Si颗 粒增强铝合金、镁合金和锌铝合金基复合材料的工艺。

技术背景

颗粒增强金属基复合材料具有制备工艺简单、成本低廉、易近终成型、易机械加 工等特点，目前已成为科研工作者的研究热点之一。颗粒增强金属基复合材料的制备 方法从增强体引入基体的方式来划分可以分为外加和原位合成法两大类。其中原位合 成有着增强相细小、分布均匀、界面无污染、结合良好等优点，而且材料性能优越， 是目前研究的热点和重点。众所周知，在熔铸过程中很容易形成Mg₂Si金属间化合物。 Mg₂Si具有高熔点(1085℃)，低密度(1.99×10³kg/m³)，高硬度(4.5×10⁹N/m²)，低热 膨胀系数(7.5×10^-6/K)和高弹性模量(120GPa)，非常适合作为金属基复合材料的增 强体，尤其与现有的外加陶瓷颗粒增强体SiC，TiC，TiB₂，Al₂O₃等增强相相比，Mg₂Si 增强相是在凝固过程中原位生成的热力学稳定相，故与基体相容性好、界面干净、结 合牢固，热稳定性好，增强体分布均匀，同时制造工艺简单、成本低廉，有着巨大的 市场潜力和广泛的应用前景。但目前限制这种材料推广应用的关键是室温脆性。作为 初生相形成的Mg₂Si金属间化合物一般比较粗大，多呈尖角状，割裂基体，降低性能。 改变基体及增强体的形态、尺寸和分布，控制复合材料的凝固、加工和成形过程，提 高其强韧性就成为当前急需解决的首要问题。

国内外学者开发了许多制备Mg₂Si的方法，如机械合金化、粉末冶金、热挤出和 快速凝固等可制备超细、稳定的Mg₂Si颗粒统一分布来弥散强化形成合金，但成本较 高，难以直接生产出块体材料，仅用于实验研究(H.Z.Ye，X.Y.Liu.Review of recent studies in magnesium matrix composites.Journal of Materials Science.2004(39)： 6153-6171.)。用传统熔炼铸造方法结合变质处理来制备Mg₂Si粒增强合金材料，工艺 简单，造价低，更加适用于实际生产。复合材料变质主要是通过在制备或者熔炼过程 中向复合材料中加入某种合金元素或者盐类化合物等作为变质剂，从而改变复合材料 增强体的形态、分布、体积分数或者基体的组织特征。变质是改变合金材料组织的一 种简单，有效的方法。目前国际上采用的变质剂/元素主要包括：P、Sb、Ca、混合盐、 Li、稀土(Y、Ce等)等，中国专利97119072.0介绍的就是此类方法。中国专利 200480029270.X描述了一种采用触变模塑的方法，制备至少2％体积含量的Mg₂Si的镁 基复合材料，但该方法需要专门的触变成形机器，该设备非常昂贵，大大提高该类复 合材料的制备成本。

原位Mg₂Si颗粒增强金属基复合材料日益受到国内外学者的关注，但目前的研究 还有如下不足：(1)虽然现有方法或工艺都能很好地控制Mg₂Si的尺寸和分布，但Mg₂Si 形态仍为颗粒状，多呈尖角状，割裂基体。因此目前的研究成果尚未从根本上解决此 种材料的脆性问题；(2)目前的研究焦点只落在对Mg₂Si的变质，但基体组织通常为 常规组织组织，不利于改善复合材料的塑性，非常有必要对基体晶粒的尺寸和形态进 行控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种原位Mg₂Si颗粒增强金属基复 合材料的制备方法，实现Mg₂Si与初生固相晶粒的双重球化。球状、细小的Mg₂Si减小 了对基体的割裂，是复合材料理想的增强体，而球状的初生固相则是复合材料很好的 增韧体，为该类复合材料的强韧化开辟一条新途径。

本发明是通过以下工艺步骤实现的。

(1)半固态中间体的制备；