CN109913720A - 一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Ca：4.00～25.00％；Al：4.00～25.00％；Sr：0.00～3.00％；Nd：0.00～8.00％；Y：0.00～8.00％；Gd：0.00～8.00％；Er：0.00～8.00％，其余为Mg和杂质。制备方法包括如下步骤：(1)准备材料；(2)铸锭熔炼。本发明的有益效果是：1.与常规的镁铝钙系镁合金相比，本发明关注强度的同时，更着重关注材料的弹性模量，共晶组织相组成为α‑Mg及具有高模量的Mg2Ca、Al2Ca、(Mg,Al)2Ca相，共晶组织含量较高，并可有效调控各相含量进一步调控材料整体模量。2.本发明采用普通铸造，工艺流程简单，通过调控成分来调控共晶组织形貌，制备兼备高弹性模量和高强度的镁基复合材料。
Description
技术领域
本发明属于镁合金及镁基复合材料领域，尤其涉及一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料及制备方法。
背景技术
近年来，能源危机、资源枯竭和环境恶化对航空航天，汽车工业的轻量化，节能减排和低碳环保提出了更高的要求。镁合金以其低密度、高比强度、高比刚度等优良特性，受到日益广泛的关注，成为近年来金属结构材料研究的一个重要方向。前期大部分相关研究工作集中于镁合金的强韧性研究：通过加入铝、钇等在镁中最大固溶度较大且随温度变化显著的合金元素来实现固溶强化和析出强化；通过加入锆、钆、银、硅等元素来细化晶粒，达到强韧性兼备的目的；通过调控凝固速率，加工工艺，热处理的工艺手段来调控合金组织。然而除了强韧性，镁合金的应用还应考虑的一个重要力学性能指标是弹性模量，尤其应用在承力件材料中。目前，Mg-RE系镁合金具有较高的强度，且当合金中含有长周期有序相(LPSO)时该体系合金可达到50GPa的弹性模量。但是，高含量的稀土元素不仅使合金成本显著增加，还增加镁合金的密度，这极大削弱了镁合金作为轻量化材料的优势。近年来，在镁合金中添加Ca、Sr等碱土金属元素替代稀土元素的研究取得了很好的效果，有望制备出兼顾强韧性的高弹性模量镁合金材料。
共晶组织是在钢铁材料中普遍存在的组织，典型的如珠光体。目前商用镁合金中所加入的合金元素一般不超过10％(质量百分比)，镁合金材料的强化设计思路也大部分模仿铝合金材料，采取微合金化及固溶—时效的热处理工艺取得高密度析出的细小第二相，例如Mg-Zn系合金中通过Ag、Ca、Zr等微合金化元素及固溶—时效的热处理工艺来调控析出相尺寸和形貌，然而关于大量的共晶组织甚至完全共晶组织的镁合金材料设计鲜有报道。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料及制备方法，选用廉价的低密度的非稀土元素，降低成本，得到高弹性模量镁基复合材料。
一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料，其特征在于，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Ca：4.00～25.00％；Al：4.00～25.00％；Sr：0.00～3.00％；Nd：0.00～8.00％；Y：0.00～8.00％；Gd：0.00～8.00％；Er：0.00～8.00％，其余为Mg和杂质。
所述Sr为镁锶中间合金；Nd为镁钕中间合金；Y为镁钇中间合金。
所述Gd为镁钆中间合金；Er为镁铒中间合金。
所述一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料，其中镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Sr：0.50～3.00％。
所述一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料，其中镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Nd：1.00～8.00％。
所述一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料，其中镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Y：0.50～8.00％。
所述一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料，其中镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Gd：0.10～8.00％。
所述一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料，其中镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Er：2.00～8.00％。
所述的一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备原料：
按照一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的组分以质量百分比配比，称取所需原料；
(2)铸锭熔炼：
首先，在熔炼装置中保护气体的保护下，加入镁，加热至740～790℃充分搅拌至其全部熔化；
然后，保持温度在740～790℃，将其它称取好的原料依次分批加入，充分搅拌3～9分钟后，将熔液温度控制在700～750℃静置10～22分钟，清除表面的浮渣，在700～750℃的条件下浇铸至提前预热到200～350℃的铁模中，冷却至室温，制得高钙高铝含量的铸造镁基复合材料。
所述的一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的制备方法，所述的步骤(2)中的保护气体为CO2+SF6或高纯氩气，所述CO2和SF6按体积比为(19～199)∶1。
本发明的有益效果是：1.与常规的镁铝钙系镁合金相比，本发明关注强度的同时，更着重关注材料的弹性模量，共晶组织相组成为α-Mg及具有高模量的Mg2Ca、Al2Ca、(Mg,Al)2Ca相，共晶组织含量较高，并可有效调控各相含量进一步调控材料整体模量。2.本发明采用普通铸造，工艺流程简单，通过调控成分来调控共晶组织形貌，制备兼备高弹性模量和高强度的镁基复合材料。
附图说明
