石墨烯和氮化硼复合强化AM60B镁合金基复合材料及电弧增材制备结构件的方法技术

本发明专利技术公开石墨烯和氮化硼复合强化AM60B镁合金基复合材料，按重量百分比由以下原料组分组成：GR粉1.6

【技术实现步骤摘要】
石墨烯和氮化硼复合强化AM60B镁合金基复合材料及电弧增材制备结构件的方法


[0001]本专利技术属于金属材料、粉末冶金及增材制造
，具体涉及一种石墨烯和氮化硼复合强化AM60B镁合金基复合材料，本专利技术涉及一种使用石墨烯和氮化硼复合强化AM60B镁合金基复合材料丝材为原料电弧增材制备结构件的方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着轻量化材料的替代需求，越来越多的镁合金被用于替代铝合金、钢材和铸铁等。然而，镁合金的力学性能较低，弹性模量只有45GPa左右，和这些材料存在一定差距。目前，力学性能的提高，众多学者和企业已经针对力学性能开发了很多系列高强度稀土镁合金，并得到了比较理想的效果。但是，常见的高强度镁合金不仅不能达到高强度铝合金的力学性能指标的要求，而且不能达到铝合金或其他金属材料的弹性模量要求。
[0003]由于金属材料的弹性模量是材料本身的一种属性，是工程材料重要的性能参数，从宏观角度来说，弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，从微观角度来说，则是原子、离子或分子之间键合强度的反映，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。弹性模量E是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力，是反映材料抵抗弹性变形能力的指标，相当于普通弹簧中的刚度。由此可见，凡是影响键合强度的因素均能影响材料的弹性模量，如键合方式、晶体结构、化学成分、微观组织、温度等。因合金成分、热处理状态、冷塑性变形等不同，金属材料的杨氏模量值仅有5％，或者更大的波动。但是总体而言，金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标，合金化、热处理(纤维组织)、冷塑性变形等对弹性模量E的影响均较小，温度、加载速率等外在因素对其影响也不大，所以一般工程应用中都把弹性模量作为常数。常用材料的弹性模量及泊松比如表1所示。
[0004]表1常用金属材料的弹性模量及泊松比
[0005]名称弹性模量E/GPa切变模量G/GPa泊松比μ灰、白口铸铁115
‑
160450.23
‑
0.27球墨铸铁151
‑
160610.25
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0.29碳钢200
‑
220810.24
‑
0.28合金钢201810.25
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0.3铸钢17570
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840.25
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0.29不锈钢190
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0.305硬铝合金7127
‑
轧制铝合金3926
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270.32
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0.36钛102.04
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0.3铜119
‑
0.326镁及镁合金44.8
‑
46
‑
0.35
[0006]截至目前，众多学者即便在镁合金制备的时候采取了很多工艺措施，仍不能满足一些特殊要求，比如稳定获得大尺寸、UTS≥450MPa的高强度指标要求；达到像铝合金、钢、铸铁、钛等金属结构件的高弹性模量，比如E≥60GPa。然而，目前的轻量化应用尤其提出能接近铝合金的性能指标，如力学强度、弹性模量等指标。由此可见，如何能够解决强度低和弹性模量低的问题，仍是摆在研究者和生产厂家面前的棘手问题。
[0007]由于复合材料获得的强化效果很大程度取决于将应力从基体转移到比较强的增强相的能力，因而如何获得一个强的增强相/基体的界面结合十分关键。因此，一般复合材料增强体的选择能够与基体合金的物理性能、化学相容性，润湿性，载荷承受能力等相关，尽量避免增强体与基体合金之间的界面发生反应。目前，以颗粒或短纤维制备镁基复合材料的工艺简便、成本低和综合力学性能好而得到一定程度的应用，常用的增强体主要有碳纳米管(CNT)，碳纤维、钛纤维、硼纤维，A12O3颗粒及其短纤维，SiC
P
或晶须，B4C颗粒，氮化硼(B3N4)颗粒，石墨烯(GR)等。其中，c
‑
B3N4颗粒是目前通过理论设计已知的六种B3N4结构最稳定的相。同时，c
‑
B3N4具有较高的热导率，较大的弹性模量和刚度。可以预见，氮化硼c
‑
B3N4颗粒和石墨烯GR复合加入AM60B镁合金中，可以获得高弹性模量和高刚度的AM60B镁合金基复合材料。
