專(zhuān)利名稱(chēng)：輕質(zhì)納米晶鈦基纖維增強(qiáng)鎂合金塊體復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，涉及一種納米晶鈦基纖維增強(qiáng)鎂合金塊體復(fù)合材料及 其制備方法。
背景技術(shù)：
目前金屬材料領(lǐng)域中，對(duì)纖維及其對(duì)鎂的作用受到了重視。陶國(guó)林在重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)2005第22卷第5期研究了石墨(碳)纖維增強(qiáng)鎂 基復(fù)合材料。200810035823. 2提出二氧化鈦碳涂層碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。但是石墨 (碳)纖維和鎂存在界面反應(yīng)，生成大量反應(yīng)產(chǎn)物，形成聚集的脆性相和界面反應(yīng)產(chǎn)物脆性 層，造成纖維等增強(qiáng)體嚴(yán)重?fù)p傷，材料的性能急劇下降。如果要解決界面反應(yīng)問(wèn)題，可采取 碳纖維涂層方式，但工藝復(fù)雜，成本高。嚴(yán)彪在上海鋼研雜志2004年第3期討論了 AlTi纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。選用 平均粒徑100 μ m的鎂合金粉末，采用粉末冶金技術(shù)制備鎂合金和Al-Ti纖維，體積含量為 10%的增強(qiáng)鎂合金試樣?；w鎂合金的具體成分(wt%)為Mg-16AI-5Zn-5Cu-3Re-l. 5Mn -1. ISi-O. 5Ti。在鎂合金粉末中加人通過(guò)快速凝固制成的AI-Ti纖維，纖維中Al和Ti的含 量分別為62wt. %和38wt. %，纖維長(zhǎng)度平均1. 5mm，截面接近四邊形，邊長(zhǎng)0. 2-0. 4mm。將 鎂合金粉末與Al-Ti纖維混合均勻，冷壓成型后進(jìn)行粉末燒結(jié)。燒結(jié)工藝為先將壓坯加熱 到150°C，保溫0. 5小時(shí)，并對(duì)其加壓，然后升溫至450-500°C，加壓并保溫1. 5小時(shí)。整個(gè) 實(shí)驗(yàn)在氫氣保護(hù)下進(jìn)行。該技術(shù)采用金屬纖維，即使出現(xiàn)界面反應(yīng)，也不會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷纖維等 增強(qiáng)體。但是所用AlTi纖維熔點(diǎn)低，在燒結(jié)過(guò)程中纖維容易熔入鎂合金基體，起不到纖維 增強(qiáng)的作用。晏建武等采用較高熔點(diǎn)的鈦纖維，在稀有金屬雜志1996年第3期發(fā)表了鈦纖維增 強(qiáng)鈦合金復(fù)合材料的研究，采用真空熱壓工藝制備鈦纖維增強(qiáng)鈦合金復(fù)合材料。但是，該技 術(shù)采用鈦纖維增強(qiáng)鈦合金，復(fù)合材料的重量較大，不能滿(mǎn)足比強(qiáng)度更高的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對(duì)上述技術(shù)缺陷，提供一種輕質(zhì)納米晶鈦基纖維增強(qiáng)鎂合金 塊體復(fù)合材料，該復(fù)合材料的性能優(yōu)越，強(qiáng)度高。本發(fā)明的另一目的是提供上述輕質(zhì)納米晶鈦基纖維增強(qiáng)鎂合金塊體復(fù)合材料的 制備方法，該制備方法工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，適于工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種輕質(zhì)納米晶鈦基纖維增強(qiáng)鎂合金塊體復(fù)合材料，該復(fù)合材料以鎂合金為 基體，在基體上分布著納米晶鈦基纖維，納米晶鈦基纖維占復(fù)合材料的體積百分?jǐn)?shù)為 40-60% ；該鎂合金基體化學(xué)成分的重量百分含量為A1為5% 9%，Pb為0. 