一种高强高韧的原生碳化钽和非晶合金共强化镁基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高强高韧的原生碳化钽和非晶合金共强化镁基复合材料及其制备方法，该方法主要步骤为：将钽粉和石墨粉按比例球磨得到原生碳化钛(TaC)合金粉体；将轻金属镁粉或铝粉或钛粉与其它一些合金元素按一定比例混合球磨得到高晶化温度的镁基/铝基/钛非晶合金颗粒粉体；将TaC合金粉体按一定比例加入到非晶合金颗粒粉体中，再高能球磨一段时间得到TaC和非晶合金的混合粉体；将TaC和非晶合金混合粉体按一定比例加入到镁合金粉体中，再加入一定量的酒精，利用超声辅助方式进行机械搅拌，充分混合均匀后再烘干；将烘干得到的复合粉体置于模具中进行高压压实，得到致密复合块体坯料，然后进行低温热压烧结；将烧结得到的复合块体以高加压比进行热挤出，最后得到高强高韧的原生微纳/米级TaC和非晶合金共强化镁合金复合材料。

A Co-reinforced Magnesium Matrix Composite with High Strength, High Toughness and Primary Tantalum Carbide and Amorphous Alloy and Its Preparation Method

The invention discloses a high-strength and high-toughness primary tantalum carbide and amorphous alloy Co-reinforced magnesium matrix composite material and its preparation method. The main steps of the method are as follows: primary titanium carbide (TaC) alloy powder is obtained by ball milling tantalum powder and graphite powder in proportion; light magnesium powder or aluminium powder or titanium powder is mixed with other alloy elements in a certain proportion to ball milling to obtain magnesium/aluminium base/titanium base/high crystallization temperature. Titanium amorphous alloy particle powder; TaC alloy powder was added to amorphous alloy particle powder in a certain proportion, then high energy ball milling for a period of time to obtain mixed powder of TaC and amorphous alloy; TaC and amorphous alloy powder were added to magnesium alloy powder in a certain proportion, then added a certain amount of alcohol, mechanical stirring was carried out by ultrasonic-assisted method, and then fully mixed uniformly. Drying; compacting the composite powder by high pressure in the die to obtain compact composite bulk billet, then sintering at low temperature; extruding the sintered composite bulk at high pressure ratio, and finally obtaining high strength and toughness primary micro-nano/meter TaC and amorphous alloy Co-reinforced magnesium alloy composite.

【技术实现步骤摘要】
一种高强高韧的原生碳化钽和非晶合金共强化镁基复合材料及其制备方法
本专利技术涉及一种轻金属复合材料，特别涉及一种硬质碳化物和非晶合金共强化镁合金复合材料及其制备方法。
技术介绍
