一种MAX相陶瓷-镁或镁合金复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术关于一种MAX相陶瓷‑镁或镁合金复合材料及其制备方法。主要采用的技术方案为：一种MAX相陶瓷‑镁或镁合金复合材料的制备方法，包括如下步骤：将MAX相陶瓷粉体或由MAX相陶瓷粉体制成的MAX相陶瓷坯体放置在加热炉内的加热区、将镁块或镁合金块放置在加热炉的投料器中；在保护气氛或真空条件下，对放置在加热区的MAX相陶瓷粉体或MAX相陶瓷坯体进行加热，加热至烧结温度，并保温第一设定时间，得到烧结块；将烧结块的温度调节至熔渗温度，控制投料器翻转，将镁块或镁合金块投至烧结块上，保温第二设定时间以进行高温熔渗，冷却后得到MAX相陶瓷‑镁或镁合金复合材料。本发明专利技术主要用于以简单的工艺制备出轻质、高强、耐磨的MAX相陶瓷‑镁或镁合金复合材料。

【技术实现步骤摘要】
一种MAX相陶瓷-镁或镁合金复合材料及其制备方法
本专利技术涉及一种轻质高强结构材料
，特别是涉及一种MAX相陶瓷-镁或镁合金复合材料及其制备方法。
技术介绍
轻质高强结构材料由于其重量轻，机械性能优越，对于工程应用领域诸如航天航空、汽车工业有重要意义，具有减载减重、节能减排等优势。镁合金作为轻质的金属结构材料，具有高的比强度和比刚度、优良的铸造性能和机械加工性能，有着广泛的应用前景。然而镁合金较低的弹性模量、有限的高温强度、较差的耐磨性和耐蚀性，大大限制了其工业化应用。通过复合强化的方法可以有效弥补上述不足，在保持镁合金轻质优势的同时，镁合金的强度、抗蠕变性能和耐磨性可以通过增强相的复合而得到进一步的提高，从而拓宽镁合金的应用领域。由MAX相陶瓷(如Ti2AlC、Ti3AlC2等)和镁金属组成的复合材料可以在保持两组成相性能优点的前提下，通过各组分性能的互补和关联可以获得单一组成相所不能达到的综合性能。但是目前制备MAX相陶瓷和镁金属组成的复合材料大多是通过粉末冶金以及在液态熔体中添加第二相等方法制备而成，在操作过程中需要二次开炉，多次加热升温，制备的材料仍需要进一步机械加工或变形处理，因此，这些方法大都具有生产周期长、效率低、制备步骤繁多、工艺复杂以及能源浪费度大等缺点。且所制备的MAX相陶瓷-Mg及Mg合金复合材料中的陶瓷相体积分数不高，使得材料的强度及耐磨性等力学性能难以提高。目前，由MAX相陶瓷和镁金属制备复合材料的相关技术如下：第一种相关技术是：通过将商用的镁合金(AZ91D)在坩埚中升温至熔化，随后在降温至450-550℃达到镁合金的半固态并开启搅拌功能。将MAX陶瓷相(如Ti2AlC，Ti3SiC2等)粉体加入到高速搅拌的半固态Mg熔体中。重新加热到680-750℃并搅拌10-30min再降温到半固态，将熔体浇注到不锈钢模具中保压50-100MPa冷却至室温得到坯料。将坯料置于中频感应线圈中进行二次加热，当坯料达到半固态状态后，取出坯料并放入压铸机和挤压铸造机的压室或锻压机的模具型腔中，然后将此半固态坯料进行压力成型，制备出材质为MAX相陶瓷-Mg合金的活塞。第二种相关技术是：把预热到60℃的具有耐磨自润滑性能的Ti3SiC2陶瓷粉体加入到高速搅拌的半固态AE44镁合金中，将熔体升温到700℃保温10min，再次降温到500℃获得半固态坯料。将温度为500℃的坯料置入压力机，采用0.5mm/s的速度热反挤压获得管状气缸套毛坯，对其依次进行粗车、粗镗、车工艺外圆、精镗以及精车外圆，粗珩磨、精珩磨以及平台珩磨，得到镁基气缸套成品。上述两种MAX相陶瓷和镁金属组成的复合材料的制备技术主要是通过将MAX相陶瓷粉加入半固态的镁或镁合金之中并搅拌，通过升温熔化均匀，再次降温至半固态，随后对坯料进行挤出或加压而得到MAX增强镁基复合材料。通过MAX相的分布和塑性变型来提高材料性能。但是，本专利技术的专利技术人发现上述技术至少存在如下技术问题：(1)以上方法在操作过程中需要二次开炉(即，将镁或镁合金加热至半固态后需要再次开炉进行加MAX相陶瓷粉)，多次加热升温，制备的材料仍需要进一步机械加工或变形处理，使得制备生产周期长、效率低、制备步骤繁多、工艺复杂以及能源浪费度大等。(2)上述方法将陶瓷粉添加到半固态的镁或镁合金之中并搅拌，但是这种添加并不是可以无限的添加，添加过多会使粉体在半固态的镁或镁合金之中团簇聚集，分散不均匀，形成缺陷，因此现有技术制备的复合材料中MAX相陶瓷体积含量较低，基本上为5-30％，并且不容易进行调节，使得硬度、强度、耐磨性满足不了大多数实际应用要求。(3)通过传统机械搅拌的方法制备复合材料，陶瓷相与金属相并不能均匀的分散，两者界面结合较弱，陶瓷相之间被金属阻断，连通性较差，使得力学性能受到影响。