0.9%，Sm 為 0. 003% -0. 09%，其余為 Mg ；納米晶鈦基纖維化學(xué)成分的重量百分含量為A1為25% 30%，Cu為5% 10%, Sr 為 5%，Sn 為 0. 05% 0. 09%, Sm 為 0. 003-0. 09%, Dy 為 0. 5% 1. 5%, Nd為0.5% 2%，其余為T(mén)i。本發(fā)明輕質(zhì)納米晶鈦基纖維增強(qiáng)鎂合金塊體復(fù)合材料的制備方法，其特征在于 它包括以下步驟納米晶鈦基纖維的準(zhǔn)備將占原料總重Al為25% 30%，Cu為5% 10%，Sr 為 1 % 5 %，Sn 為 0. 05 % 0. 09 %，Sm 為 0. 003-0. 09 %，Dy 為 0. 5 % 1. 5 %，Nd 為 0. 5% 2%，其余為T(mén)i的原料置于帶有加熱裝置的升液管內(nèi)熔化而形成鈦合金液；熔化 溫度1780-1800°C，合金液通過(guò)升液管與旋轉(zhuǎn)的水冷銅合金轉(zhuǎn)輪凸緣接觸，水冷銅合金轉(zhuǎn)輪 轉(zhuǎn)輪凸緣將合金液拽出，形成鈦基合金材料纖維，轉(zhuǎn)輪凸緣的線(xiàn)速度為17-21m/s ；該鈦基 合金材料纖維的直徑為10-45 μ m;轉(zhuǎn)輪開(kāi)轉(zhuǎn)前開(kāi)啟轉(zhuǎn)輪水冷系統(tǒng)，水冷系統(tǒng)進(jìn)水溫度小于 30 0C ；鎂合金基體的準(zhǔn)備將重量百分含量為A1為5% 9%，Pb為0. 0. 9%，Sm 為0. 003-0. 09%，其余為Mg的原料在680-720°C溫度下熔化成鎂合金液；將上述鈦基合金材料纖維成束放置于有加熱裝置的底部通真空系統(tǒng)的鋼制模具 的空腔中形成鈦基纖維預(yù)制體，鈦基合金材料纖維體積占金屬模具空腔體積的40-60%，開(kāi) 啟加熱裝置控制鋼制模具內(nèi)溫度為450-550°C ；再將上述鎂合金液體澆入鋼制模具空腔內(nèi)鈦基合金材料纖維的上面并注滿(mǎn)模具， 澆入同時(shí)開(kāi)啟模具底部的真空系統(tǒng)，控制相對(duì)真空度為_(kāi)20Kpa的壓力，鎂合金液在真空系 統(tǒng)的壓力作用下滲入鈦基纖維預(yù)制體，在真空系統(tǒng)內(nèi)冷卻凝固而形成納米晶鈦基纖維增強(qiáng) 鎂合金塊體復(fù)合材料。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)的有益效果如下本發(fā)明的納米晶鈦基纖維中的Al、Cu、Sr、Sn、Sm元素共同作用可保證鈦合金液與 旋轉(zhuǎn)的鉬合金轉(zhuǎn)輪接觸時(shí)，能形成非晶組織；Al、Sn、Sr、Nd元素共同作用可保證在復(fù)合材 料滲入成型時(shí)促進(jìn)鈦合金從非晶向納米晶轉(zhuǎn)變；Cu、Dy、Sm元素共同作用可抑止鈦合金中 納米晶的長(zhǎng)大。鎂合金中Al、Pb、Sm元素能促進(jìn)鎂合金和納米晶鈦基纖維良好的界面結(jié)合。本發(fā)明的合金性能見(jiàn)表1。合金制備工藝簡(jiǎn)便，生產(chǎn)的合金材料性能好，而且生產(chǎn)成本低，非常便于工業(yè)化生產(chǎn)。
四

圖1為本發(fā)明實(shí)施例一制得的輕質(zhì)納米晶鈦基纖維增強(qiáng)鎂合金塊體復(fù)合材料的 金相組織。由圖1可以看到在鎂合金基體上分布有細(xì)小的納米晶鈦基纖維。
五具體實(shí)施例方式以下各實(shí)施例僅用作對(duì)本發(fā)明的解釋說(shuō)明，其中的重量百分比均可換成重量g、kg 或其它重量單位。