图1为实施例中各材料的弹性模量。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明的技术方案和效果作详细描述。
弹性模量作为材料自身的一种属性，反应的是组成材料的各原子中电子之间的相互作用，与材料的成分紧密相关。与纯金属相比，金属间化合物常常具有较高的模量，这使得通过金属与金属间化合物的适当混合制备高弹性模量材料成为一种可能。因此制备含有共晶组织的镁合金，是获得高模量高强韧性镁合金结构材料的一种思路。申请人近期的研究结果表明，钙、铝作为主合金化元素，锶、钕、钇、钆、铒作为微合金化元素可以使镁合金的包括模量和强韧性的力学性能达到令人满意的效果，从而开发出低成本、高力学性能的新型镁合金材料和制品。
本发明的设计思想如下：
结合相图设计主合金元素Ca、Al含量，调节Sr、Ba、Zn、Mn、Sn等微合金化元素，采用浇铸***铸造，获得具有不同共晶组织含量及形貌的镁基复合材料，最终制备出一种高钙高铝含量的铸造镁基复合材料。
实施例1
一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Ca：4.5wt.％、Al：4.5wt.％、Y：0.5wt.％、Gd：0.1wt.％，其余为Mg和杂质；其中Y为Y含量占25wt.％的镁钇中间合金，Gd为Gd含量占25wt.％的镁钆中间合金，其他金属纯度均在99％以上。
一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备原料：
按照一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的组分以质量百分比配比，称取所需原料；
(2)铸锭熔炼：
首先，在熔炼装置中CO2+SF6保护气体的保护下，加入纯镁，加热至740℃充分搅拌至其全部熔化，所述CO2和SF6按体积比为199∶1；
然后，保持温度在740℃，将其它称取好的原料依次分批加入，充分搅拌9分钟后，将熔液温度控制在750℃静置12分钟，清除表面的浮渣，在750℃的条件下浇铸至提前预热到350℃的铁模中，冷却至室温，制得高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料。
(3)用线切割得到100×50×10mm的条状试样，采用脉冲激振法测量材料的弹性模量，脉冲激振法测量弹性模量的技术参数如表1所示。
| 测量项目 | 固有频率、杨氏模量、剪切模量、泊松比、内耗 |
| 频响范围 | 20Hz-22kHz |
| 频率精度 | 0.1Hz |
| 测试范围 | 0.5-1000GPa(杨氏模量、剪切模量) |
| 采样率 | 44.1k/48k/88.2k/96k/176.4k/192kHz |
| 输入阻抗 | 1.8KΩ |
| 测试精度 | 0.5％ |
| 灵敏度 | 1mv/pa |
| 时基精度 | 50ppm |
| 试样形状 | 条状或棒状 |
表1
本实施例制得的高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的弹性模量为45.87GPa，如图1所示。
实施例2
一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Ca：8.5wt.％、Al：8.5wt.％、Y：0.5wt.％、Er：2.0wt.％，其余为Mg和杂质；其中Y为Y含量占25wt.％的镁钇中间合金，Er为Er含量占25wt.％的镁铒中间合金，其他金属纯度均在99％以上。
一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备原料：
按照一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的组分以质量百分比配比，称取所需原料；
(2)铸锭熔炼：
首先，在熔炼装置中CO2+SF6保护气体的保护下，加入纯镁，加热至750℃充分搅拌至其全部熔化，所述CO2和SF6按体积比为156∶1；
然后，保持温度在750℃，将其它称取好的原料依次分批加入，充分搅拌8分钟后，将熔液温度控制在740℃静置14分钟，清除表面的浮渣，在740℃的条件下浇铸至提前预热到330℃的铁模中，冷却至室温，制得高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料。
(3)用线切割得到100×50×10mm的条状试样，采用脉冲激振法测量材料的弹性模量。
本实施例制得的高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的弹性模量为48.73GPa，如图1所示。
实施例3
一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Ca：8.5wt.％、Al：8.5wt.％、Sr：3.0wt.％、Gd：0.5wt.％，其余为Mg和杂质；其中Gd为Gd含量占25wt.％的镁钆中间合金，其他金属纯度均在99％以上。
一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备原料：
按照一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的组分以质量百分比配比，称取所需原料；
(2)铸锭熔炼：
首先，在熔炼装置中CO2+SF6保护气体的保护下，加入纯镁，加热至760℃充分搅拌至其全部熔化，所述CO2和SF6按体积比为125∶1；
然后，保持温度在760℃，将其它称取好的原料依次分批加入，充分搅拌7分钟后，将熔液温度控制在730℃静置16分钟，清除表面的浮渣，在730℃的条件下浇铸至提前预热到310℃的铁模中，冷却至室温，制得高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料。
(3)用线切割得到100×50×10mm的条状试样，采用脉冲激振法测量材料的弹性模量。
本实施例制得的高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的弹性模量为48.82GPa，如图1所示。
实施例4
一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Ca：12.5wt.％、Al：12.5wt.％、Nd：8.0wt.％、Gd：0.3wt.％，其余为Mg和杂质；其中Nd为Nd含量占25wt.％的镁钕中间合金，Gd为Gd含量占25wt.％的镁钆中间合金，其他金属纯度均在99％以上。
