一種原位制備含硼鎂基復合材料的方法與流程

本發明屬于鎂基復合材料加工領域，尤其涉及一種原位制備含硼鎂基復合材料的方法。

背景技術：

鎂及鎂合金作為最輕的結構材料具有比強度、比剛度高，電磁屏蔽和抗輻射能力強等一系列優點，伴隨著世界范圍內日益嚴峻的能源和環境問題，鎂及鎂合金在輕量化領域具有廣闊的應用前景。但是，鎂合金較低的綜合力學性能制約了它的廣泛應用。金屬基復合材料是以金屬材料為基體，以晶須、纖維或顆粒為增強體復合而成的材料，可通過合理設計使得基體與增強體之間互相取長補短，發揮各自性能優勢。鎂基復合材料以其高的比強度、模量、硬度、尺寸穩定性，以及優良的耐磨、耐蝕、減振性能和高溫性能，在航空以及運輸業獲得越來越廣泛的關注。目前，鎂基復合材料已成功運用到很多方面，如美國TEXT RON公司、Dow化學公司，利用SiCp/Mg復合材料已制造出螺旋槳、導彈尾翼、內部加強氣缸等。

金屬基復合材料的力學性能主要取決于增強相的尺寸、體積分數以及基體-增強相界面。常規的金屬基復合材料制備包括在鑄造過程中加入陶瓷顆粒或粉末冶金，以這些方式加入的顆粒尺寸將受限于原始顆粒尺寸，很難獲得細小的增強相顆粒尺寸以及彌散的分布，因此很難通過Orowan強化機制提高性能。

攪拌摩擦焊加工是基于攪拌摩擦焊接原理發展起來的一種塑性加工技術。FSP過程中，攪拌區會經歷劇烈的塑性變形和熱暴露，從而形成晶粒細小、成分均一的再結晶組織。最近一些研究表明通過FSP可成功制備鋁基復合材料，并達到降低初始顆粒尺寸，獲得彌散增強相以及細小晶粒尺寸，從而達到提高材料綜合力學性能的目的。而目前關于通過FSP向鎂基體中加入顆粒增強體時，并不與鎂基體發生原位反應，而僅通過FSP技術將其導入。另外，一些非金屬顆粒由于與鎂基體的潤濕性較差，即使通過攪拌摩擦加工也較難與鎂基體形成較強的界面結合，與基體的相容性較差。而如何將非金屬元素成功導入至鎂及合金基體中并形成有效增強相，仍然是有待解決的問題。

高能球磨是一種利用固態擴散反應制進行金屬基復合材料制備的加工技術。該工藝通過將不同粉末在高能球磨機中球磨，粉末經磨球的碰撞、擠壓、重復地發生變形、斷裂、焊合、原子間相互擴散或進行固態反應而形成合金粉末。劇烈塑性變形在初始粉末中引入大量的晶體缺陷，從而提高了擴散速率；有研究還表明，高能球磨能夠顯著降低固態反應的激活能，降低反應開始的溫度。通過高能球磨技術能夠將非金屬元素或粉末與金屬材料混合，新形成的高能球磨粉末還具有較高的活性。不過，高能球磨法所制備的材料均為粉體材料，必須經過后續工藝如熱壓以及高溫擠壓才能獲得塊體材料以及進一步反應，步驟較為繁瑣。

技術實現要素：

本發明的目的在于客服上述現有技術存在的不足，提供一種有機結合高能球磨以及攪拌摩擦加工技術的優勢的原位制備含硼鎂基復合材料的方法。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