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种MAX相陶瓷-镁或镁合金复合材料及其制备方法，主要目的在于以简单的工艺制备出性能优异的MAX相陶瓷-镁或镁合金复合材料。为达到上述目的，本专利技术主要提供如下技术方案：一方面，本专利技术的实施例提供一种MAX相陶瓷-镁或镁合金复合材料的制备方法，其中，包括如下步骤：放料步骤：将MAX相陶瓷粉体或由MAX相陶瓷粉体制成的MAX相陶瓷坯体放置在加热炉内的加热区、将镁块或镁合金块放置在所述加热炉的投料器中；烧结步骤：在保护气氛或真空条件下，对放置在所述加热区的MAX相陶瓷粉体或MAX相陶瓷坯体进行加热，加热至烧结温度，并保温第一设定时间，以将MAX相陶瓷粉体或所述MAX相陶瓷坯体烧结成块，得到烧结块；高温熔渗步骤：将所述烧结块的温度调节至熔渗温度，控制所述投料器翻转，将镁块或镁合金块投至放置在所述加热区的所述烧结块上，保温第二设定时间以进行高温熔渗，冷却后得到MAX相陶瓷-镁或镁合金复合材料。优选的，所述MAX相陶瓷粉体为Ti2AlC粉体、Ti3AlC2粉体中的一种粉体。优选的，由所述MAX相陶瓷粉体制成MAX相陶瓷坯体的方法如下：采用冷压成型将所述MAX相陶瓷粉体成型为MAX相陶瓷坯体；优选的，将所述MAX相陶瓷粉体放入模具中，再将所述模具置于液压机上，加压至3-10MPa、保压0.1-2h后，开模后得到MAX相陶瓷坯体。优选的，由所述MAX相陶瓷粉体制成MAX相陶瓷坯体的方法如下：采用注浆成型将所述MAX相陶瓷粉体成型为MAX相陶瓷坯体；优选的，将MAX相陶瓷粉体与分散剂进行混合、搅拌，制成MAX相陶瓷粉浆；将所述MAX相陶瓷粉浆注入石膏模具内，待所述MAX相陶瓷粉浆中的液体被吸收后，得到MAX相陶瓷坯体；进一步优选的，所述分散剂为去离子水；优选的，在所述MAX相陶瓷粉浆中，MAX相陶瓷粉体的质量分数为40-70％。优选的，在所述放料步骤中：将MAX相陶瓷粉体置于石墨模具中，将石墨模具放在加热炉的加热区中。优选的，在所述烧结步骤中：所述烧结块的孔隙率为15％-70％，孔隙尺寸为10nm-100μm。优选的，所述MAX相陶瓷粉体与Mg块或Mg合金块的质量比小于等于1：2。优选的，在所述烧结步骤中：所述烧结温度为750-1200℃，且在所述烧结温度下保温0.5-2h。优选的，在所高温熔渗步骤中：若投料器放置的是镁块，则所述熔渗温度高于镁的熔点；若投料器放置的是镁合金块，则所述熔渗温度高于镁合金的熔点；优选的，所述熔渗温度为750-900℃；优选的，保温第二设定时间至少为5min。优选的，所述加热炉包括：炉腔；基座，所述基座安置在所述炉腔的内底部；其中，所述基座用于放置加热容器；所述加热容器用于容置MAX相陶瓷粉体或MAX相陶瓷坯体(优选的，加热容器选用石墨坩埚或石墨模具)；加热体，所述炉腔内设置环形的加热装置，用于对放置在所述基座上的加热容器进行加热；其中，所述加热容器位于所述环形的加热装置围设的加热区中；投料器，所述投料器具有盛料结构，所述盛料结构位于炉腔内，且靠近所述炉腔的内顶部设置；所述盛料结构用于放本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MAX相陶瓷-镁或镁合金复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n放料步骤：将MAX相陶瓷粉体或由MAX相陶瓷粉体制成的MAX相陶瓷坯体放置在加热炉内的加热区、将镁块或镁合金块放置在所述加热炉的投料器中；/n烧结步骤：在保护气氛或真空条件下，对放置在所述加热区的MAX相陶瓷粉体或MAX相陶瓷坯体进行加热，加热至烧结温度，并保温第一设定时间，以将MAX相陶瓷粉体或所述MAX相陶瓷坯体烧结成块，得到烧结块；/n高温熔渗步骤：将所述烧结块的温度调节至熔渗温度，控制所述投料器翻转，将镁块或镁合金块投至放置在所述加热区的烧结块上，保温第二设定时间以进行高温熔渗，冷却后得到MAX相陶瓷-镁或镁合金复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种MAX相陶瓷-镁或镁合金复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
放料步骤：将MAX相陶瓷粉体或由MAX相陶瓷粉体制成的MAX相陶瓷坯体放置在加热炉内的加热区、将镁块或镁合金块放置在所述加热炉的投料器中；
烧结步骤：在保护气氛或真空条件下，对放置在所述加热区的MAX相陶瓷粉体或MAX相陶瓷坯体进行加热，加热至烧结温度，并保温第一设定时间，以将MAX相陶瓷粉体或所述MAX相陶瓷坯体烧结成块，得到烧结块；
高温熔渗步骤：将所述烧结块的温度调节至熔渗温度，控制所述投料器翻转，将镁块或镁合金块投至放置在所述加热区的烧结块上，保温第二设定时间以进行高温熔渗，冷却后得到MAX相陶瓷-镁或镁合金复合材料。