[0008]目前，GR增强镁基复合材料的制备方法主要是传统的熔铸法和粉末冶金法。如专利《一种石墨烯增强镁基复合材料制备方法》(申请号：201910031951.8，公开号：CN109593985A，公开日：2019.04.09)公开了采用了真空吸铸法制备了以还原氧化石墨烯、硝酸镧、醋酸镍和镁合金为原料的石墨烯增强镁基复合材料，虽然能使石墨烯在基体中得以均匀分散，但是制备工艺繁琐。《一种石墨烯增强镁基复合材料的压铸制备方法》(申请号：201811547242.7，公开号：CN109371273A，公开日：2019.02.22)公开了一种半固态压铸制备石墨烯GR增强镁基复合材料的方法，使用熔铸法制备复合材料时，在熔铸过程中会出现材料的成分偏析、缩孔、疏松等缺陷，导致材料的性能较低。同时，由于GR与镁基体的密度存在差异，GR很难在镁合金熔体中均匀分散；而且在高温状态下，GR很容易重新团聚或重构，削弱了GR自身的分散效果，并有可能失去GR的优点，恶化了复合材料的性能。采用普通烧结法制备的复合材料存在致密性差、界面结合较弱等问题，且产量低，难以实现大规模生产。
[0009]专利《SW
‑
CNTs纤维增强镁合金基复合材料丝材及方法》(申请号：CN201911303050.6，授权公告号：CN111020417B，授权公告日：2021
‑
06
‑
29)，公开了SW
‑
CNTs纤维增强镁合金基复合材料丝材，SW
‑
CNTs短纤维含量较低，对弹性模量提高不显著。《SW
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CNTs和N
‑
SiC
p
增强镁合金工件及方法》(申请号：CN201911303080.7，授权公告号：CN111057972B，授权公告日：2021年08月06日)，公开了SW
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CNTs和N
‑
SiC
p
增强镁合金工件，对弹性模量提高比较显著。《GR增强的镁基复合材料丝材及制备方法》(申请号：CN201911303110.4，申请公布号：CN111057923A，授权公告日：2021年06月15日)，公开了GR增强镁基复合材料丝材及制备方法，该制备方法解决了GR的团聚问题，但是弹性模量提高不显著。《GR/N
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SiC
p
复合增强镁基复合材料及其制备方法》(申请号：CN201911304582.1，授权公告号：CN111057923B，授权公告日：2021年06月15日)，公开了GR/N
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.石墨烯和氮化硼复合强化AM60B镁合金基复合材料，其特征在于，按重量百分比由以下原料组分组成：GR粉1.6
‑
2.5％、c
‑
B3N4颗粒1
‑
10％、余量为半固态射压用AM60B镁合金颗粒机械切削加工时的细碎颗粒废料粉，以上各组分重量百分比之和为100％。2.根据权利要求1所述的石墨烯和氮化硼复合强化AM60B镁合金基复合材料，其特征在于，GR粉为单层石墨烯干粉；c
‑
B3N4颗粒名义尺寸为粒度0.5μm的颗粒；AM60B镁合金颗粒为半固态射压用AM60B镁合金颗粒机械切削加工时的细碎颗粒废料粉，其尺寸规格为0.1
‑
0.5mm的不规则切削颗粒。3.电弧增材制备结构件的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1，高能球磨：按照重量百分比分别称取如下原料：GR粉1.6
‑
2.5％、c
‑
B3N4颗粒1
‑
10％、余量为AM60B镁合金颗粒，以上各组分重量百分比之和为100％；将称取的GR粉、c
‑
B3N4颗粒及AM60B镁合金颗粒混合体进行球磨；步骤2，挤压成形：将步骤1球磨后的GR粉、c
‑
B3N4颗粒及AM60B镁合金颗粒混合体分两步进行挤压成形；步骤3，电弧增材制造成形：电弧增材制造以AZ31镁合金板材作为基板，在GMAW模式下进行WAAM增材制造。4.根据权利要求3所述的电弧增材制备结构件的方法，其特征在于，步骤1中，将称取的GR粉、c
‑
B3N4颗粒及AM60B镁合金颗粒混合体一起置于高能球磨机中，在氩气保护下高能球磨混粉24
‑
36小时。5.根据权利要求4所述的电弧增材制备结构件的方法，其特征在于，步骤1中，球磨的球料比为：2
‑
5:10；使用的磨球的直径为Φ6
‑
10mm，磨球为ZrO2球。6.根据权利要求3所述的电弧增材制备结构件的方法，其特征在于，步骤2中，将步骤1球磨后的GR粉、c
‑
B3N4颗粒及AM60B镁合金颗粒混合体先进行往复挤压制成块体材料，再进行普通正挤压制成AM60B镁合金基复合材料丝材，丝材直径为Φ0.8
‑
1.6mm。7.根据权利要求3所述的电弧增材制备结构件的方法，其特征在于，步骤2中，将步骤1球磨后的GR粉、c
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B3N4颗粒及AM60B镁合金颗粒混合体先进行往复挤压制成块体材料时所用的往复挤压装置为：包括第一挤压桶(10
‑
2)，第一挤压桶(10
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2)的一侧依次设置有凹模(10
‑
3)及第二挤压桶(10
‑
5)，第一挤压桶(10
‑
2)、第二挤压桶(10
‑
5)和凹模(10
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3)外壁上共同套接有一个加热体(10
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4)；第一挤压桶(10
‑
2)内开有第一空腔(10
‑2‑
1)，第二挤...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐春杰，王永清，崔雨轩，李楠，温禹，麻泽轩，傅庆坤，王兰鹏，杨永恒，李镇科，隋尚，武向权，郭灿，张忠明，丹，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：