實(shí)施例一納米晶鈦基纖維按重量百分含量A1為 25%，Cu 為 5%，Sr 為 1 %，Sn 為 0. 05%, Sm 為 0. 003，Dy 為0. 5%，Nd為0. 5%，余量為T(mén)i進(jìn)行配料，將原料置于加熱容器內(nèi)，于1780-1800°C熔化 成鈦合金液；加熱容器中設(shè)置升液管，升液管上部設(shè)有旋轉(zhuǎn)的鉬合金轉(zhuǎn)輪；在1. 15atm氣 壓作用下合金液通過(guò)升液管和旋轉(zhuǎn)的鉬合金轉(zhuǎn)輪邊緣接觸，轉(zhuǎn)輪邊緣的線(xiàn)速度為17_22m/ s，鉬合金轉(zhuǎn)輪邊緣將合金液抽出，形成鈦基合金材料纖維，鈦基合金材料纖維的直徑為 10-45 μm ；鎂合金基體的準(zhǔn)備按重量百分含量Al為5%，Pb為0. 1%，Sm為0.003%，余量為Mg進(jìn)行配料，將 原料在680-720°C溫度下熔化成鎂合金液；將上述鈦基合金材料纖維成束放置于有加熱裝置的底部通真空系統(tǒng)的鋼制模具 的空腔中形成鈦基纖維預(yù)制體，鈦基合金材料纖維體積占金屬模具空腔體積的50% (由此 可控制納米晶鈦基纖維占復(fù)合材料的體積百分?jǐn)?shù)為40-60% )；開(kāi)啟加熱裝置控制鋼制模具內(nèi)溫度為450-550°C ；再將上述鎂合金液體澆入鋼制 模具空腔內(nèi)鈦基合金材料纖維的上面并注滿(mǎn)模具，澆入同時(shí)開(kāi)啟模具底部的真空系統(tǒng)，控 制相對(duì)真空度為_(kāi)20Kpa的壓力，鎂合金液在真空系統(tǒng)的壓力作用下滲入鈦基纖維預(yù)制體， 鎂合金液澆入后可以關(guān)閉加熱裝置，在真空系統(tǒng)開(kāi)啟狀態(tài)下冷卻凝固而形成納米晶鈦基纖 維增強(qiáng)鎂合金塊體復(fù)合材料。實(shí)施例二鎂合金基體的的準(zhǔn)備按重量百分含量A1為9 %，Pb為0. 9 %，Sm為0. 09 %，其余為Mg進(jìn)行配料。納米晶鈦基纖維的制備按重量百分含量A1為 30%，Cu 為 10%，Sr 為 5%，Sn 為 0. 09%, Sm 為 0. 09%, Dy為1.5%，而為2%，其余為T(mén)i進(jìn)行配料?？刂萍{米晶鈦基纖維占復(fù)合材料的體積百分?jǐn)?shù)為40%。其各制備過(guò)程同實(shí)施例一。實(shí)施例三鎂合金基體的準(zhǔn)備按重量百分含量A1為7 %，Pb為0. 6 %，Sm為0. 006 %，其余為Mg進(jìn)行配料；納米晶鈦基纖維的制備按重量百分含量A1為 27%，Cu 為 8%，Sr 為 3%，Sn 為 0. 06%, Sm 為 0. 004%, Dy為0. 8%，Nd為0. 9%，其余為T(mén)i進(jìn)行配料。控制納米晶鈦基纖維占復(fù)合材料的體積百分?jǐn)?shù)為60%。其各制備過(guò)程同實(shí)施例一。實(shí)施例四(原料各成份配比不在本發(fā)明配比范圍內(nèi)的實(shí)例)鎂合金基體的準(zhǔn)備按重量百分含量A1為4%，Pb為0. 05 %，Sm為0. 002，其余為Mg進(jìn)行配料；納米晶鈦基纖維的制備
按重量百分含量A1為 24%，Cu 為 4%，Sr 為 0. 5%，Sn 為 0. 04%, Sm 為 0. 002， Dy為0. 4%，Nd為0. 4%，其余為T(mén)i進(jìn)行配料；控制納米晶鈦基纖維占復(fù)合材料的體積百分?jǐn)?shù)為50%。
其各制備過(guò)程同實(shí)施例一。實(shí)施例五(原料各成份配比不在本發(fā)明配比范圍內(nèi)的實(shí)例)鎂合金基體的準(zhǔn)備按重量百分含量A1為10%，Pb為1%，Sm為0. 1%，其余為Mg進(jìn)行配料；納米晶鈦基纖維的制備按重量百分含量Al為 31%，Cu 為 11 %，Sr 為 6%，Sn 為 0.09%，Sm 為 0. l%,Dy 為1. 6%, Nd為2. 1%，其余為T(mén)i進(jìn)行配料；控制納米晶鈦基纖維占復(fù)合材料的體積百分?jǐn)?shù)為50%。其各制備過(guò)程同實(shí)施例一。下表為不同成份與配比的合金性能對(duì)照表表 權(quán)利要求