一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备原料：
按照一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的组分以质量百分比配比，称取所需原料；
(2)铸锭熔炼：
首先，在熔炼装置中CO2+SF6保护气体的保护下，加入纯镁，加热至770℃充分搅拌至其全部熔化，所述CO2和SF6按体积比为103∶1；
然后，保持温度在770℃，将其它称取好的原料依次分批加入，充分搅拌6分钟后，将熔液温度控制在720℃静置18分钟，清除表面的浮渣，在720℃的条件下浇铸至提前预热到290℃的铁模中，冷却至室温，制得高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料。
(3)用线切割得到100×50×10mm的条状试样，采用脉冲激振法测量材料的弹性模量。
本实施例制得的高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的弹性模量为50.80GPa，如图1所示。
实施例5
一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Ca：20wt.％、Al：16wt.％、Gd：8.0wt.％，其余为Mg和杂质；其中Gd为Gd含量占25wt.％的镁钆中间合金，其他金属纯度均在99％以上。
一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备原料：
按照一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的组分以质量百分比配比，称取所需原料；
(2)铸锭熔炼：
首先，在熔炼装置中CO2+SF6保护气体的保护下，加入纯镁，加热至780℃充分搅拌至其全部熔化，所述CO2和SF6按体积比为87∶1；
然后，保持温度在780℃，将其它称取好的原料依次分批加入，充分搅拌5分钟后，将熔液温度控制在710℃静置20分钟，清除表面的浮渣，在710℃的条件下浇铸至提前预热到270℃的铁模中，冷却至室温，制得高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料。
(3)用线切割得到100×50×10mm的条状试样，采用脉冲激振法测量材料的弹性模量。
本实施例制得的高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的弹性模量为52.03GPa，如图1所示。
实施例6
一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Ca：20wt.％、Al：16wt.％、Y：8wt.％、Er：8.0wt.％，其余为Mg和杂质；其中Y为Y含量占25wt.％的镁钇中间合金，Gd为Gd含量占25wt.％的镁钆中间合金，其他金属纯度均在99％以上。
一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备原料：
按照一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的组分以质量百分比配比，称取所需原料；
(2)铸锭熔炼：
首先，在熔炼装置中CO2+SF6保护气体的保护下，加入纯镁，加热至790℃充分搅拌至其全部熔化，所述CO2和SF6按体积比为53∶1；
然后，保持温度在790℃，将其它称取好的原料依次分批加入，充分搅拌4分钟后，将熔液温度控制在700℃静置22分钟，清除表面的浮渣，在700℃的条件下浇铸至提前预热到250℃的铁模中，冷却至室温，制得高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料。
(3)用线切割得到100×50×10mm的条状试样，采用脉冲激振法测量材料的弹性模量。
本实施例制得的高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的弹性模量为53.22GPa，如图1所示。
实施例7
一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Ca：4.0wt.％、Al：4.0wt.％、Sr：0.5wt.％、Gd：8.0wt.％，其余为Mg和杂质；其中Gd为Gd含量占25wt.％的镁钆中间合金，其他金属纯度均在99％以上。
一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备原料：
按照一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的组分以质量百分比配比，称取所需原料；
(2)铸锭熔炼：
首先，在熔炼装置中CO2+SF6保护气体的保护下，加入纯镁，加热至770℃充分搅拌至其全部熔化，所述CO2和SF6按体积比为29∶1；
然后，保持温度在770℃，将其它称取好的原料依次分批加入，充分搅拌3分钟后，将熔液温度控制在710℃静置10分钟，清除表面的浮渣，在710℃的条件下浇铸至提前预热到230℃的铁模中，冷却至室温，制得高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料。
(3)用线切割得到100×50×10mm的条状试样，采用脉冲激振法测量材料的弹性模量。
本实施例制得的高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的弹性模量为51.63GPa。
实施例8
一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Ca：14.5wt.％、Al：15.5wt.％、Nd：1.0wt.％、Gd：2.5wt.％，其余为Mg和杂质；其中Nd为Nd含量占25wt.％的镁钕中间合金，Gd为Gd含量占25wt.％的镁钆中间合金，其他金属纯度均在99％以上。
一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备原料：
按照一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的组分以质量百分比配比，称取所需原料；
(2)铸锭熔炼：
首先，在熔炼装置中CO2+SF6保护气体的保护下，加入纯镁，加热至750℃充分搅拌至其全部熔化，所述CO2和SF6按体积比为19∶1；
