CN105695781B - 一种高性能原位纳米颗粒增强镁基复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高性能原位纳米颗粒增强镁基复合材料的制备方法，该方法将纯镁粉末或镁合金粉末与纳米尺寸的异种粉末简单机械混合后，通过球磨反应在混合粉末中原位生成纳米级金属间化合物颗粒相，最后通过热压烧结制备出高性能镁基复合材料。该方法制备的镁基复合材料中的增强相颗粒细小，分布均匀，与基体界面结合良好；复合材料具有良好的力学性能，为镁基复合材料的广泛应用打下了良好的基础。

Description

一种高性能原位纳米颗粒增强镁基复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，涉及一种镁基复合材料的制备方法，特别涉及一种高性能原位纳米颗粒增强镁基复合材料的制备方法。
背景技术
镁基复合材料由于其密度低，比强度高，性能优异，受到人们越来越多的关注，除了拥有优异的力学性能之外，镁基复合材料还拥有十分良好的电磁屏蔽性和抗辐射性，同时还可以作为储氢材料使用，这使得它在各种高新技术领域有着十分广阔的发展前景和应用潜力。综合来看，镁基复合材料无论是作为一种结构材料还是功能材料，都具有非常巨大的价值。
颗粒增强镁基复合材料在各类镁基复合材料中具有突出优势，已经成为镁基复合材料研究的主要内容之一。中国专利，碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法，CN103014399B，授权公告日2014年7月30日，公开了一种以Zn粉和碳纳米管为原料，先进行混合球磨，再将复合粉末和镁粉混合均匀后压制成预制块，再将预制块加入到镁熔体中，以此制备镁基复合材料。由于混合粉末与镁并不反应，在基体镁中以机械强化的方式提高性能，抗拉强度提高的同时，其他性能势必会受到损失。而在2015年3月11日公开的专利“一种原位纳米级颗粒增强镁基复合材料的制备方法”(CN104404327A)中，采用了纳米尺寸的Sn粉对镁基复合材料材料进行强化，熔融后充分搅拌，浇铸成含有纳米Mg2Sn相的颗粒增强镁基复合材料，尽管所得到的镁基复合材料材料拥有良好的机械性能，但在制备过程中需要非常好的气氛保护才能减少Sn纳米粉末的烧损。2008年11月12日授权的专利“一种高强镁基复合材料及其制备方法”(CN100432267C)，则公开了一种以Al12Mg17纳米粉末和小于1微米的锌粉、镁粉为原料，通过半固态流变压锻技术来制备高强镁基复合材料的方法。该方法制备原料均为小于1微米的粉体，增加了原材料的成本；另外，由于Al12Mg17仍属于外部加入，会影响其与镁基体之间的界面结合度。
综上，有些工艺所得到的镁基复合材料的性能存在某些问题，有些工艺则较为复杂，难以控制。因此，如何通过简单有效的工艺，制备出各方面都具有优良性能的颗粒增强镁基复合材料成为了一个重要的研究方向。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种高性能原位纳米颗粒增强镁基复合材料的制备方法，目的是解决镁合金基体强度不高，纳米增强颗粒不易高效引入镁基体，且成本过高的问题。
本发明所采用的技术方案包括以下步骤：
步骤一，根据所需增强相种类，按微米级镁基体粉末与纳米级异种粉末球磨反应后残余镁基体粉末的体积大于球磨反应后总体积的50％配料，将纳米级异种粉末和微米级镁基体粉末简单机械混合。其中，镁基体粉末包括1～350μm的纯镁粉末或镁合金粉末；为原位形成增强颗粒相添加的异种粉末包括10～100nm的锡粉、铜粉、锗粉、锑粉、铋粉、硅粉、钙粉中的一种或几种。
步骤二，按5:1～50:1的球料比将磨球与单机械混合后的粉末共同装入球磨罐中。密封球磨罐，确保球磨罐内部环境达到密闭状态，随后使用气泵将球磨罐抽至真空状态或者真空后再充入惰性气体作为保护气氛。在真空或惰性气体保护条件下进行高能球磨，球磨转数100～1000rpm，球磨时间2～300h，可以在球磨前添加硬脂酸。球磨结束后，放置一段时间至球磨罐内部完全冷却至常温状态后，在真空手套箱内打开球磨罐，取出所得到的混合粉体，并密闭保存，制备得到含有原位纳米增强相的粉末状镁基复合材料。粉末状镁基复合材料中含有纳米增强颗粒；所述的惰性气体包括氩气或氮气。
步骤三，将步骤二中得到的粉末状镁基复合材料装入热压模具中，再将其放入热压烧结炉内。热压烧结炉抽真空至小于50Pa后充氩气或氮气；根据复合材料的成分，以1～15℃/min的升温速率进行升温，温度升至烧结温度350～620℃后，在保压压力为5～50MPa，保压时间为10～60min的条件下进行热压烧结。烧结结束后，待完全冷却后取出模具，将压制完成的块体取出，获得高性能原位纳米颗粒增强镁基复合材料。
