一种石墨烯与轻金属基非晶合金颗粒共强化镁合金复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯与轻金属基非晶合金颗粒共强化镁合金复合材料及其制备方法，该方法主要步骤为：通过改进的Hummers法制备还原氧化石墨烯；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；再将制得的石墨烯和轻金属基非晶合金颗粒粉末按一定比例加入到镁合金粉末中，再加入一定量的酒精，利用超声辅助方式进行机械搅拌，充分混合均匀后再真空烘干；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石墨烯与轻金属基非晶合金颗粒共强化镁合金复合材料。

A Co-reinforced Magnesium Alloy Composite Material of Graphene and Light Metal-based Amorphous Alloy Particles and Its Preparation Method

The invention discloses a graphene-light metal-based amorphous alloy particle Co-reinforced magnesium alloy composite material and its preparation method. The main steps of the method are: reducing graphene oxide is prepared by improved Hummers method; magnesium-based/aluminium-based/titanium amorphous alloy particles with high crystallization temperature are obtained by mixing light metal magnesium powder or aluminium powder or titanium powder with other alloy elements in a certain proportion by ball milling. Powder; then the graphene and light metal-based 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 the powder was fully mixed and evenly dried in vacuum; the composite powder was compacted by high pressure in the die to obtain compact composite block blank, and then low temperature was carried out. Hot pressing sintering, hot extrusion of sintered composite blocks at high pressure ratio, and finally high strength and toughness graphene and light metal-based amorphous alloy particles Co-reinforced magnesium alloy composites were obtained.

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯与轻金属基非晶合金颗粒共强化镁合金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，特别涉及一种石墨烯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
镁合金材料由于其密度低、比强度高、比刚度高、阻尼性能好、导热性好、易于回收利用等特点，被广泛应用于航空、航天、车辆、3C电子产品等领域。然而，由于大多数镁合金是密排六方晶体结构，而这种晶体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，另外镁合金的力学强度和抗蠕变性能也都较低，这些都限制了镁合金材料的广泛应用。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(CN2018100475117)公开了一种石墨烯增强镁基复合材料的制备方法，其制备方法为：切制镁合金块、制镁合金颗粒；按一定比例称取石墨烯和镁合金颗粒混合并球磨成混合细粉；在真空熔炼搅拌气氛炉中制备镁合金半固态浆料；浇铸成型；将铸件置于热处理炉内进行固溶处理；进行二次固溶后淬火处理；时效处理；最后得到的石墨烯增强镁基复合材料，其硬度达到82.2HV，抗拉强度达到235Mpa，延伸率达到7.22％，石墨烯在镁合金基体中分散均匀，与镁基体有良好的界面结合。有中文期刊文献(《机械工程材料》2016年8月第40卷第8期：p43-48)报道一种石墨烯增强AZ91镁基复合材料的制备方法及其力学性能，其主要制备过程为：通过超声分散并用机械搅拌，并滴加氧化石墨烯或石墨烯的乙醇溶液，搅拌完成后对复合浆料进行真空烘干，然后在120MPa压力下成型，并在氩气保护下600℃烧结2h，然后热挤出(挤压温度350℃，挤压速率1m·min-1，挤压比11∶1)，最后分别得到了以氧化石墨烯和石墨烯纳米片为增强相(质量分数均为0.1％)的AZ91镁基复合材料，结果表明：以氧化石墨烯为增强相复合材料的力学性能为最优，其屈服强度、伸长率和显微硬度分别为224.85MPa，8.15％和70.14HV。目前，国内外关于采用石墨烯纳米片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：采用湿化学法制备具有高比表面积、优良力学性能的石墨烯薄片，以及用机械合金化法制备具有高晶化温度、高硬度的轻金属基非晶合金颗粒粉体，再用两种优质强化相对镁合金基体进行改性，从而获得具有优良综合力学性能的镁基复合材料。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：1.一种石墨烯与轻金属基非晶合金颗粒共强化镁合金复合材料的制备方法，其特征在于主要包括以下步骤：步骤1、利用改进的Hummers法制备氧化石墨烯(GO)，再进行还原处理后得到还原氧化石墨烯(r-GO)；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和2得到的石墨烯粉体和非晶合金颗粒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4、将步骤3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5、将步骤4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6、将步骤5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石墨烯和非晶合金颗粒共强化的镁合金复合材料。步骤7、可对将步骤6得到的镁合金复合材料适当的热处理。进一步地，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。进一步地，所述步骤3中，加入到镁合金粉体中的石墨烯和非晶合金颗粒，其质量分别占混合粉体总质量的0.05～5％和5～30％，其余为镁合金粉体；酒精加入量只要保证搅拌时浆料具有足够的流动性即可；超声辅助机械力搅拌时的超声功率为100～200Hz，叶片转速为300～1000rpm，搅拌时间为30-60min。进一步地，所述步骤3中，镁合金粉体的牌号可为Mg-Al系、Mg-Zn系、Mg-Mn系、Mg-RE系或Mg-Zn-RE-Zr系中的一种。进一步地，所述步骤3中，将搅拌混合均匀的浆料进行真空烘干，真空度＜100Pa本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯与轻金属基非晶合金颗粒共强化镁合金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、利用改进的Hummers法制备氧化石墨烯(GO)，再进行还原处理后得到还原氧化石墨烯(r‑GO)；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和2得到的石墨烯粉体和非晶合金颗粒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4、将步骤3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5、将步骤4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6、将步骤5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石墨烯和非晶合金颗粒共强化的镁合金复合材料。步骤7、可对将步骤6得到的镁合金复合材料适当的热处理。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯与轻金属基非晶合金颗粒共强化镁合金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、利用改进的Hummers法制备氧化石墨烯(GO)，再进行还原处理后得到还原氧化石墨烯(r-GO)；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和2得到的石墨烯粉体和非晶合金颗粒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4、将步骤3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5、将步骤4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6、将步骤5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石墨烯和非晶合金颗粒共强化的镁合金复合材料。步骤7、可对将步骤6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。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3中，加入到镁合金粉体中的石墨烯和非晶合金...

【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