一种高性能镁锂基复合材料的制备方法

本发明属于镁基复合材料及其制备，尤其涉及一种高性能镁锂基复合材料的制备方法。

背景技术：

1、为提高镁合金的室温塑性，可通过合金化的方法向镁合金中添加锂元素。同时，镁锂合金的组织结构与锂元素的含量密切相关。当合金中锂含量低于5.7wt.％时，合金均表现为hcp结构的α-mg相。由于α相的轴比c/a降低，使得柱面滑移系及锥面滑移系更容易启动，一定程度上改善了塑性。当锂含量为5.7wt.％-10.3wt.％时，部分晶体结构将由hcp转化为体心立方(bcc)结构，形成具有α-mg和β-li的双相镁锂合金。β-li相的形成可以提供更多易启动的滑移系，有效改善合金的塑性。当锂含量超过10.3wt.％后，合金则完全由bcc结构的β-li相构成，相较于低锂含量的镁锂合金，具有更好的室温塑性变形能力。此外，锂元素的加入还能有效降低合金密度，例如高锂含量的mg-36li-5zn和mg-36li-5al，其密度仅为0.95g/cm3，比水还轻，因此也被誉为梦幻合金。综上所述，镁锂合金相比于一般镁合金具有更轻质、塑性更好的优点，同时还具有高比强度、比刚度以及优良的阻尼性能和电磁屏蔽性能，因而被广泛运用于航空航天、汽车工业、军事装备以及3c产业中。

2、然而，镁锂合金也具有许多局限性，例如轧制或铸造镁锂合金由于晶粒粗大等缺点，普遍强度不高，其抗拉强度一般位于110mpa至170mpa之间。而且在镁锂合金中，无论是镁元素，还是锂元素，均具有非常活泼的化学性质，导致了镁锂合金的耐腐蚀性能差。这些不足限制了镁锂合金的发展和应用。因此如何提高或者同时提高镁锂合金的力学性能和腐蚀性能，便成为了近年来镁锂合金相关研究的重点。而对于同时提高合金的力学性能和腐蚀性能，向合金添加增强体制备复合材料是其中一种可行的方法。碳纳米洋葱作为一种以c60为核的多层富勒烯结构的惰性碳材料，其物化性质与石墨烯、碳纳米管非常相似，但却拥有更稳定的物质结构。研究表明碳纳米洋葱对于钛合金、镁合金等有色金属，是一种非常理想的增强体。而如何将增强体均匀地加入合金材料中，便成为国内外研究的技术重点。

3、搅拌摩擦加工(fsp)作为1999年mishra等人在搅拌摩擦焊(fsw)的基础上发展起来的一种新型组织改性技术，近年来在复合材料制备领域中的应用不断增多。在fsp过程中，高速旋转搅拌头带来的强烈搅拌作用使被加工区域材料发生软化，同时强烈的塑性变形不仅能促使材料发生动态再结晶，还能增强体充分进入到基体合金中，从而实现微观结构的致密化、均匀化和细化。fsp结合了大塑性变形和退火过程，经fsp后的材料通常表现出具有较低位错密度的细晶结构，具有良好的力学性能。并且一些研究表明这种低位错密度的细晶结构能够帮助合金耐腐蚀性能的改善。因此fsp技术是一种简便高效、绿色清洁、可制备不同尺寸复合材料的方法，具有广泛应用潜力，也为高性能超轻镁锂基复合材料的制备奠定了基础。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的为提供一种高性能镁锂基复合材料的制备方法，扩大镁锂基复合材料的服役性能和应用领域。

2、本发明的设计思路是：

3、通过合理地选择搅拌摩擦加工参数，优化镁锂基复合材料的微观组织，即在搅拌头的旋转和移动作用下，在搅拌区产生剧烈的塑性变形，由于动态再结晶的发生基体晶粒和第二相被充分细化，且增强体(碳纳米洋葱)被均匀且充分地加入到基体中，位错运动得到进一步阻碍，进而提高复合材料的力学性能，此外合适的加工参数还能有效调整第二相粒子与增强体的分布情况以及降低位错等缺陷的密度，从而减弱电偶效应，增强复合材料的耐腐蚀性能。

4、本发明采取的技术方案是：

5、一种高性能镁锂基复合材料的制备方法，该高性能镁锂基复合材料以mg-14li-1al合金板材为基体、碳纳米洋葱为增强体，其制备方法包括以下步骤：

6、(1)清理mg-14li-1al合金板材表面杂质后对其进行钻孔；

7、(2)固定mg-14li-1al合金板材至搅拌摩擦焊机后添加碳纳米洋葱粉末；

8、(3)进行搅拌摩擦加工，最终在搅拌区获得高性能镁锂基复合材料。

9、优选地，上述步骤(1)中的mg-14li-1al合金板材的合金成分及其含量为：li：13.5-14.5wt.％，al：1-2wt.％，si：<0.01wt.％，cu：<0.001wt.％，mn：<0.005wt.％，k：<0.005wt.％，na：<0.005wt.％，其余为mg。