2.根据权利要求1所述的MAX相陶瓷-镁或镁合金复合材料的制备方法，其特征在于，所述MAX相陶瓷粉体为Ti2AlC粉体、Ti3AlC2粉体中的一种粉体。


3.根据权利要求1或2所述的MAX相陶瓷-镁或镁合金复合材料的制备方法，其特征在于，由所述MAX相陶瓷粉体制成MAX相陶瓷坯体的方法如下：
采用冷压成型将所述MAX相陶瓷粉体成型为MAX相陶瓷坯体；
优选的，将所述MAX相陶瓷粉体放入模具中，再将所述模具置于液压机上，加压至3-10MPa、保压0.1-2h后，开模后得到MAX相陶瓷坯体。


4.根据权利要求1或2所述的MAX相陶瓷-镁或镁合金复合材料的制备方法，其特征在于，由所述MAX相陶瓷粉体制成MAX相陶瓷坯体的方法如下：
采用注浆成型将所述MAX相陶瓷粉体成型为MAX相陶瓷坯体；
优选的，将MAX相陶瓷粉体与分散剂进行混合、搅拌，制成MAX相陶瓷粉浆；将所述MAX相陶瓷粉浆注入石膏模具内，待所述MAX相陶瓷粉浆中的液体被吸收后，得到MAX相陶瓷坯体；进一步优选的，所述分散剂为去离子水；优选的，在所述MAX相陶瓷粉浆中，MAX相陶瓷粉体的质量分数为40-70％。


5.根据权利要求1或2所述的MAX相陶瓷-镁或镁合金复合材料的制备方法，其特征在于，在所述放料步骤中：将MAX相陶瓷粉体置于石墨模具中，将盛有MAX相陶瓷粉体的石墨模具放在加热炉的加热区中；和/或
在所述烧结步骤中：所述烧结块的孔隙率为15％-70％，孔隙尺寸为10nm-100μm。


6.根据权利要求1或2所述的MAX相陶瓷-镁或镁合金复合材料的制备方法，其特征在于，所述MAX相陶瓷粉体与Mg块或Mg合金块的质量比小于等于1...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘增乾，谷瑞成，刘艳艳，张哲峰，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21