Al2Ca颗粒和碳纳米管混杂增强超轻镁锂基复合材料及制备方法技术

本发明专利技术涉及金属材料技术领域，尤其是一种Al2Ca颗粒和碳纳米管混杂增强超轻镁锂基复合材料及制备方法，其包含以重量百分比计的下列组分：5～20wt.％的微米尺度Al2Ca颗粒，1～5wt.％的亚微米尺度Al2Ca颗粒，0.5～3wt％的表面镀镍碳纳米管，11～25wt.％的Li，余量为Mg，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02wt.％。制备方法包括微米/亚微米尺度Al2Ca颗粒预处理、碳纳米管预处理和熔炼三个步骤。通过以β‑Li单相超轻镁锂合金为基体，选择密度较低的增强相，获得的镁锂基复合材料仍具优异的轻量化优势；微米/亚微米尺度Al2Ca颗粒和碳纳米管作为增强相，发挥不同类型、尺度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，强化效果远超传统单一种类、单一尺度增强相增强的镁锂基复合材料。

Al2Ca Particles and Carbon Nanotubes Hybrid Reinforced Ultra-Light Magnesium Lithium Matrix Composites and Their Preparation Method

The invention relates to the technical field of metal materials, in particular to an Al2Ca particle and carbon nanotube hybrid reinforced ultra-light magnesium-lithium matrix composite material and its preparation method, which comprises the following components in weight percentages: 5-20wt.% micro-scale Al2Ca particles, 1-5wt.% sub-micron-scale Al2Ca particles, 0.5-3wt% nickel-plated carbon nanotubes, 11-25wt.% Li, and the remainder of Mg, The total amount of impurity elements Si, Fe, Cu and Ni is less than 0.02wt. The preparation method includes three steps: micron/submicron Al2Ca particle pretreatment, carbon nanotubes pretreatment and melting. Magnesium-lithium matrix composites obtained by using single-phase ultralight Mg-Li alloy as matrix and choosing low density reinforcement phases still have excellent lightweight advantages. Micron/submicron Al2Ca particles and carbon nanotubes as reinforcement phases play different roles in strengthening of different types and sizes of reinforcement phases. Hybrid reinforcement is used to achieve synergistic strengthening effect, and the strengthening effect is far superior. Traditional single-type and single-scale reinforcing phase reinforced Mg-Li matrix composites.

