[发明专利]一种石墨烯增强Mg-Al-Zn合金的制备方法

说明书

本发明提供一种石墨烯增强Mg‑Al‑Zn合金的制备方法，属于金属材料制造技术领域。一种石墨烯增强Mg‑Al‑Zn合金的制备方法，包括以下步骤：在熔铸条件下，利用高能超声将镁石墨烯中间颗粒分批加入镁合金熔体中，之后迅速降温浇注得到熔铸坯料；接着将熔铸坯料放入真空熔炼炉中进行熔炼，利用交流电产生的电磁力对增强相进一步分散，接着保温，然后迅速喷铸得到喷铸坯料；接着将喷铸坯料在真空热处理炉中进行热处理，最终在合适的工艺参数条件下得到高性能复合材料。本发明工艺稳定，环保安全，制备的复合材料组织明显细化，石墨烯与基体界面结合良好，分布也较为均匀，其综合力学性能得到较大提高。

技术领域

本发明属于金属材料制造技术领域，具体涉及一种石墨烯增强Mg-Al-Zn合金的制备方法。

背景技术

镁及镁合金的密度在2g/cm³以下，被认为是工程应用中最轻的金属结构材料。镁及镁合金还具有比强度、比刚度高、导热性能好，减振性能强、抗辐射等一系列优点，是“21世纪绿色工程材料”。镁及镁合金由于可以回收利用，因而被称为“永不枯竭”的金属材料。此外，我国拥有极丰富的镁资源，原镁产量居世界之首。然而，目前在实际工业应用中，镁及镁合金并未得到广泛应用，其原因是镁及镁合金存在强度低、模量小、塑性差和易腐性等缺点。镁基复合材料具有轻质、比强度和比模量高等特性，是目前提高镁合金力学性能、实现工业化应用最具优势的途径之一。而石墨烯作为纳米碳材料家族中的重要成员，具有优异的力学、电学和热学等性能，被认为是发展高性能金属基复合材料最具吸引力的纳米增强相。石墨烯是一种由碳原子构成的二维纳米材料，由于其独特的二维蜂窝晶体结构和极高的键强度，它的断裂强度高达130Gpa。因此，利用石墨烯的优异性能来有效提高镁合金的综合力学性能，这已成为镁基复合材料领域的研究热点。

当前，石墨烯的分散及其在基体中的含量、界面结合是制备石墨烯镁基复合材料的主要难题。在公开专利号103773980A，名称为“高性能石墨烯纳米片增强镁基复合材料的制备方法”中利用粉体混合球磨并结合超声和热压的方法制备了石墨烯纳米片增强镁基复合材料，但是该方法中利用混合粉末球磨容易对石墨烯的结构造成较大损伤，最终影响其增强效果，而且该方法中增强石墨烯的含量范围较大，容易发生团聚，降低产品的性能。在公开专利号109207780A，名称为“一种增强AZ31镁合金的轧制方法”中利用羧基化石墨烯涂覆氧化钛后经过混粉、球磨、烧结、热挤压及多道次热挤压的方法制备了石墨烯增强镁基复合材料，该方法中存在以下不足：首先加入的羧基化石墨烯本身在石墨烯的基础上引入了缺陷，再加上后面球磨工艺会对其结构有损伤，因而加入的石墨烯的质量会有所降低；其次涂覆氧化钛的过程繁琐，一次只能涂覆较少量的氧化钛，涂覆周期较长。在公开专利号109207787A，名称为“一种原位自生石墨烯增强镁基复合材料的制备方法”中通过原位自生的方法生成石墨烯增强镁基复合材料，但是该方法中存在以下短板：原位反应加入的CO₂纯度较高，不容易控制；搅拌时间过长，容易卷入空气；超声功率较小，当原位反应生成的石墨烯含量增加时很容易发生团聚。

目前，主要采用粉末冶金工艺和铸造工艺来制备石墨烯增强镁基复合材料。对于粉末冶金工艺来说，虽然增强体与基体的配比易于控制，但其工艺复杂、耗时及成本高、同时受零件尺寸及复杂程度的限制不利于工业化生产。而铸造工艺，其制备成本低、设备和操作步骤相对简单，更容易适应现代化工业的生产需求。常见的铸造方法有消失模铸造，砂型铸造，压铸，陶瓷模具铸造和挤压铸造。研究表明，这些方法中挤压铸造的效果较好，但是在这种铸造中当石墨烯的添加量超过0.3wt.％时，其在基体中就会发生团聚。

发明内容