一種輕質(zhì)納米晶鈦基纖維增強(qiáng)鎂合金塊體復(fù)合材料，該復(fù)合材料以鎂合金為基體，在基體上分布著納米晶鈦基纖維，納米晶鈦基纖維占復(fù)合材料的體積百分?jǐn)?shù)為40 60％；該鎂合金基體化學(xué)成分的重量百分含量為Al為5％～9％，Pb為0.1％～0.9％，Sm為0.003％ 0.09％，其余為Mg；納米晶鈦基纖維化學(xué)成分的重量百分含量為Al為25％～30％，Cu為5％～10％，Sr為1％～5％，Sn為0.05％～0.09％，Sm為0.003 0.09％，Dy為0.5％～1.5％，Nd為0.5％～2％，其余為T(mén)i。
2.一種輕質(zhì)納米晶鈦基纖維增強(qiáng)鎂合金塊體復(fù)合材料的制備方法，其特征在于它包 括以下步驟納米晶鈦基纖維的準(zhǔn)備將占原料總重Al為25% 30%，Cu為5% 10%，Sr 為 1 % 5 %，Sn 為 0. 05 % 0. 09 %，Sm 為 0. 003-0. 09 %，Dy 為 0. 5 % 1. 5 %，Nd 為 0. 5% 2%，其余為T(mén)i的原料置于帶有加熱裝置的升液管內(nèi)熔化而形成鈦合金液；熔化 溫度1780-1800°C，合金液通過(guò)升液管與旋轉(zhuǎn)的水冷銅合金轉(zhuǎn)輪凸緣接觸，水冷銅合金轉(zhuǎn)輪 轉(zhuǎn)輪凸緣將合金液拽出，形成鈦基合金材料纖維，轉(zhuǎn)輪凸緣的線(xiàn)速度為17-21m/s ；該鈦基 合金材料纖維的直徑為10-45 μ m ；轉(zhuǎn)輪開(kāi)轉(zhuǎn)前開(kāi)啟轉(zhuǎn)輪水冷系統(tǒng)，水冷系統(tǒng)進(jìn)水溫度小于 30 0C ；鎂合金基體的準(zhǔn)備將重量百分含量為A1為5% 9%，Pb為0. 0. 9%，Sm為 0. 003-0. 09%，其余為Mg的原料在680-720°C溫度下熔化成鎂合金液；將上述鈦基合金材料纖維成束放置于有加熱裝置的底部通真空系統(tǒng)的鋼制模具的空 腔中形成鈦基纖維預(yù)制體，鈦基合金材料纖維體積占金屬模具空腔體積的40-60%，開(kāi)啟加 熱裝置控制鋼制模具內(nèi)溫度為450-550°C ；再將上述鎂合金液體澆入鋼制模具空腔內(nèi)鈦基合金材料纖維的上面并注滿(mǎn)模具，澆入 同時(shí)開(kāi)啟模具底部的真空系統(tǒng)，控制相對(duì)真空度為_(kāi)20Kpa的壓力，鎂合金液在真空系統(tǒng)的 壓力作用下滲入鈦基纖維預(yù)制體，在真空系統(tǒng)內(nèi)冷卻凝固而形成納米晶鈦基纖維增強(qiáng)鎂合 金塊體復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明提供一種輕質(zhì)納米晶鈦基纖維增強(qiáng)鎂合金塊體復(fù)合材料及其制備方法，該復(fù)合材料的性能優(yōu)越，強(qiáng)度高。其制備工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，適于工業(yè)化生產(chǎn)。該復(fù)合材料以鎂合金為基體，在基體上分布著納米晶鈦基纖維，納米晶鈦基纖維占復(fù)合材料的體積百分?jǐn)?shù)為40-60％，該鎂合金基體的化學(xué)成分的重量百分含量Al為5％～9％，Pb為0.1％～0.9％，Sm為0.003-0.09％，其余為Mg；納米晶鈦基纖維的化學(xué)成分的重量百分含量Al為25％～30％，Cu為5％～10％，Sr為1％～5％，Sn為0.05％～0.09％，Sm為0.003-0.09％，Dy為0.5％～1.5％，Nd為0.5％～2％，其余為T(mén)i。
文檔編號(hào)B22D11/06GK101942625SQ20101022023
公開(kāi)日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2010年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月6日
發(fā)明者何美琴, 王玲, 趙浩峰 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)