【技术实现步骤摘要】
Al2Ca颗粒和碳纳米管混杂增强超轻镁锂基复合材料及制备方法
本专利技术涉及金属材料
，涉及一种镁锂基复合材料及其制备方法，尤其涉及一种Al2Ca颗粒和碳纳米管混杂增强超轻镁锂基复合材料。
技术介绍
现代航空航天领域对飞行器结构的减重要求已经不再是“斤斤计较”，而是“克克计较”。因此，新型超轻金属结构材料的开发显得尤为重要。镁锂合金是以镁和锂为主要组成元素的合金材料，由于锂的密度仅为0.534g/cm3，镁锂合金是目前为止密度最轻的金属结构材料。根据锂含量的不同，镁锂合金的密度在1.25～1.65g/cm3之间变化，不仅远低于钢、钛合金和铝合金，与普通镁合金相比也有明显优势(普通镁合金密度约为1.8g/cm3)。根据镁锂二元相图，当锂含量在5.7wt.％以下时，合金为密排六方结构的α-Mg单相组织；当锂含量介于5.7～10.3wt.％之间时，镁锂合金为α-Mg+β-Li双相组织；当锂含量超过10.3wt.％时，合金为体心立方结构的β-Li单相组织。由于锂的加入改变了镁合金的晶体结构，与普通镁合金相比，镁锂合金的加工变形能力也得到极大改善。除此之外，镁锂合金还具有高比强度、高比刚度、优良的减震性能、优良的热导性、电磁屏蔽以及抗高能粒子穿透能力，并且在低温下仍然具备良好塑性。镁锂二元合金的强度很低，几乎不具备工程应用价值。Al、Zn、Cd几种元素在镁锂合金中的强化效果较好，但合金的组织及性能稳定性较差，在室温或稍高于室温时易产生过时效现象。在镁锂基复合材料研究中发现，采用单一种类、单一尺度增强相时，增强相的添加量和强化效果均受到一定限制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种Al2Ca颗粒和碳纳米管混杂增强超轻镁锂基复合材料及制备方法。通过向超轻镁锂合金基体中加入微米/亚微米尺度Al2Ca颗粒和碳纳米管，在不明显提高合金密度的前提下，大幅提高镁锂基复合材料的强度，并保证良好的塑性。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种Al2Ca颗粒和碳纳米管混杂增强超轻镁锂基复合材料，以β-Li单相超轻镁锂合金为基体，以微米/亚微米尺度Al2Ca颗粒和碳纳米管为增强相，包含以重量百分比计的下列组分：5～20wt.％的微米尺度Al2Ca颗粒，1～5wt.％的亚微米尺度Al2Ca颗粒，0.5～3wt％的表面镀镍碳纳米管，11～25wt.％的Li，余量为Mg，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02wt.％。本专利技术所述的Al2Ca颗粒和碳纳米管混杂增强超轻镁锂基复合材料，其中，微米尺度Al2Ca颗粒粒径为5～30μm。本专利技术所述的Al2Ca颗粒和碳纳米管混杂增强超轻镁锂基复合材料，其中，亚微米尺度Al2Ca颗粒粒径为0.01～5μm。本专利技术所述的Al2Ca颗粒和碳纳米管混杂增强超轻镁锂基复合材料，其中，碳纳米管为单壁或多壁碳纳米管。本专利技术所述的Al2Ca颗粒和碳纳米管混杂增强超轻镁锂基复合材料，其中，碳纳米管的长径比大于20。本专利技术任一所述的Al2Ca颗粒和碳纳米管混杂增强超轻镁锂基复合材料的制备方法，包括以下步骤：第一步，将微米/亚微米尺度Al2Ca颗粒与镁粉混合，混合后在行星球磨机中球磨，得到复合粉末，对球磨得到的复合粉末进行预压，得到预压块；第二步，采用化学镀方法对对碳纳米管进行表面镀镍，得到镀镍碳纳米管；收集镀镍后的碳纳米管，清洗并干燥。第三步，按照复合材料基体的成分要求，扣除第一步中加入的镁粉，计算剩余元素配比并熔炼；待基体合金熔化后向熔体中分别加入上述预压块和镀镍碳纳米管，继续熔炼并铸造成形，最后得到Al2Ca颗粒和碳纳米管混杂增强超轻镁锂基复合材料。其中，步骤一中，Al2Ca颗粒与镁粉的质量比为1:4～4:1。其中，步骤一中，预压压力为10～40MPa，时间为1～10min。其中，步骤三中，熔炼采用密封惰性气氛下的感应熔炼，熔炼过程中施加感应熔炼自带的电磁搅拌和外加的机械搅拌。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术通过以β-Li单相超轻镁锂合金为基体，选择密度较低的增强相，确保所获得的镁锂基复合材料仍然具有优异的轻量化优势；(2)本专利技术通过同时加入微米/亚微米尺度Al2Ca颗粒和碳纳米管作为增强相，发挥不同类型、尺度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，强化效果远超过传统单一种类、单一尺度增强相增强的镁锂基复合材料；(3)本专利技术通过同时加入微米/亚微米尺度Al2Ca颗粒和碳纳米管作为增强相，通过少量、多种同时添加获得良好的强化效果，避免了单一增强相大量添加导致的增强相团聚、强化效果弱化的情况；(4)本专利技术通过将微米/亚微米尺度Al2Ca颗粒与镁粉混合，改善了镁锂基复合材料中微米/亚微米尺度Al2Ca颗粒与基体的结合情况，有助于获得结合强度高的界面；(5)本专利技术通过在碳纳米管表面镀镍，避免碳纳米管与镁锂合金基体中的锂元素发生反应而失效，同时通过镍元素与镁锂合金基体中镁元素的反应获得结合强度高的界面。具体实施方式下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1一种Al2Ca颗粒和碳纳米管混杂增强超轻镁锂基复合材料，包含以重量百分比计的下列组分：5wt％的微米尺度Al2Ca颗粒，1wt％的亚微米尺度Al2Ca颗粒，0.5wt％的表面镀镍碳纳米管，11wt％的Li，余量为Mg，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02wt％。微米尺度Al2Ca颗粒粒径为5～30μm。亚微米尺度Al2Ca颗粒粒径为0.01～5μm。碳纳米管为单壁或多壁碳纳米管，长径比大于20。该Al2Ca颗粒和碳纳米管混杂增强超轻镁锂基复合材料的制备方法如下：第一步，将微米/亚微米尺度Al2Ca颗粒与镁粉混合，混合后在行星球磨机中球磨，得到复合粉末。其中，Al2Ca颗粒与镁粉的质量比为1:4。对球磨得到的复合粉末进行预压，得到预压块。预压压力为10MPa，时间为1min。第二步，采用化学镀方法对对碳纳米管进行表面镀镍，得到镀镍碳纳米管。收集镀镍后的碳纳米管，清洗并干燥。第三步，按照复合材料基体的成分要求，扣除第一步中加入的镁粉，计算剩余元素配比并熔炼。待基体合金熔化后向熔体中分别加入上述预压块和镀镍碳纳米管，继续熔炼并铸造成形，最后得到Al2Ca颗粒和碳纳米管混杂增强超轻镁锂基复合材料。其中，熔炼采用密封惰性气氛下的感应熔炼，熔炼过程中施加感应熔炼自带的电磁搅拌和外加的机械搅拌。经检测，该Al2Ca颗粒和碳纳米管混杂增强超轻镁锂基复合材料的室温力学性能如下：屈服强度为151MPa，抗拉强度为194MPa，延伸率为16％。与基体相比，屈服强度和抗拉强度分别提高82％和63％以上。材料密度仅为1.45g/cm3，比普通镁合金降低约17％。实施例2一种Al2Ca颗粒和碳纳米管混杂增强超轻镁锂基复合材料，包含以重量百分比计的下列组分：10wt％的微米尺度Al2Ca颗粒，3wt％的亚微米尺度Al2Ca颗粒，1wt％的表面镀镍碳纳米管，16wt％的Li，余量为Mg，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Al2Ca颗粒和碳纳米管混杂增强超轻镁锂基复合材料，其特征在于：以β‑Li单相超轻镁锂合金为基体，以微米/亚微米尺度Al2Ca颗粒和碳纳米管为增强相，具体包含以重量百分比计的下列组分：5～20wt.％的微米尺度Al2Ca颗粒，1～5wt.％的亚微米尺度Al2Ca颗粒，0.5～3wt％的表面镀镍碳纳米管，11～25wt.％的Li，余量为Mg，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02wt.％。