镁是典型的轻金属，其密度为1.74g/cm3，大约是铝的2/3、锌的1/4、钢的1/5，是目前最轻的工程结构材料。因此，相比于传统的工程金属材料，镁合金具有高的比强度、比刚度，良好的阻尼减震性能、散热性、电磁屏蔽性，优良的铸造性能和可加工性能，而且还具有可降解性、无毒、易回收等优点，因此可广泛应用于航空、航天、车辆、3C电子产品等领域，被誉为21世纪最具有发展潜力的绿色工程材料。然而，由于镁合金是密排六方(HCP)晶体结构，该结构具有较少的独立滑动系统，导致镁合金具有较低的室温塑韧性，另外其力学强度和抗蠕变性能也都较低，因此也限制了镁合金材料在上述多个领域的进一步广泛应用。根据强化机理，利用具有高硬度、高模量的微纳米级颗粒与细晶镁合金材料进行复合，可以显著改善镁合金材料的综合力学性能。目前，国内外研究镁基复合材料的文献报道中，比较常用的增强体主要有碳化硅、氧化物(氧化铝、二氧化硅等)、碳化硼、碳化钛、硼化钛、石墨烯、晶须/纤维、碳纳米管等，而制备方法主要有搅拌熔铸法、挤压铸造法、粉末冶金法、机械合金化法、无压浸渗法、等离子烧结法、摩擦搅拌焊等。中国专利(2014104281413)公开了一种搅拌熔铸法制备高强高韧镁基合金的方法，其方法是：在惰性气体的保护下将纯Mg锭、Zn锭熔化，并加入其它合金元素，待充分熔化后，再加入碳化钨晶须、氮化硼纳米管颗粒以及石墨烯(各组分的重量百分比为：Zn4.5-5.5％，Sn0.7-0.8％，Gd0.28-0.30％，Ti1-1.5％，Al0.5-1％，Ca0.7-0.8％，Sr0.9-1.1％、La0.3-0.4％，Sm0.4-0.45％，Nd0.45-0.55％，Y0.4-0.45％，Zr0.4-0.5％，Mn1-1.1％，Cu0.3-0.4％，Ce0.3-0.35％，Nb1-1.2％，氮化硼纳米管颗粒4-6％石墨烯5-6％，碳化钨晶须3-4％，剩余组分为Mg)，进一步熔炼，熔炼的同时进行搅拌，熔炼完成后充分静置，然后继续升高温度至750℃以上进行精炼，最后将合金液注入经预热的模具中，自然冷却获得高强高韧镁基合金。中国专利(CN107523727A)公开了通过挤压铸造法制备出力学性能优良的碳化硅增强镁基复合材料(最大抗拉强度305MPa，伸长率达到8.25％)。中国专利(CN201710138404.0)公开了一种纳米碳化钛颗粒增强镁基复合材料的制备方法，将预制体加入液态镁合金中，对升温至熔点以上70℃的掺杂纳米碳化钛颗粒预制体的镁合金熔体同步施加超声振动作用下的机械搅拌，有效解决了纳米碳化钛颗粒的均匀分布问题，实现了外加纳米碳化钛颗粒均匀分布，其最大抗拉强度达到345MPa，同时保证了复合材料具有良好的塑韧性(伸长率达到18％)。中国专利(申请号201710900751.2)公开了一种混合相增强镁基复合材料及其制备方法，其主要工艺步骤：对镁合金粉、纳米金刚石颗粒、硼酸镁晶须进行预处理，制备得到混合粉末，经混合球磨制得球磨后混合粉，再真空热压成坯和热挤压处理。该专利技术制备得到的混合相增强镁基复合材料的摩擦磨损性和拉压对称性得到显著改善，其综合力学性能也有非常显著的提高(拉伸/压缩的屈服强度分别为390MPa和433MPa；最高拉伸/压缩强度分别为418MPa和480MPa；拉伸/压缩应变率分别为6.2％和10.1％)。目前，国内外关于采用原位合成微纳米碳化物和非晶合金颗粒共强化镁基复合材料的研究还未见报道。中国专利(CN101368242A)公开了一种非晶增强镁基复合材料及其制备工艺，该材料包括非晶颗粒NixMyTz(M表示Zr，Nb的一种或两种，T表示Ta，Ti，Hf，Ti，Si，Pd，P，Sn，Co，Mo，B，Cr，Al中的至少一种；30≤x≤70，3≤y≤50，0≤z≤35；80≤a≤100，0≤b≤18，0≤c≤5，0≤d≤3)和镁基合金MgaAlbQcRd(a+b+c+d＝100为重量百分比，80≤a≤100，0≤b≤18，0≤c≤5，0≤d≤3，Q表示Mn，Zn的一种或两种，R表示Ce，Zr，Cu，Ni，Si，Fe，B，Gd的至少一种)。该专利技术主要工艺过程：将镁合金颗粒与非晶合金颗粒均匀混合，冷压压制，冷压压力为30-250MPa，然后在热压烧结炉中进行烧结，热压压力为5-60MPa，烧结温度为500-700℃，烧结时间为30-180min。该专利技术获得的非晶增强镁基复合材料的强度及韧性指标均不理想(屈服强度最高为145MPa，同时其抗拉强度为263MPa，而延伸率为4.3％)。
技术实现思路
本专利技术的主要思路是：采用机械合金化法原位合成制备具有高比表面积、高活性、高硬度的原生微纳米级碳化钽(TaC)以及具有高晶化温度、高硬度的轻金属基非晶合金颗粒，再将TaC颗粒与非晶合金颗粒混合后进行高能球磨(达到大尺寸TaC颗粒部分嵌入非晶合金颗粒中)，利用超声辅助机械搅拌的方法使TaC颗粒、非晶合金颗粒以及镁合金粉体充分混合均匀，然后在高压下使复合粉体致密化，最后利用低温烧结和热挤出工艺得到具有特殊三相共存结构的高强高韧性镁合金复合材料。本专利技术的主要技术创新在于：(1)在复合材料中形成特殊的三相共存结构，即尺寸较大的TaC颗粒同时镶嵌在大尺寸非晶合金颗粒和镁合金基体相中，这样的特殊结构在复合材料变形过程中可以起到阻碍非晶合金相随基体晶粒发生转动，同时非晶相起到阻碍位错运动的作用，而具有优良力学性能的相界面不会再较大剪切应力作用发生破坏，从而大幅提高复合材料整体强度的作用(尤其是在压缩变形过程中)；(2)而细小的TaC及非晶合金颗粒可以弥散分布于超细晶镁合金基体中，可以起到很好的弥散强化作用。