本發明涉及一種原位制備含硼鎂基復合材料的方法，所述方法包括如下步驟：

S1、混合Mg-RE合金碎屑與氮化硼粉末，通過高能球磨加工制備得到含硼高能球磨鎂合金粉末；

S2、在鎂或鎂合金基板上切割出溝槽作為復合材料制備區域；

S3、將待加工的鎂或鎂合金基板固定于攪拌摩擦加工設備平臺上，將所述含硼高能球磨鎂合金粉末均勻填埋至所述溝槽內并壓實；

S4、攪拌摩擦預加工：采用無針攪拌頭在填充了所述粉末的溝槽區域進行攪拌摩擦，將所述粉末封裝于溝槽中；

S5、攪拌摩擦加工：使用與溝槽尺寸匹配的帶針攪拌頭在預加工后的填充了所述粉末的溝槽區域進行攪拌摩擦，獲得含硼鎂基復合材料。

優選的，所述Mg-RE合金碎屑的尺寸為0.1～6mm；所述Mg-RE合金碎屑與氮化硼粉末的質量比為0.1％～5％。

優選的，Mg-RE合金中RE包括Gd、Nd、Y、Ce、Sm、La、Pr、Th、Dy、Tb、Ho。

優選的，所述鎂或鎂合金基板的厚度為2～10mm。

優選的，所述含硼高能球磨鎂合金粉末的尺寸≦150μm。

優選的，步驟S4中，所述無針攪拌頭只含軸肩，且軸肩表面具有向外凸出弧度，軸肩尺寸大于所述溝槽寬度，無針攪拌頭與垂直方向的傾角為1～3°，無針攪拌頭下壓量0.1-2mm，無針攪拌頭旋轉速度300～2000rpm，無針攪拌頭前進速度10～500mm/min。更優選無針攪拌頭旋轉速度800～1200rpm，無針攪拌頭前進速度60～120mm/min。

優選的，步驟S5中，所述帶針攪拌頭與垂直方向的傾角為1～3°，帶針攪拌頭下壓量0.1～2mm，帶針攪拌頭旋轉速度300～2000rpm，帶針攪拌頭前進速度10～400mm/min。更優選帶針攪拌頭旋轉速度800～1600rpm，帶針攪拌頭前進速度60～120mm/min。

優選的，步驟S5中，所述攪拌摩擦為多道次攪拌摩擦。在本發明的體系中，進行多道次攪拌摩擦加工后發現增強粒子的分布更加均勻彌散。

優選的，所述多道次攪拌摩擦的加工次數為1～5次。

與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：

1)本發明結合高能球磨和攪拌摩擦加工兩種技術的優勢，在攪拌摩擦加工過程中，加入高能球磨獲得含B金屬粉末進行鎂基復合材料的制備；與直接加入陶瓷顆粒相比，高能球磨獲得的高活性金屬顆粒可以提高通過攪拌摩擦加工原位生成增強相的反應率，也利用了攪拌摩擦加工過程中的熱力耦合作用，使原來高能球磨后續的燒結以及熱擠壓工序合為一步，精簡了制備工藝。

2)相對于常規的熱擠壓工藝，攪拌摩擦加工可以使增強相彌散分布，且獲得均勻細小的基體晶粒尺寸。

3)攪拌摩擦加工設備可以兼具將粉末封裝的功能，使粉末與基體材料在密閉空間中混合及反應更加充分。

4)攪拌摩擦加工過程中的劇烈變形和熱暴露可以激活增強相的原位生成反應。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯：

圖1為填粉溝槽以及攪拌摩擦加工示意圖；其中，1為金屬基體材料，2為攪拌頭，3為粉末，4為溝槽；

圖2為本發明實施例2得到攪拌摩擦加工區中增強粒子分布的顯微結構照片，其中，(a)為金相照片，(b)為掃描電鏡照片；

圖3為本發明實施例3得到攪拌摩擦加工區中增強粒子分布的顯微結構照片，其中，(a)為金相照片，(b)為掃描電鏡照片；

圖4為本發明實施例3得到的攪拌摩擦加工區中增強粒子的透射電鏡明場照片和ESD結果；其中，(a)為分布有增強粒子的攪拌加工區顯微組織透射電鏡明場照片，(b)為增強粒子高倍透射電鏡明場照片，(c)為透射電鏡自帶能譜對(b)圖所示增強粒子的成分檢測EDS結果。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干調整和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。

