[发明专利]微纳米级增强体混杂增强镁锂基复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种微纳米级增强体混杂增强镁锂基复合材料的制备方法，尤其涉及一种微纳米级TiB₂颗粒和碳纳米管混杂增强Mg‑Li‑Al‑Zn‑Gd复合材料的制备方法。所述制备方法包括增强体的预处理、保护气氛下熔炼和塑性变形三个阶段。本发明使用双相混杂增强体增强复合材料，发挥了不同类型增强相在强化方面的不同作用，利用混杂增强实现协同强化的效果，同时通过增强体的预处理、保护气氛下熔炼和塑性变形，克服了纳米增强体的团簇，实现了增强体在基体合金中的均匀分布及其与合金基体良好的界面结合，获得了高强度和弹性模量并兼具一定塑性的复合材料。且发明工艺流程简单可控，适合批量生产，在航空航天领域显示出广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及的是一种微纳米级增强体混杂增强镁锂基复合材料的制备方法，尤其是涉及一种微纳米级TiB₂颗粒和碳纳米管混杂增强Mg-Li-Al-Zn-Gd复合材料的制备方法，属于金属基复合材料及其制备领域。

背景技术

现代工业对超轻高强结构材料的需求越来越迫切，镁锂合金作为最轻的金属结构材料也越来越受到广泛的关注。镁锂合金的密度一般为1.20-1.65g/cm³，同时具有高比强度、比刚度，良好的电磁屏蔽性能和机械加工性能，因此镁锂合金被广泛应用在军事、航空航天以及电子产品等领域。但是镁锂合金强度和刚度很低，尤其是低刚度限制了它在工程应用上的推广。传统的镁锂合金主要通过单独或同时添加铝和锌两种元素来提高镁锂合金的强度，但是这两种元素带来的强化效果有限。稀土是镁合金有效的强化元素，在镁锂合金中添加稀土元素，能够形成具有较高热稳定性的金属间化合物，改善合金的力学性能。同时稀土元素的加入，还能在镁锂合金中起到晶粒细化的作用，这也有利于提高镁锂合金的综合力学性能。许道奎等公开了《一种准晶相强化镁锂合金及其制备方法》(公开号CN1948532A)，通过控制Zn和Y的配比，在合金中形成准晶强化相，获得一种具有较高强度的镁锂合金。尽管通过合金化的方法，可以在一定程度上弥补Mg-Li合金的强度，但合金存在的过时效现象以及由此导致的强度衰减使得合金化方法具有一定的局限性，并且镁锂合金刚度不足也导致了其应用范围大大受限。而采用复合强化，则是提高Mg-Li基合金弹性模量、强度并防止强度衰退的一个可能途径。

目前，许多研究者对Mg-Li基复合材料的组织及组织与性能的关系、制备工艺等方面进行了研究，并针对增强体与基体之间存在的界面反应问题、润湿性等问题，尝试开发、使用多种新型增强体材料，如SiC、B、B₄C、C纤维、不锈钢丝等。尽管其在不同程度上提高了合金的力学性能，但仍存在某些问题，如：不锈钢丝的加入，因其密度问题而大大降低了镁锂基复合材料的比强度，且其对刚度提高不大；碳纤维因与Mg-Li合金基体发生过度界面反应而遭受严重损伤，继而大大影响复合材料的性能；硼颗粒的加入，虽然能较大幅度提高材料的压缩性能，但对其拉伸性能的提高没有显著效果。吴国清等通过熔铸得到YAl₂超细颗粒增强Mg-Li基复合材料，提高了材料的强度(《一种镁锂基复合材料及其制备方法》公开号：CN104789841A)。但YAl₂为金属间化合物，其本身弹性模量并不高，对复合材料的弹性模量的提升并不显著，添加量过多会导致复合材料的密度过高。TiB₂颗粒是一种铝基复合材料中常见的增强体，也是细化剂Al-Ti-B中间合金中细化晶粒的有效成分，其弹性模量为550GPa，且其能在镁锂熔体中稳定存在，不发生反应并有一定的润湿性；而碳纳米管具有优良的性能，其弹性模量为1TPa并且其和其它增强体增强减韧不同，其在复合材料中起到增强增韧的作用，成为了复合材料增强体的热点。因此，在镁锂基合金中加入碳纳米管和细小的TiB₂颗粒有望可以发挥不同增强相在强化方面的不同作用，提升镁锂合金的强度和弹性模量，并兼具一定塑性。而镁锂基复合材料的基体合金一般为了保持其轻质的特点，选择Li含量高于6wt％的合金作为基体，同时为了进一步使复合材料达到更好的性能，向基体镁锂合金中加入Al、Zn和Gd，可在基体中析出高温稳定强化相Mg₃AlGd₂，提高材料的热稳定性，且Gd能够起到细化晶粒的作用，Al、Zn也可更好的复合固溶强化基体，使基体达到更好的强化效果。