本发明将纳米原位合成技术、机械合金化技术以及热压烧结技术有机的结合，用于颗粒增强镁基复合材料的制备。该方法得到的增强颗粒尺寸小，分布均匀，并且与基体结合良好，对于镁基复合材料的性能有显著增强，同时制备工艺简单，生产成本低，适于规模化生产。
本发明与目前已有的技术相比具有以下突出特点：
1)工艺相对简单，易于推广应用，进行规模化商业生产。本发明的特征在于成功地制备出纳米级颗粒增强镁基复合材料，增强颗粒在基体中原位内生，纳米级颗粒增强效果显著，大大提高了镁合金的机械性能，见下表：
各种材料的压缩性能
2)本发明制备出的镁基复合材料可以重熔或进行二次变形加工，因此浇注得到的铸坯(件)可以作为压铸镁合金的半固态坯料或高性能变形镁合金的原始坯料。
具体实施方式
以下通过四个具体的实例对本发明的技术方案和效果做进一步阐述。
实施例1：一种含有Mg2Sn强化相的镁基复合材料，包括以下步骤：
步骤一，镁基体粉末选用纯镁粉末，其尺寸为10μm；为原位形成金属间化合物颗粒所添加的异种粉末选用锡粉，其尺寸为40～60nm。其中，纳米锡粉的质量分数为25wt％。将选取的粉末进行简单机械混合；
步骤二，经简单机械混合后，按10:1的球料比将磨球与混合粉末共同装入球磨罐中。密封球磨罐，确保球磨罐内部环境达到密闭状态，随后使用气泵将球磨罐抽至真空状态。在真空条件下进行高能球磨，球磨转数250rpm，球磨时间20h，球磨结束后，再放置一段时间至球磨罐内部完全冷却至常温状态后，于真空手套箱内打开球磨罐，取出所得到的混合粉体，并密闭保存。此时，制备得到含有原位Mg2Sn纳米增强相的粉末状镁基复合材料；
步骤三，将含有纳米Mg2Sn增强体颗粒的镁基复合材料混合粉末装入热压模具中，随后将其放入热压烧结炉内。热压烧结炉抽真空至小于50Pa后充氮气；再以8.5℃/min的升温速率进行升温，温度升至烧结温度550℃后，在保压压力为40MPa，保压时间为20min的条件下进行热压烧结。烧结结束后，待完全冷却后取出模具，将压制完成的块体取出，获得高性能原位Mg2Sn纳米颗粒增强块体镁基复合材料。
实施例2：一种含有Mg2Cu强化相的镁基复合材料，包括以下步骤：
步骤一，镁基体粉末选用AZ61镁合金粉末，其尺寸为40μm；为原位形成金属间化合物颗粒相添加的异种粉末选用铜粉，其尺寸为50～70nm。其中，纳米铜粉的质量分数为20wt％。将选取的粉末进行简单机械混合；
步骤二，经简单机械混合后，按20:1的球料比将磨球与混合粉末共同装入球磨罐中。密封球磨罐，确保球磨罐内部环境达到密闭状态，随后使用气泵将球磨罐抽至真空状态后，充入高纯氩气作为保护气氛。在氩气保护条件下进行高能球磨，球磨转数为250rpm，球磨时间30h，球磨结束后，再放置一段时间至球磨罐内部完全冷却至常温状态后，于真空手套箱内打开球磨罐，取出所得到的混合粉体，并密闭保存。此时，制备得到含有原位Mg2Cu纳米增强相的粉末状镁基复合材料；
步骤三，将含有Mg2Cu纳米增强体颗粒的镁基复合材料混合粉末装入热压模具中，随后将其放入热压烧结炉内。热压烧结炉抽真空至小于50Pa后充氩气；再以10℃/min的升温速率进行升温，温度升至烧结温度600℃后，在保压压力为30MPa，保压时间为25min的条件下进行热压烧结。烧结结束后，待完全冷却后取出模具，将压制完成的块体取出，获得高性能原位Mg2Cu纳米颗粒增强块体镁基复合材料。
实施例3：一种含有Mg2Si强化相的镁基复合材料，包括以下步骤：
步骤一，镁基体粉末选用ZK60镁合金粉末，其尺寸为200μm；为原位形成增强颗粒相添加的异种粉末选用硅粉，其尺寸为60～80nm。其中，纳米硅粉的质量分数为15wt％。将选取的粉末进行简单机械混合；
步骤二，经简单机械混合后，按50:1的球料比将磨球与混合粉末共同装入球磨罐中。密封球磨罐，确保球磨罐内部环境达到密闭状态，随后使用气泵将球磨罐抽至真空状态，在真空条件下进行高能球磨，球磨转数为500rpm，球磨时间50h，球磨结束后，再放置一段时间至球磨罐内部完全冷却至常温状态后，于真空手套箱内打开球磨罐，取出所得到的混合粉体，并密闭保存。此时，制备得到含有原位Mg2Si纳米增强相的粉末状镁基复合材料；
步骤三，将含有Mg2Si纳米增强体颗粒的镁基复合材料混合粉末装入热压模具中，随后将其放入热压烧结炉内。热压烧结炉抽真空至小于50Pa后充氮气；再以5℃/min的升温速率进行升温，温度升至烧结温度500℃后，在保压压力为40MPa，保压时间40min的条件下进行热压烧结。烧结结束后，待完全冷却后取出模具，将压制完成的块体取出，获得高性能原位Mg2Si纳米颗粒增强块体镁基复合材料。
实施例4：一种含有Mg2Sn+Mg2Cu强化相的镁基复合材料，包括以下步骤：