實施例1

本實施例涉及一種原位制備含硼鎂基復合材料的方法；按照設計的粉末成分將Mg-Gd合金碎屑與BN粉在高能球磨設備上混合，然后提高轉速在氬氣保護下進行高能球磨，獲得尺寸≦150μm的Mg-Gd-B金屬粉末，其中，Mg-Gd合金碎屑的尺寸為4～6mm，其與氮化硼粉末的質量比為4％；如圖1所示，在厚6mm的金屬基體材料1(本實施例選用純鎂板材)上通過電火花線切割設備沿板長度方向制備寬1mm，深3mm的填粉溝槽4；隨后將待加工純鎂板用夾具固定于攪拌摩擦加工設備平臺上；將高能球磨Mg-Gd-B金屬粉末3均勻填埋至純鎂基板的溝槽內并壓實；采用具有外凸弧度軸肩的無針攪拌頭2于填充粉末的溝槽處進行預加工，將粉末封裝于溝槽中，其中，攪拌頭軸肩直徑23mm，攪拌頭與垂直方向的傾角為2.5°，攪拌頭下壓量0.25mm，攪拌頭旋轉速度800rpm，攪拌頭前進速度60mm/min；采用軸肩直徑15mm，攪拌針直徑5mm，高度3.8mm的攪拌頭對純鎂基體上的粉末填充區域進行攪拌摩擦加工，其中攪拌頭與垂直方向的傾角為2.5°，攪拌頭下壓量0.35mm，攪拌頭旋轉速度1600rpm，攪拌頭前進速度60mm/min。利用攪拌摩擦過程中產生的熱量及劇烈的材料流動，加上高能球磨Mg-Gd-B粉末所具備的高活性，獲得了鎂基含B復合材料。所獲得攪拌區中增強顆粒可與純鎂基體材料充分混合反應，獲得晶粒尺寸細小且含B增強相的充分混合分布的加工區域。

對比例1

本對比例是實施例1的對照例。在本對比例中，采用市售純B粉末；在厚6mm的純鎂板材上通過電火花線切割設備沿板長度方向制備寬1mm，深3mm的填粉溝槽；隨后將待加工純鎂板用夾具固定于攪拌摩擦加工設備平臺上；將純B粉末均勻填埋至純鎂基板的溝槽內并壓實；采用具有外凸弧度軸肩的無針攪拌頭于填充粉末的溝槽處進行預加工，將粉末封裝于溝槽中，其中，攪拌頭軸肩直徑23mm，攪拌頭與垂直方向的傾角為2.5°，攪拌頭下壓量0.25mm，攪拌頭旋轉速度800rpm，攪拌頭前進速度60mm/min；采用軸肩直徑15mm，攪拌針直徑5mm，高度3.8mm的攪拌頭對純鎂基體上的粉末填充區域進行攪拌摩擦加工，其中攪拌頭與垂直方向的傾角為2.5°，攪拌頭下壓量0.35mm，攪拌頭旋轉速度1600rpm，攪拌頭前進速度60mm/min。雖然在此過程中通過攪拌摩擦產生的較多的熱量以及劇烈的材料流動，但是結果顯示，純B粉末很難于混合于純鎂基體中，兩者之間存在明顯的界限，界面結合強度差，純B粉末易脫落，兩者沒有得到有機的結合。

