一種原位自生高強(qiáng)耐熱Mg-Gd基復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鎂基復(fù)合材料及其制備方法，具體地說，涉及的是一種原位自生 高強(qiáng)耐熱Mg-Gd基復(fù)合材料及其制備方法，屬于金屬基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 鎂合金具有密度小、比強(qiáng)度高、比彈性模量高等優(yōu)點，將鎂合金應(yīng)用于航天器和汽 車等交通工具，使其輕量化具有重要意義。然而，鎂合金的強(qiáng)度和耐熱性能較低，極大的限 制了其應(yīng)用范圍。實踐表明，在鎂合金中引入高強(qiáng)度的纖維、晶須或顆粒、金屬間化合物等 形成鎂基復(fù)合材料，可有效提高合金的強(qiáng)度和耐熱性能。通常，制備鎂基復(fù)合材料過程中， 引入增強(qiáng)相的方法有兩種，一種是外加法，另一種是原位自生法。外加法引入增強(qiáng)相存在不 足之處，比如界面結(jié)合問題、顆粒分布不均勻等。相比之下，原位自生法制備復(fù)合材料具有 界面結(jié)合性好，分布均勻，不易引入外加污染，節(jié)約成本等特點，是制備鎂基復(fù)合材料的理 想方法。
[0003] 經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，張荻的三項專利（CN100491566C、CN100552072C、 CN100595007C)以及劉英的專利（CN102041424B)采用原位自生法制備了鎂基復(fù)合材料，然 而其所制備的鎂基復(fù)合材料中，或者基體需要A1元素，或者添加原料含有A1元素。由于A1 元素與稀土 RE會發(fā)生反應(yīng)，使稀土 RE元素?fù)p耗，因而張荻和劉英的專利只適用于Mg-Al系 合金，而不能應(yīng)用于高強(qiáng)度Mg-RE系合金，限制了其專利技術(shù)的應(yīng)用范圍。此外，劉輝暉的 專利（CN102127668 B)也采用了原位自生法制備了鎂基復(fù)合材料，然而其所用原料Zr02、 ZnO、NiO或Mn02，會優(yōu)先于Mg與稀土 RE發(fā)生反應(yīng)，而不形成MgO和相應(yīng)金屬間化合物使 其專利技術(shù)對于Mg-RE合金失效。因此，劉輝暉的專利技術(shù)主要適用于純鎂，亦不適用于 Mg-RE稀土合金。相對于純鎂和Mg-Al合金，Mg-RE稀土合金有著更高的強(qiáng)度和耐熱性能。 在Mg-RE稀土合金基礎(chǔ)上，引入增強(qiáng)相，可進(jìn)一步提高稀土合金的強(qiáng)度和耐熱性能，滿足航 空航天領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苕V合金材料日益苛刻要求。
[0004] 因此，在Mg-RE稀土鎂合金基礎(chǔ)上，采用原位自生法開發(fā)新型高強(qiáng)耐熱鎂基復(fù)合 材料，進(jìn)一步提高鎂合金的強(qiáng)度和耐熱性能，是鎂合金復(fù)合材料領(lǐng)域需要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種原位自生高強(qiáng)耐熱Mg-Gd基復(fù) 合材料及其制備方法，實現(xiàn)合金設(shè)計與鑄造法相結(jié)合，獲得原位自生金屬間化合物增強(qiáng)體， 進(jìn)一步提高鎂合金的強(qiáng)度和耐熱性能，使之更好滿足航空航天、國防軍工等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅?鎂合金材料的需求。
[0006] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種原位自生高強(qiáng)耐熱Mg-Gd基復(fù)合材料， 其特征在于：是由Mg-Gd合金基體和GdErNiNdMg金屬間化合物增強(qiáng)體共同構(gòu)成，其中： Mg-Gd基體的體積百分比含量為50%~70%，GdErNiNdMg金屬間化合物增強(qiáng)體的體積百分 含量為30%~50%，所述Mg-Gd基體中Gd含量重量百分?jǐn)?shù)為8%~10%。
[0007] 所述原位自生高強(qiáng)耐熱Mg-Gd基復(fù)合材料，其重量百分?jǐn)?shù)組成為9~15% Gd，1% Er，2. 2 ~3. 9% Ni，2. 1 ~4. 3% Nd，其余為 Mg。
