[发明专利]一种原位自生高强耐热Mg‑Gd基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种镁基复合材料及其制备方法，具体地说，涉及的是一种原位自生高强耐热Mg-Gd基复合材料及其制备方法，属于金属基复合材料技术领域。

背景技术

镁合金具有密度小、比强度高、比弹性模量高等优点，将镁合金应用于航天器和汽车等交通工具，使其轻量化具有重要意义。然而，镁合金的强度和耐热性能较低，极大的限制了其应用范围。实践表明，在镁合金中引入高强度的纤维、晶须或颗粒、金属间化合物等形成镁基复合材料，可有效提高合金的强度和耐热性能。通常，制备镁基复合材料过程中，引入增强相的方法有两种，一种是外加法，另一种是原位自生法。外加法引入增强相存在不足之处，比如界面结合问题、颗粒分布不均匀等。相比之下，原位自生法制备复合材料具有界面结合性好，分布均匀，不易引入外加污染，节约成本等特点，是制备镁基复合材料的理想方法。

经对现有技术的文献检索发现，张荻的三项专利（CN100491566C、CN100552072C、CN100595007C）以及刘英的专利（CN102041424B）采用原位自生法制备了镁基复合材料，然而其所制备的镁基复合材料中，或者基体需要Al元素，或者添加原料含有Al元素。由于Al元素与稀土RE会发生反应，使稀土RE元素损耗，因而张荻和刘英的专利只适用于Mg-Al系合金，而不能应用于高强度Mg-RE系合金，限制了其专利技术的应用范围。此外，刘辉晖的专利（CN102127668Ｂ）也采用了原位自生法制备了镁基复合材料，然而其所用原料ZrO₂、ZnO、NiO或MnO₂，会优先于Mg与稀土RE发生反应，而不形成MgO和相应金属间化合物使其专利技术对于Mg-RE合金失效。因此，刘辉晖的专利技术主要适用于纯镁，亦不适用于Mg-RE稀土合金。相对于纯镁和Mg-Al合金，Mg-RE稀土合金有着更高的强度和耐热性能。在Mg-RE稀土合金基础上，引入增强相，可进一步提高稀土合金的强度和耐热性能，满足航空航天领域对高性能镁合金材料日益苛刻要求。

因此，在Mg-RE稀土镁合金基础上，采用原位自生法开发新型高强耐热镁基复合材料，进一步提高镁合金的强度和耐热性能，是镁合金复合材料领域需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种原位自生高强耐热Mg-Gd基复合材料及其制备方法，实现合金设计与铸造法相结合，获得原位自生金属间化合物增强体，进一步提高镁合金的强度和耐热性能，使之更好满足航空航天、国防军工等领域对高性能镁合金材料的需求。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种原位自生高强耐热Mg-Gd基复合材料，其特征在于：是由Mg-Gd合金基体和GdErNiNdMg金属间化合物增强体共同构成，其中：Mg-Gd基体的体积百分比含量为50%～70%，GdErNiNdMg金属间化合物增强体的体积百分含量为30%～50%，所述Mg-Gd基体中Gd含量重量百分数为8%～10%。

所述原位自生高强耐热Mg-Gd基复合材料，其重量百分数组成为9～15%Gd，1%Er，2.2～3.9%Ni，2.1～4.3%Nd，其余为Mg。

一种原位自生高强耐热Mg-Gd基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步、按照成分9～15%Gd，1%Er，2.2～3.9%Ni，2.1～4.3%Nd，其余为Mg，准备原料；

第二步、将第一步的原料放入石墨坩埚中，采用高频感应加热炉熔炼，高频感应加热电流控制在150至400安培，实现对原料充分熔化并均匀化；

第三步、将第二步得到的熔体，在氩气保护下，浇注于钢模中，获得原位自生GdErNiNdMg金属间化合物复合材料母锭；

第四步、将第三步得到的原位自生复合材料母锭，在氩气保护下，在500℃保温20小时之后，将原位自生复合材料母锭置于空气中冷却，最终获得高强耐热Mg-Gd基复合材料。

本发明第一步中，所述Mg、Gd、Er、Ni和Nd原料纯度均为99％以上。

本发明第二步中，所述熔炼过程时间为120分钟：前30分钟电流为150安培，之后45分钟电流为400安培，最后45分钟电流为250安培。

本发明第二步中，所述熔炼过程在密封腔室中进行，使用石墨坩埚，气氛为纯度大于99.99%的纯氩气氛，气氛压力为1个大气压。

本发明第三步中，所述钢模的型腔尺寸为长130mm、宽20mm、高40mm，所述氩气纯度大于99.9%。