實施例2

按照設計的粉末成分將Mg-Gd合金碎屑與BN粉在高能球磨設備上混合，然后提高轉速在氬氣保護下進行高能球磨，獲得尺寸≦150μm的Mg-Gd-B金屬粉末，其中，Mg-Gd合金碎屑的尺寸為0.5～2.5mm，其與氮化硼粉末的質量比為1％；采用與高能球磨粉末成分相近的Mg-Gd-Zr合金板材作為基體母材，其厚度為6mm，在Mg-Gd-Zr合金板材上通過電火花線切割設備沿板長度方向制備寬2mm，深3mm的填粉溝槽；隨后將待加工Mg-Gd-Zr合金板用夾具固定于攪拌摩擦加工設備平臺上；將高能球磨Mg-Gd-B金屬粉末均勻填埋至Mg-Gd-Zr合金基板的溝槽內并壓實；采用具有外凸弧度軸肩的無針攪拌頭于填充粉末的溝槽處進行預加工，將粉末封裝于溝槽中，其中，攪拌頭軸肩直徑23mm，攪拌頭與垂直方向的傾角為2.5°，攪拌頭下壓量0.25mm，攪拌頭旋轉速度800rpm，攪拌頭前進速度120mm/min；采用軸肩直徑15mm，攪拌針直徑5mm，高度3.8mm的攪拌頭對Mg-Gd-Zr基體上的粉末填充區域進行攪拌摩擦加工，其中攪拌頭與垂直方向的傾角為2.5°，攪拌頭下壓量0.35mm，攪拌頭旋轉速度800pm，攪拌頭前進速度120mm/min。利用攪拌摩擦過程中產生的熱量及劇烈的材料流動，加上高能球磨Mg-Gd-B粉末所具備的高活性，同時利用基體母材與高能球磨粉末成分相近帶來的高結構匹配度，獲得了鎂基含B復合材料。所獲得攪拌區中增強顆粒可與Mg-Gd-Zr基體材料充分混合反應，如圖2的金相及掃描電鏡照片所示，獲得了晶粒尺寸細小且含B增強相的充分混合分布的加工區域。

實施例3

按照設計的粉末成分將Mg-Gd合金碎屑與BN粉在高能球磨設備上混合，然后提高轉速在氬氣保護下進行高能球磨，獲得尺寸≦150μm的Mg-Gd-B金屬粉末，其中，Mg-Gd合金碎屑的尺寸為2～3mm，其與氮化硼粉末的質量比為2％；在厚6mm的AZ31板材上通過電火花線切割設備沿板長度方向制備寬1mm，深3mm的填粉溝槽；隨后將待加工AZ31板材用夾具固定于攪拌摩擦加工設備平臺上；將高能球磨Mg-Gd-B金屬粉末均勻填埋至AZ31板材基板的溝槽內并壓實；采用具有外凸弧度軸肩的無針攪拌頭于填充粉末的溝槽處進行預加工，將粉末封裝于溝槽中，其中，攪拌頭軸肩直徑23mm，攪拌頭與垂直方向的傾角為2.5°，攪拌頭下壓量0.25mm，攪拌頭旋轉速度1200rpm，攪拌頭前進速度100mm/min；采用軸肩直徑15mm，攪拌針直徑5mm，高度3.8mm的攪拌頭對AZ31板材基板上的粉末填充區域進行攪拌摩擦加工，其中攪拌頭與垂直方向的傾角為2.5°，攪拌頭下壓量0.25mm，攪拌頭旋轉速度1200rpm，攪拌頭前進速度100mm/min。利用攪拌摩擦過程中產生的熱量及劇烈的材料流動，加上高能球磨Mg-Gd-B粉末所具備的高活性，獲得了鎂基含B復合材料。所獲得攪拌區中增強顆粒可與AZ31基體材料充分混合反應，獲得晶粒尺寸細小且含B增強相的充分混合分布的加工區域。圖3顯示了攪拌摩擦加工區中增強粒子分布的金相及掃描電鏡照片，可見有較多的增強顆粒分布于AZ31基體中，圖4中顯示的攪拌摩擦加工區增強粒子的透射電鏡明場照片及ESD結果顯示，通過攪拌摩擦加工及高能球磨技術可以在AZ31鎂合金中生成含B增強粒子。

通過對比未開槽的AZ31攪拌區鎂合金拉伸力學性能以及本實施例中攪拌區鎂基復合材料力學性能，發現含硼鎂基復合材料強度明顯提高，且具有較高的綜合力學性能，具體拉伸性能結果如下：未開槽的AZ31攪拌區鎂合金屈服強度58.92MPa，抗拉強度170.47MPa，延伸率13.99％；本實施例中攪拌區鎂基復合材料屈服強度78.72MPa，抗拉強度232.43MPa，延伸率13.89％。在本實施例的基礎上，再進行多道次攪拌摩擦加工后發現增強粒子的分布更加均勻彌散。

以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的實質內容。