一种Mn颗粒增强的Mg-Zn复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种Mn颗粒增强的Mg

【技术实现步骤摘要】
一种Mn颗粒增强的Mg
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Zn复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及金属基复合材料领域，具体涉及Mn颗粒增强的Mg
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Zn复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]由于镁合金具有密度低，比强度、比刚度高、易于回收利用等优点，被誉为二十一世纪的绿色工程材料。发展高性能镁及镁合金材料，推动其大规模应用能实现二氧化碳减排，对实现“碳达峰、碳中和”的国家战略有着重要的意义。
[0003]锌元素可以溶入镁基体，造成晶格畸变，增大位错运动阻力，以及挤压过程中会大量析出的镁锌相，小尺寸镁锌相钉扎位错，抑制晶界迁移，大尺寸镁锌相可以作为动态再结晶形核点，协同作用促进动态再结晶晶粒细化，使得镁锌合金具有一定的强度、塑性。但是镁锌合金作为结构材料，其模量、刚度还不够高，限制了其应用。金属颗粒不仅具有高的强度还具有优异的塑性。发展金属颗粒增强的镁基复合材料是解决上述问题的有效途径之一。
[0004]由Mg
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Mn二元相图可知，金属锰在镁中固溶度随温度的降低而急剧降低，600℃时，其固溶度达到2.0％；但室温条件下固溶度小于0.2％，表明锰能作为镁基复合材料的增强体。目前大量的研究认为含有微量锰元素的合金在挤压过程中动态析出的细小弥散的锰单质颗粒能显著细化Mg
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Zn及Mg
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Zn
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RE等体系合金的再结晶组织，此外，微量Mn元素加入镁合金还具有非常好的去除杂质的效果，特别是对杂质Fe，这能显著改善材料的性能。
[0005]目前，随着对镁合金的深入，镁合金室温力学性能已有很大的提升，毛建军于《杂质元素对镁合金组织与性能的影响及镁合金纯化工艺的研究》中对商用镁合金AZ31进行研究，发现该合金抗拉强度为277MPa，拉伸屈服强度为231MPa，延伸率为17％，有良好的工程应用前景。但是，此类常规商用镁合金中各相弹性模量都偏低，这导致合金模量一般在35.0～45.0GPa之间。由混合定律可知，多相合金的弹性模量是由其组成相的弹性模量及体积分数决定的。纯镁的弹性模量较低45.0GPa，镁合金的模量的提高可以通过添加高模量增强体来实现。王晓军于《Microstructure and strengthening mechanism of carbon nanotubes reinforced magnesium matrix composite》研究了Mg
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6Zn合金，发现该合金弹性模量仅40.0GPa；黄巍在《300℃等温处理时间对AZ91D压铸镁合金组织和性能的影响》中对铸态AZ91D进行研究，发现该合金弹性模量39.8GPa；张诗昌于《温度及应变率对挤压态AZ31镁合金弹性模量的影响》研究了AZ31镁合金，发现该合金弹性模量为43.8GPa；CN104342591A专利中表明，传统的Mg
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RE镁合金中第二相的模量也很低，例如典型的MgGd、Mg3Gd以及Mg7Gd模量为56.9GPa、46.1GPa与52.6GPa，MgY相的模量为55.7GPa，Mg
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Y5相的模量53.8GPa，MgNd相的模量55.4GPa。因此，很难通过合金成分调控第二相的体积分数提高合金的模量，难以满足工程领域对高模量镁合金材料的需求。
[0006]袁秋红等于《碳纳米管增强镁基复合材料弹性模量的研究进展》公开了采用碳纳米管作为增强体，虽然大幅提升了镁基复合材料的弹性模量，但是整个工艺流程复杂，设备
要求高，增强体制备繁琐，成本高；需要同时控制搅拌速度和温度以及超声分散时间才能获得分布均匀的增强体；温度过高容易造成增强体碳化，搅拌速度低以及超声分散时间短会造成增强体团聚夹杂。
[0007]CN101020981公开了一种镁锌锰合金，其锰元素作为合金化元素添加到Mg
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Zn合金中，含量低于2.0％。2.0％的锰能固溶在镁基体中，难以获得金属颗粒的增强体，并不属于复合材料的范畴。由Mg
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Zn
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Mn相图可知，超过2.0％的锰能获得单相的锰颗粒。根据Mg
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Zn
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Mn三元合金相图可知，在富Mg端，其相组成为：α
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Mg、α
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Mn以及Mg