【技术特征摘要】
1.一种Al2Ca颗粒和碳纳米管混杂增强超轻镁锂基复合材料，其特征在于：以β-Li单相超轻镁锂合金为基体，以微米/亚微米尺度Al2Ca颗粒和碳纳米管为增强相，具体包含以重量百分比计的下列组分：5～20wt.％的微米尺度Al2Ca颗粒，1～5wt.％的亚微米尺度Al2Ca颗粒，0.5～3wt％的表面镀镍碳纳米管，11～25wt.％的Li，余量为Mg，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02wt.％。2.根据权利要求1所述的Al2Ca颗粒和碳纳米管混杂增强超轻镁锂基复合材料，其特征在于：微米尺度Al2Ca颗粒粒径为5～30μm。3.根据权利要求1所述的Al2Ca颗粒和碳纳米管混杂增强超轻镁锂基复合材料，其特征在于：亚微米尺度Al2Ca颗粒粒径为0.01～5μm。4.根据权利要求1所述的Al2Ca颗粒和碳纳米管混杂增强超轻镁锂基复合材料，其特征在于：碳纳米管为单壁或多壁碳纳米管。5.根据权利要求1所述的Al2Ca颗粒和碳纳米管混杂增强超轻镁锂基复合材料，其特征在于：碳纳米管的长径比大于20。6.权利要求1-5任一所述的Al2Ca颗粒和碳纳米管混杂增强超轻镁锂基复合材料的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：张扬，秦希云，陈晓阳，刘骁，卢雅琳，李小平，
申请(专利权)人：江苏理工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32