[发明专利]Mg2Si－Cu合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种材料技术领域的合金及其制备方法，具体的说，涉及一种高强韧Mg₂Si-Cu合金及其制备方法。

背景技术

作为6000系列铝合金(Al-Mg-Si系)和铸造Mg-Si合金主要增强相的Mg₂Si，具备极低密度(1.99g/cm³)、高熔点(1087℃)和高的比强度等优异性能，有发展成为新型结构材料的重大潜力。可用于制造Al合金和Mg合金所无法胜任的发动机关键部件，从而满足航空航天和汽车工业对轻质高强材料的需求。此外，Mg₂Si的组成资源非常丰富，我国的原镁产量、产能和出口均占世界首位。因此发展Mg₂Si可充分利用廉价资源，节省战略元素。Mg₂Si作为结构材料应用的最主要问题是室温脆性问题，室温断裂韧性K_IC仅有0.64MPa·m^1/2，而韧脆转变温度高达450℃，表现为解理断裂，这和Mg₂Si具有CaF₂型(C1)的晶体结构，其原子键合具有较高的离子键成分有关。为推动Mg₂Si作为新型结构材料使用，我们有必要对Mg₂Si的增韧途径进行研究，以实现强韧性的综合平衡。

国内外关于Mg₂Si结构应用的文章主要是将其作为增强相和Al、Mg等塑性基体进行复合，而以Mg₂Si自身为基体改善韧性的研究很少，大体可分成两类，一类是进行合金化；另一类是进行纳米化。

经过对现有技术文献的检索发现，Li G.H.和Varin R.A.等人在《Metallurgical Transaction》(冶金学报，1993，vol.24A，2383-2391)以及《Proceeding of Symposium on Processing and Fabrication of AdvancedMaterials for High Temperature Applications-II》(先进高温材料的加工及制备会议论文集，1993，127-140)中研究了Ni、Cu、Cr等元素的加入对Mg₂Si的组织、硬度及断裂韧性的影响，提出这些合金元素会和Mg或Si发生反应，促进共晶或脆性化合物的形成，对硬度及断裂韧性均无好的影响。Wang L.和Qin X.Y.等人则在《Scripta Matererialia》(材料导报，2003，vol.49，243-248)中用固相反应及热压烧结的方法制备了纳米Mg₂Si，获得约2.6倍的韧性改善。断裂韧性从0.64MPa·m^1/2提高到1.67MPa·m^1/2。但这离实用仍有很大差距。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种高强韧Mg₂Si-Cu合金及其制备方法，使其以Mg₂Si金属间化合物为基体，特别适用于对结构重量要求严格的汽车、航空、航天等领域，克服了Mg₂Si金属间化合物的脆性问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所述的Mg₂Si-Cu合金，其中Cu占合金总重量的百分比为1％-20％，余量为Mg₂Si。本发明是以Mg₂Si为基体，向其中加入Cu合金元素。所述Cu以固溶形式，或者固溶形式和Cu-Mg-Si三元相的形式存在于Mg₂Si基体中。

本发明Cu合金元素的优选重量百分比为5％-15％。

本发明所述的Mg₂Si-Cu合金的制备方法，在Mg₂Si中加入Cu，有两种工艺路线：一是将合成的Mg₂Si和铜粉混合，球磨得到纳米级粉体；二是先球磨得到纳米级Mg₂Si再和纳米铜粉混合。上述合金粉体通过快速烧结方法制备成块体材料，在此过程中Cu溶入Mg₂Si基体中形成固溶体或固溶体和Cu-Mg-Si三元相。

所述Mg₂Si，通过固态反应等方法合成。

所述快速烧结方法，是指：将制得的混合粉体置于石墨坩埚中，在800-860℃下进行放电等离子烧结(SPS)，真空烧结时施加20-40MPa的压力。