然后，保持温度在750℃，将其它称取好的原料依次分批加入，充分搅拌7分钟后，将熔液温度控制在730℃静置15分钟，清除表面的浮渣，在730℃的条件下浇铸至提前预热到200℃的铁模中，冷却至室温，制得高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料。
(3)用线切割得到100×50×10mm的条状试样，采用脉冲激振法测量材料的弹性模量。
本实施例制得的高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的弹性模量为47.72GPa。
实施例9
一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Ca：25wt.％、Al：25wt.％、Nd：1.0wt.％、Gd：2.5wt.％，其余为Mg和杂质；其中Nd为Nd含量占25wt.％的镁钕中间合金，Gd为Gd含量占25wt.％的镁钆中间合金，其他金属纯度均在99％以上。
一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备原料：
按照一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的组分以质量百分比配比，称取所需原料；
(2)铸锭熔炼：
首先，在熔炼装置中CO2+SF6保护气体的保护下，加入纯镁，加热至750℃充分搅拌至其全部熔化，所述CO2和SF6按体积比为19∶1；
然后，保持温度在750℃，将其它称取好的原料依次分批加入，充分搅拌7分钟后，将熔液温度控制在730℃静置15分钟，清除表面的浮渣，在730℃的条件下浇铸至提前预热到200℃的铁模中，冷却至室温，制得高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料。
(3)用线切割得到100×50×10mm的条状试样，采用脉冲激振法测量材料的弹性模量。
本实施例制得的高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的弹性模量为52.36GPa。
Claims (10)
1.一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料，其特征在于，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Ca：4.00～25.00％；Al：4.00～25.00％；Sr：0.00～3.00％；Nd：0.00～8.00％；Y：0.00～8.00％；Gd：0.00～8.00％；Er：0.00～8.00％，其余为Mg和杂质。
2.根据权利要求1所述的一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料，其特征在于，所述Sr为镁锶中间合金；Nd为镁钕中间合金；Y为镁钇中间合金。
3.根据权利要求1所述的一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料，其特征在于，所述Gd为镁钆中间合金；Er为镁铒中间合金。
4.根据权利要求1所述的一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料，其特征在于，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Sr：0.50～3.00％。
5.根据权利要求1所述的一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料，其特征在于，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Nd：1.00～8.00％。
6.根据权利要求1所述的一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料，其特征在于，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Y：0.50～8.00％。
7.根据权利要求1所述的一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料，其特征在于，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Gd：0.10～8.00％。
8.根据权利要求1所述的一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料，其特征在于，所述镁基复合材料的组分以质量百分比计为：Er：2.00～8.00％。
9.权利要求1～8中任意一项所述的一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)准备原料：
按照一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的组分以质量百分比配比，称取所需原料；
(2)铸锭熔炼：
首先，在熔炼装置中保护气体的保护下，加入镁，加热至740～790℃充分搅拌至其全部熔化；
然后，保持温度在740～790℃，将其它称取好的原料依次分批加入，充分搅拌3～9分钟后，将熔液温度控制在700～750℃静置10～22分钟，清除表面的浮渣，在700～750℃的条件下浇铸至提前预热到200～350℃的铁模中，冷却至室温，制得高钙高铝含量的铸造镁基复合材料。
10.根据权利要求9所述的一种高钙高铝含量的高弹性模量镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)中的保护气体为CO2+SF6或高纯氩气，所述CO2和SF6按体积比为(19～199)：1。
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- 2019-03-27 CN CN201910238148.1A patent/CN109913720B/zh active Active
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| CN109913720B (zh) | 2020-11-24 |
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