[0008] -種原位自生高強(qiáng)耐熱Mg-Gd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、按照成分9~15% Gd，1% Er，2. 2~3. 9% Ni，2. 1~4. 3% Nd，其余為Mg，準(zhǔn)備 原料； 第二步、將第一步的原料放入石墨坩堝中，采用高頻感應(yīng)加熱爐熔煉，高頻感應(yīng)加熱電 流控制在150至400安培，實現(xiàn)對原料充分熔化并均勻化； 第三步、將第二步得到的熔體，在氬氣保護(hù)下，澆注于鋼模中，獲得原位自生 GdErNiNdMg金屬間化合物復(fù)合材料母錠； 第四步、將第三步得到的原位自生復(fù)合材料母錠，在氬氣保護(hù)下，在500°C保溫20小 時之后，將原位自生復(fù)合材料母錠置于空氣中冷卻，最終獲得高強(qiáng)耐熱Mg-Gd基復(fù)合材 料。
[0009] 本發(fā)明第一步中，所述1%、6(14廠附和制原料純度均為99%以上。
[0010] 本發(fā)明第二步中，所述熔煉過程時間為120分鐘：前30分鐘電流為150安培， 之后45分鐘電流為400安培，最后45分鐘電流為250安培。
[0011] 本發(fā)明第二步中，所述熔煉過程在密封腔室中進(jìn)行，使用石墨坩堝，氣氛為純度大 于99. 99%的純氬氣氛，氣氛壓力為1個大氣壓。
[0012] 本發(fā)明第三步中，所述鋼模的型腔尺寸為長130mm、寬20mm、高40 mm，所述氬氣純 度大于99. 9%。
[0013] 本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明提供的原位自生Mg-Gd基復(fù)合材料，與現(xiàn)有的 原位自生鎂基復(fù)合材料及其制備方法相比，具有強(qiáng)度高，尤其是高溫強(qiáng)度，且高溫穩(wěn)定性好 等優(yōu)點；該Mg-Gd基復(fù)合材料室溫抗拉強(qiáng)度大于360 MPa，150°C抗拉強(qiáng)度大于320 MPa， 300°C抗拉強(qiáng)度大于260 MPa，而350°C抗拉強(qiáng)度大于180MPa。此外，本發(fā)明提供的復(fù)合材料 制備方法工藝簡單、易操作，所得增強(qiáng)體分布均勻、與基體界面結(jié)合好，適合高質(zhì)量高強(qiáng)耐 熱鎂基復(fù)合材料的制備。
[0014] 本發(fā)明所提供的原位自生高強(qiáng)耐熱Mg-Gd基復(fù)合材料，所含元素的作用如下： Gd :基體合金元素，具有強(qiáng)化基體作用，提高復(fù)合材料基體耐熱性能。
[0015] Er :少量添加元素，使GdErNiNdMg金屬間化合物增強(qiáng)體細(xì)化和均勻化。
[0016] Ni :促進(jìn)GdErNiNdMg金屬間化合物增強(qiáng)體的形成，并提高增強(qiáng)體的耐熱性能。
[0017] Nd :促進(jìn)GdErNiNdMg金屬間化合物增強(qiáng)體的形成，調(diào)節(jié)GdErNiNdMg金屬間化合 物增強(qiáng)體含量，并提高增強(qiáng)體的強(qiáng)度。
【具體實施方式】
[0018] 本實施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的 操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。
[0019] 實施例1、鎂基復(fù)合材料：含70 vol.%的Mg-8 wt.%Gd基體以及30 vol.% GdErNiNdMg金屬間化合物增強(qiáng)體 第一步、按照成分(重量百分?jǐn)?shù))9% Gd，l% Er，2. 2% Ni、2. 1% Nd以及85. 7% Mg，準(zhǔn)備原 料，所用原料均為純度在99%以上。
[0020] 第二步、將第一步的原料放入石墨坩堝中，采用高頻感應(yīng)加熱爐熔煉，整個熔煉在 純氬氣氛密封腔室下進(jìn)行，氣氛純度大于99. 99%，氣氛壓力為1個大氣壓。前30分鐘電 流為150安培，之后45分鐘電流為400安培，最后45分鐘電流為250安培。
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