一种利用熵合金颗粒增韧增模的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利用熵合金颗粒增韧增模的镁基复合材料，包括质量百分数为5

【技术实现步骤摘要】
一种利用熵合金颗粒增韧增模的镁基复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种利用熵合金颗粒增韧增模的镁基复合材料及其制备方法，属于镁合金材料加工


技术介绍

[0002]镁合金具有密度小，比强度、比刚度高，抗震、降噪能力强、易于机械加工等诸多优异的性能，在航空航天、汽车、电子产品等诸多领域都有良好的应用前景。尤其，随着近年来新能源汽车领域的快速发展，以及在碳中和、碳达峰背景下，镁合金作为典型的轻量化材料，其应用受到越来越多的关注。然而，镁合金的弹性模量低、强度低等原因，限制了镁合金作为结构材料的应用。
[0003]熵合金是近年来快速发展的一种合金体系，通常由四至五种合金主元组成。根据结构熵值的大小可分为高熵合金（HEA）与中熵合金（MEA）。这种等原子或近等原子比在 5%~35%的各种元素所组成结构可以引起高熵效应。当合金主元数增多时，多主元合金在结构和性能上将有更多的可能性。目前，熵合金已经表现出一些传统合金无法比拟的优异性能，比如高强度、高硬度、高断裂韧性、优异的耐疲劳性能，优良的耐腐蚀性、耐磨性、抗高温氧化、抗高温软化以及良好的热稳定性等特点。
[0004]基于熵合金上述优点，利用熵合金作为增强体有望赋予镁合金优异的力学性能。专利【CN201910674044.5】、【CN201910850142.X】公开了利用高熵合金颗粒增强的镁基复合材料，复合材料的强度和硬度都有所提高。然而，目前关于熵合金增强镁基复合材料的研究较少，在突破合金的强韧化以及刚度方面尚未取得明显的进展，主要原因是因为熵合金颗粒在镁合金基体中的分散性和增强体/基体界面问题。
[0005]针对上述问题，本专利技术提出了一种利用熵合金颗粒增韧增模的镁基复合材料及其制备方法。