10、优选地，步骤(1)采用1000至3000目的砂纸对mg-14li-1al合金板材表面进行打磨，后通过无水乙醇对表面进行清洗，清晰后的表面应呈现银亮色的金属光泽，待板材表面的粉末灰尘、氧化物、油污等杂质被去除干净后，用电钻沿加工方向，每隔5mm在板材表面钻取一个大小为1.5mm×1.5mm×1.5mm的小孔，具体钻取数量由所选取的板材尺寸决定；

11、优选地，步骤(2)的具体步骤如下：

12、通过四组夹具，将mg-14li-1al合金板材固定于搅拌摩擦焊机加工台上的钢制垫板上；四组夹具按照对角线的顺序多次均匀地被拧紧，并保证合金板被水平固定，且加工区域不被其他部件阻碍；将碳纳米洋葱粉末均匀地添加至步骤(1)所钻取的小孔中，碳纳米洋葱粉末添加到刚好填满小孔为止；

13、优选地，步骤(2)的具体步骤如下：

14、在室温下，采用wc-co硬质合金搅拌头，对已经添加好碳纳米洋葱的mg-14li-1al合金板材进行多道次搅拌摩擦加工，加工参数为：搅拌头转速：400-600rpm，加工速度：100-200mm/min，搅拌头倾角：2.5°，下压量0.2mm，搅拌摩擦加工道次数大于等于2；搅拌头轴肩直径为12mm，搅拌针长度和直径分别为1.9mm和4mm。

15、所述加工后获得的镁锂基复合材料，硬度达70hv以上，抗拉强度为200mpa以上；同时其在室温、3.5wt.％nacl溶液中的腐蚀电流密度icorr为20-90μa/cm2，密度为1.3-1.6g/cm3。

16、与现有技术相比，本发明的优势在于：

17、1.镁锂合金，尤其是高锂含量的镁锂合金今年在各个行业中的应用前景越来越突出，但直接通过轧制或铸造生产出的超轻镁锂普遍强度不高且耐蚀性能差，通过本发明获得的镁锂基复合材料具有较高的力学性能和耐腐蚀性能。

18、2.以碳纳米洋葱作为增强体，还会进一步降低镁锂合金材料的密度，提升其在轻量化制造业中优势，扩大其在航空航天、轨道交通、3c等领域的应用前景。

19、3.本发明的成品率高，几乎不会出现废品。

20、4.本发明尺寸灵活性强，即可采用不同尺寸的搅拌头对不同尺寸的镁锂合金板材或铸造件进行加工，获得不同尺寸需求下的高性能镁锂基复合材料。

21、5.本发明具有操作简易、绿色环保、成本低廉等众多优点。

技术特征：

1.一种高性能镁锂基复合材料的制备方法，其特征在于，所述高性能镁锂基复合材料以mg-14li-1al合金板材为基体、碳纳米洋葱为增强体，其制备方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种高性能镁锂基复合材料，其特征在于所述步骤（1）中mg-14li-1al合金板材的合金成分及其含量为：li：13.5-14.5wt.%，al：1-2wt.%，si：<0.01wt.%，cu：<0.001wt.%，mn：<0.005wt.%，k：<0.005wt.%，na：<0.005wt.%，其余为mg。

3.根据权利要求1所述的一种高性能镁锂基复合材料的制备方法，其特征在于所述步骤（1）中采用1000至3000目的砂纸对mg-14li-1al合金板材表面进行打磨，后通过无水乙醇对表面进行清洗，清晰后的表面应呈现银亮色的金属光泽；待板材表面的杂质被去除干净后，用电钻沿加工方向进行钻孔。

4.根据权利要求3所述的一种高性能镁锂基复合材料的制备方法，其特征在于所述电钻沿加工方向进行钻孔的具体步骤：每隔5mm在板材表面钻取一个大小为1.5mm´1.5mm´1.5mm的小孔。

5.根据权利要求1所述的一种高性能镁锂基复合材料的制备方法，其特征在于所述步骤（2）具体为：

6.根据权利要求1所述的一种高性能镁锂基复合材料的制备方法，其特征在于所述步骤（3）具体为：

7.如权利要求1所述方法获得的一种高性能镁锂基复合材料，其特征在于：所制备的镁锂基复合材料，硬度达70hv以上，抗拉强度为200mpa以上；同时其在室温、3.5wt.%nacl溶液中的腐蚀电流密度icorr为20-90ma/cm2，密度为1.3-1.6g/cm3。

技术总结
本发明公开了一种高性能镁锂基复合材料的制备方法，该复合材料以超轻Mg‑14Li‑1Al镁锂合金为基体、碳纳米洋葱为增强体，主要根据以下步骤制备而成：（1）清理Mg‑14Li‑1Al合金板材表面杂质后对其进行钻孔；（2）固定Mg‑14Li‑1Al合金板材至搅拌摩擦焊机后添加碳纳米洋葱粉末；（3）进行搅拌摩擦加工，最终在搅拌区获得高性能镁锂基复合材料。本发明操作简易、生产周期短、效率高，并且通过上述方法获得的镁锂基复合材料具备超细晶粒、纳米级MgLiAl<subgt;2</subgt;等析出相、低缺陷密度以及分布均匀的增强体等微观结构特征，表现出高硬度、强塑性、耐蚀性等性能优势。

技术研发人员：邱中浩,许楠,宋亓宁
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23