为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：步骤1、将钽粉和石墨粉按比例混合，高能球磨一段时间后得到高活性、高比表面积的原生TaC颗粒粉体；步骤2、将轻金属镁粉或铝粉或钛粉与其它一些合金元素按一定比例混合，高能球磨一段时间后得到具有高活性、高晶化温度的镁基或铝基或钛基非晶合金颗粒粉体；步骤3、将步骤1得到的TaC颗粒粉体按一定比例加入到步骤2得到的非晶合金颗粒粉体中，高能球磨后得到TaC颗粒和非晶合金颗粒的混合粉体；步骤4、将步骤3得到的TaC颗粒和非晶合金颗粒的混合粉体按一定比例加入到镁合金粉末，再加入一定量的酒精，并用超声辅助方式进行机械搅拌得到混合均匀的浆料，然后将浆料放入真空烘箱中烘干，然后得到复合粉体；步骤5、将步骤4得到的复合粉体置于模具中，利用冷等静压机或四柱液压机进行高压压实，得到致密的复合块体坯料；步骤6、将步骤5得到的致密复合块体坯料放入真空热压烧结炉中进行低温热压烧结，得到高致密的热压复合块体材料；步骤7、将步骤6得到块体复合材料以高挤压比进行热挤出，最后得到高强高韧的原生微纳/米级TaC和非晶合金共强化镁合金复合材料棒材。进一步地，所述步骤1中，钽粉和石墨粉的摩尔比为1∶1，混料后再进行高能球磨，利用高的球磨能量使Ta和C元素原位反应合成高比表面积、高活性的原生TaC颗粒粉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强高韧的原生碳化钽和非晶合金共强化镁基复合材料及其制备方法，其特征在于主要包括以下步骤：步骤1、将钽粉和石墨粉按一定比例混合，高能球磨一段时间后得到高活性、高比表面积的原生微/纳米级碳化钽(TaC)颗粒粉体；步骤2、将轻金属镁粉或铝粉或钛粉与其它一些合金元素按一定比例混合，高能球磨一段时间后得到具有高活性、高晶化温度的镁基或铝基或钛基非晶合金颗粒粉体；步骤3、将步骤1得到的TaC颗粒粉体按一定比例加入到步骤2得到的非晶合金颗粒粉体中，高能球磨后得到TaC颗粒和非晶合金颗粒的混合粉体；步骤4、将步骤3得到的TaC颗粒和非晶合金颗粒的混合粉体按一定比例加入到镁合金粉末，再加入一定量的酒精，并用超声辅助方式进行机械搅拌得到混合均匀的浆料，然后将浆料放入真空烘箱中烘干，然后得到复合粉体；步骤5、将步骤4得到的复合粉体置于模具中，利用冷等静压机或四柱液压机进行高压压实，得到致密的复合块体坯料；步骤6、将步骤5得到的致密复合块体坯料放入真空热压烧结炉中进行低温热压烧结，得到高致密的热压复合块体；步骤7、将步骤6得到块体复合材料以高挤压比进行热挤出，最后得到高强高韧的原生微纳/米级碳化钛和非晶合金共强化镁合金复合材料。步骤8、可对将步骤7得到的镁合金复合材料适当的热处理。...

【技术特征摘要】
1.一种高强高韧的原生碳化钽和非晶合金共强化镁基复合材料及其制备方法，其特征在于主要包括以下步骤：步骤1、将钽粉和石墨粉按一定比例混合，高能球磨一段时间后得到高活性、高比表面积的原生微/纳米级碳化钽(TaC)颗粒粉体；步骤2、将轻金属镁粉或铝粉或钛粉与其它一些合金元素按一定比例混合，高能球磨一段时间后得到具有高活性、高晶化温度的镁基或铝基或钛基非晶合金颗粒粉体；步骤3、将步骤1得到的TaC颗粒粉体按一定比例加入到步骤2得到的非晶合金颗粒粉体中，高能球磨后得到TaC颗粒和非晶合金颗粒的混合粉体；步骤4、将步骤3得到的TaC颗粒和非晶合金颗粒的混合粉体按一定比例加入到镁合金粉末，再加入一定量的酒精，并用超声辅助方式进行机械搅拌得到混合均匀的浆料，然后将浆料放入真空烘箱中烘干，然后得到复合粉体；步骤5、将步骤4得到的复合粉体置于模具中，利用冷等静压机或四柱液压机进行高压压实，得到致密的复合块体坯料；步骤6、将步骤5得到的致密复合块体坯料放入真空热压烧结炉中进行低温热压烧结，得到高致密的热压复合块体；步骤7、将步骤6得到块体复合材料以高挤压比进行热挤出，最后得到高强高韧的原生微纳/米级碳化钛和非晶合金共强化镁合金复合材料。步骤8、可对将步骤7得到的镁合金复合材料适当的热处理。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，钛粉和石墨粉的摩尔比为1∶1，高能球磨一段时间后得到高活性、高比表面积的原生TaC颗粒粉体，球磨时间为40～80h，球料比为10∶1～20∶1，转速为300-600r/min。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，轻金属镁粉或铝粉或钛粉和其它一些合金元素(如Cu、Ni、Si、Y、Fe、Ca、Zn、Nd、B等中的一种或多种)按一定比例进行混料，经高能球磨后得到镁基或铝基或钛基非晶合金颗粒粉体(要求其断裂强度不低于800MPa，晶化温度不得低于350℃)，其球磨时间为40～100h，球料比为10∶1～50∶1，转速为300-600r/min。4.根据权利要求1所述的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭建洪，杨永潇，毛多鹭，李海琴，李海宾，韩精卫，许珂琳，周德华，
申请(专利权)人：青海民族大学，
类型：发明
国别省市：青海,63