步骤一，镁基体粉末选用AZ61镁合金粉末，其尺寸为120μm；为原位形成金属间化合物颗粒相添加的异种粉末选用锡粉和铜粉，其尺寸分别为40～60nm和60～80nm。其中，纳米锡粉和铜粉的质量分数分别为10wt％和20wt％。将选取的粉末进行简单机械混合；
步骤二，经简单机械混合后，按35:1的球料比将磨球与混合粉末共同装入球磨罐中。密封球磨罐，确保球磨罐内部环境达到密闭状态，随后使用气泵将球磨罐抽至真空状态，，在真空条件下进行高能球磨，球磨转数为500rpm，球磨时间50h，球磨结束后，再放置一段时间至球磨罐内部完全冷却至常温状态后，于真空手套箱内打开球磨罐，取出所得到的混合粉体，并密闭保存。此时，制备得到含有原位Mg2Sn和Mg2Cu纳米增强相的粉末状镁基复合材料；
步骤三，将含有Mg2Sn和Mg2Cu纳米增强体颗粒的镁基复合材料混合粉末装入热压模具中，随后将其放入热压烧结炉内。热压烧结炉抽真空至小于50Pa后充氩气；再以5℃/min的升温速率进行升温，温度升至烧结温度500℃后，在保压压力为40MPa，保压时间40min的条件下进行热压烧结。烧结结束后，待完全冷却后取出模具，将压制完成的块体取出，获得高性能多种纳米颗粒增强块体镁基复合材料。

Claims (10)

1.一种高性能原位纳米颗粒增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，根据所需增强相种类，按镁基体粉末与异种粉末球磨反应后残余镁基体粉末的体积大于球磨反应后总体积的50％配料，将异种粉末和镁基体粉末简单机械混合；所述的镁基体粉末尺寸为1～350μm，所述的异种粉末尺寸为10～100nm；
步骤二，将磨球与简单机械混合后的粉末放入球磨罐中，在真空或惰性气体保护下对粉末高能球磨2～300h，球磨罐内温度冷却至常温后，得到含有原位纳米增强相的粉末状镁基复合材料；
步骤三，将粉末状镁基复合材料装入热压模具中，放入热压烧结炉内，热压烧结炉内抽真空后充氩气，升温至烧结温度350～620℃后，在保压压力下对粉末状镁基复合材料进行热压烧结10～60min，待完全冷却后取出模具，得到高性能原位纳米颗粒增强镁基复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种高性能原位纳米颗粒增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的镁基体粉末包括纯镁粉末或镁合金粉末；所述的异种粉末包括锡粉、铜粉、锗粉、锑粉、铋粉、硅粉、钙粉中的一种及其组合。
3.根据权利要求1或2所述的一种高性能原位纳米颗粒增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤二中磨球与机械混合后的粉末的球料比为5:1～50:1；所述的步骤二中球磨转速为100～1000rpm。
4.根据权利要求1或2所述的一种高性能原位纳米颗粒增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤二中惰性气氛包括氩气或氮气；所述的步骤二中在球磨前添加硬脂酸。
5.根据权利要求3所述的一种高性能原位纳米颗粒增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤二中惰性气氛包括氩气或氮气；所述的步骤二中在球磨前添加硬脂酸。
6.根据权利要求1或2或5所述的一种高性能原位纳米颗粒增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤三中升温速率为1～15℃/min；所述的步骤三中保压压力为5～50MPa。
7.根据权利要求3所述的一种高性能原位纳米颗粒增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤三中升温速率为1～15℃/min；所述的步骤三中保压压力为5～50MPa。
8.根据权利要求4所述的一种高性能原位纳米颗粒增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤三中升温速率为1～15℃/min；所述的步骤三中保压压力为5～50MPa。
9.根据权利要求1或2或5或7或8所述的一种高性能原位纳米颗粒增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤三中热压烧结炉抽真空至小于50Pa。
10.根据权利要求3所述的一种高性能原位纳米颗粒增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤三中热压烧结炉抽真空至小于50Pa。
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