技术实现思路

[0006]针对熵合金颗粒增强镁基复合材料制备难的问题，本专利技术的目的是提供一种利用熵合金颗粒增韧增模的镁基复合材料及其制备方法，通过选定以Mg和Al为主元的熵合金颗粒与AZ系列镁合金复合，利用特定增温增速等通道转角挤压组合加工配合熵合金与镁基体粉末粒径特征实现冶金加工，并在熵合金颗粒与镁基体界面处形成Mg和Al元素的界面过渡层，增强界面强度。获得综合力学性能良好的熵合金颗粒增韧增模镁基复合材料。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种利用熵合金颗粒增韧增模的镁基复合材料，包括质量百分数为5
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20%的熵合金粉末和余量的镁合金粉末。
[0008]所述熵合金粉末包括含有镁和铝元素的AlMg基高熵合金粉末或中熵合金粉末。
[0009]所述镁合金粉末包括AZ系列镁合金粉末，或由镁粉、铝粉、锌粉按照AZ系列镁合金配比构成的混合粉末。
[0010]所述熵合金粉末的粒径为10
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80μm，镁合金粉末的粒径为50
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150μm，且熵合金粉末的粒径小于镁合金粉末的粒径。
[0011]一种利用熵合金颗粒增韧增模的镁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一，配料：按照配比称取熵合金粉末和镁合金粉末；步骤二，混粉：将上述粉末置于饱和硅油丙酮溶液中，超声振荡并机械搅拌至少1h充分混合，随后去除溶剂，获得均匀混合粉末；步骤三，冷压：将上述均匀混合粉末冷压至长方体的模具中，获得冷压后的块体；步骤四，包覆：将铁箔均匀包覆在冷压后的块体四周，块体两端面不包覆铁箔；步骤五，一次压实加工：将包覆好铁箔的块体放入转模等通道转角挤压模具中，以0.05
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0.2mm/s的压下速度在80
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150℃挤压1
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2道次；步骤六，二次冶金加工：将一次压实加工后的块体以0.5
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2mm/s 的压下速度在300
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400℃挤压4
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8道次；步骤七，三次烧结加工：将二次冶金加工后的块体以0.05
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0.1mm/s的压下速度在450
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500℃挤压1
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2道次，随后冷却、撕去铁箔，获得熵合金颗粒增韧增模的镁基复合材料。
[0012]步骤七由步骤八替换，步骤八，固相烧结：将二次冶金加工后的块体在480
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520℃真空烧结1
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2小时，随后冷却、撕去铁箔，获得熵合金颗粒增韧增模的镁基复合材料。
[0013]步骤三中冷压的压力为20
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80MPa，保压时间3min。
[0014]步骤五中一次压实加工前在包覆好的块体和转模等通道转角挤压模具型腔之间涂敷润滑介质。
[0015]步骤五、六和七中转模等通道转角挤压加工时模具整体处于保温状态。
[0016]所述冷却的方式为水淬。
[0017]所述饱和硅油丙酮溶液的制备方法为：逐滴将硅油加入丙酮中并搅拌均匀，待发现硅油开始不溶解时即制得饱和硅油丙酮溶液；所述饱和硅油丙酮溶液的加入体积为模具容积的10~13倍量。
[0018]本专利技术首先利用湿法混粉将熵合金粉末和镁合金粉末充分混合均匀，随后冷压成形，并利用保温的等通道转角挤压组合加工实现镁基复合材料的高致密度和熵合金颗粒与基体之间良好的润湿与界面结合，具体原理为：（1）由于Mg的化学性质活泼，采用干法研磨混粉时容易发生氧化，不利于镁粉与熵合金粉末之间的界面结合。本专利技术采用在饱和硅油丙酮溶液中借助超声振动和机械搅拌进行湿法混粉，在丙酮溶液中能够阻碍活泼粉末的氧化，而硅油的加入有利于在超声和机械搅拌作用下吸附和包裹粉末进而促进粉末的分散和混合均匀。随后去除溶剂时，丙酮易挥发，少量硅油会混入粉末中能够增加粉末间的润滑，促进后续成形过程。（2）一次压实加工为在较低温度的慢速等通道转角挤压，在慢速剧烈塑性变形时样品粉末可以充分接触，促进粉末之间接触变形。由于熵合金硬度和弹性模量均高于镁合金基体粉末，本专利技术选用粒径比镁合金粉末小的熵合金粉末，可使熵合金颗粒嵌入镁合金颗粒中，利用镁合金粉末易于变形的特点包裹在熵合金颗粒周围，导致粉末之间的间隙消失，有效排出粉末之间的空气，提高致密度。（3）二次冶金加工为在中高温的快速多道次剧烈塑性加工，其目的一方面是促进基体塑性变形，形成高密度位错和晶界，同时熵合金颗粒中也形成大量位错；另一方面，嵌入镁基体粉末中的熵合金颗粒与基体在大应变和热耦合作用下发生冶金结合。本专利技术选用AZ系列镁合金和含有Al和Mg元素的熵合金，可
以利用Mg及Al元素的浓度差、以及高密度位错提供的快速扩散通道，实现Al和Mg元素在熵合金增强体与基体之间界面快速的扩散，形成扩散层梯度界面，该界面层中由基体一侧到熵合金颗粒一侧，镁元素含量呈梯度降低，铝元素含量呈梯度增加，这种Mg和Al元素的梯度过渡使得高熵合金颗粒增强体与基体之间结合紧密，结合力强，可在加载和服役时有效传递载荷，并阻碍裂纹在界面处的萌生和扩展，从而有利于合金刚度和韧性的提高。（4）采用三次烧结加工或传统固相烧结，利用高温慢速等通道转交挤压加工的热输入
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用熵合金颗粒增韧增模的镁基复合材料，其特征在于：包括质量百分数为5
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20%的熵合金粉末和余量的镁合金粉末。2.根据权利要求1所述的一种利用熵合金颗粒增韧增模的镁基复合材料，其特征在于：所述熵合金粉末包括含有镁和铝元素的AlMg基高熵合金粉末或中熵合金粉末。3.根据权利要求1所述的一种利用熵合金颗粒增韧增模的镁基复合材料，其特征在于：所述镁合金粉末包括AZ系列镁合金粉末，或由镁粉、铝粉、锌粉按照AZ系列镁合金配比构成的混合粉末。4.根据权利要求1所述的一种利用熵合金颗粒增韧增模的镁基复合材料，其特征在于：所述熵合金粉末的粒径为10
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80μm，镁合金粉末的粒径为50
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150μm，且熵合金粉末的粒径小于镁合金粉末的粒径。5.根据权利要求1~4任意一项所述的一种利用熵合金颗粒增韧增模的镁基复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一，配料：按照配比称取熵合金粉末和镁合金粉末；步骤二，混粉：将上述粉末置于饱和硅油丙酮溶液中，超声振荡并机械搅拌至少1h充分混合，随后去除溶剂，获得均匀混合粉末；步骤三，冷压：将上述均匀混合粉末冷压至长方体的模具中，获得冷压后的块体；步骤四，包覆：将铁箔均匀包覆在冷压后的块体四周，块体两端面不包覆铁箔；步骤五，一次压实加工：将包覆好铁箔的块体放入转模等通道转角挤压模具中，以0.05
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0.2mm/s的压下速度在80
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150℃挤压1
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2道次；步骤六，二次冶金加工：将一次压实加工后的块体以0.5

【专利技术属性】
技术研发人员：刘欢，吴玉娜，白晶，梅小明，王胜青，徐正祥，范付军，徐旭，
申请(专利权)人：南京云海特种金属有限公司，
类型：发明
国别省市：