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Zn相，具备形成单质α
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Mn相的条件。因此，高锰含量的Mg
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Zn
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Mn体系是一种理想的金属颗粒增强的镁基复合材料体系。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是提供一种金属Mn颗粒增强的Mg
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Zn复合材料及其制备方法，其能够在保证材料强度和塑性满足要求的前提下，提高材料的弹性模量，制备工艺简单，成本低。
[0009]本专利技术所述的Mn颗粒增强的Mg
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Zn复合材料，以Mg
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Zn合金为基体，以Mn为增强颗粒，复合材料按重量百分比计包括如下组分：2.5％～10.0％Mn，1.0％～6.0％的Zn，余量为Mg和不可避免的杂质。
[0010]进一步，按重量百分比计包括如下组分：2.5％～10.0％Mn，4.0％的Zn，余量为Mg和不可避免的杂质。
[0011]一种Mn颗粒增强的Mg
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Zn复合材料的制备方法，其包括如下步骤：
[0012]步骤一，按照上述的Mn颗粒增强的Mg
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Zn复合材料的组分重量百分比称取镁锭、锌粒和镁锰中间合金，所述镁锰中间合金中锰的重量百分比为3.0％～20.0％；
[0013]步骤二，对称取的镁锭、锌粒和镁锰中间合金进行熔炼得到熔体，将熔体直接冷却或浇铸得到铸锭；
[0014]步骤三，对铸锭进行热挤压得到Mn颗粒增强的Mg
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Zn复合材料的型材。
[0015]进一步，所述步骤二中的熔炼具体为：在保护气体环境中进行熔炼，先对镁锭在温度为720～740℃进行熔炼，镁锭全部融化后将温度调节至740℃，加入镁锰中间合金，最后加入锌粒，待原料全部融化后，充分搅拌3～6min，打掉表面浮渣，得到熔体。
[0016]进一步，所述保护气体为SF6和CO2的混合气体。
[0017]进一步，所述步骤三中的热挤压具体为：去除铸锭表面的氧化层，再将铸锭在温度为250℃～450℃的条件下预热1～2h，表面涂覆润滑剂，使用挤压模具在温度为250℃～450℃的条件下对铸锭进行热挤压得到型材，挤压比为10:1～100:1，挤压速度为0.1～10.0m/min。
[0018]进一步，所述步骤二中当复合材料中Mn的重量百分比≤5时，采用电阻炉或真空感应炉进行熔炼，当复合材料中Mn的重量百分比＞5时，采用真空感应炉进行熔炼。
[0019]本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果。
[0020]1、本专利技术通过限定复合材料中Mn的重量百分比为2.5％～10本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Mn颗粒增强的Mg
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Zn复合材料，其特征在于：以Mg
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Zn合金为基体，以Mn为增强颗粒，复合材料按重量百分比计包括如下组分：2.5％～10％Mn，1.0％～6.0％的Zn，余量为Mg和不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的Mn颗粒增强的Mg
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Zn复合材料，其特征在于，按重量百分比计包括如下组分：2.5％～10％Mn，4.0％的Zn，余量为Mg和不可避免的杂质。3.一种Mn颗粒增强的Mg
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Zn复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，按照权利要求1或2所述的Mn颗粒增强的Mg
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Zn复合材料的组分重量百分比称取纯镁、纯锌和镁锰中间合金，所述镁锰中间合金中锰的重量百分比为3.0％～20.0％；步骤二，对称取的纯镁、纯锌和镁锰中间合金进行熔炼得到熔体，将熔体直接冷却或浇铸得到铸锭；步骤三，对铸锭进行热挤压得到Mn颗粒增强的Mg
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Zn复合材料的型材。4.根据权利要求3所述的Mn颗粒增强的Mg
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Zn复合材料的...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤爱涛，肖辉，佘加，敬学锐，文恬恬，吴雄，陈先华，潘复生，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：