【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于陶瓷增强镁基复合材料领域，具体涉及一种结点钉扎微细网络结构增强镁基复合材料及其制备方法。
技术介绍
1、镁基复合材料因其低密度、高比强度、高比刚度、良好的尺寸稳定性、出色的抗冲击性、良好的阻尼性能、电磁屏蔽性能等特点，被广泛引用于航空航天、汽车和生物医疗等领域。通过选择合适的增强相和制备工艺，可获得比基体材料更高的强度和弹性模量。
2、由于其制备难度大、成本高、成形过程易团聚等问题，纳米级陶瓷颗粒作为增强相受到很大限制。虽然微米级陶瓷颗粒成本较低、在基体中分散相对均匀，但微米级陶瓷增强相与基体的界面结合性较差，在界面处易发生开裂或脱黏，导致材料过早失效，从而限制了微米级陶瓷增强镁基复合材料的工程应用。
3、由于增强相与金属基体之间晶体结构及物理化学性质差异，制备的陶瓷增强镁基复合材料易出现微细增强相在基体中分布不均，强化效果不显著，导致镁基复合材料综合力学性能不佳。激光粉末床熔融作为金属增材制造的先进技术，利用高能激光束进行逐层熔化粉末，可形成具有高度几何自由度的复杂构件。高度局部化的热源导致快速冷却速率(103-106k/s)，从而形成独特的非平衡微观结构，这为镁基复合材料形成新颖增强结构提供了有利条件。
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种新颖增强结构即结点钉扎微细网络结构的陶瓷增强镁基复合材料，以充分发挥增强相和析出相的协同强化效应，提高微米级陶瓷增强相与基体的结合性，从而提升材料综合
2、为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：
3、一种结点钉扎微细网络结构增强镁基复合材料，包括镁合金基体及分散在镁合金基体上的微米级tic陶瓷增强相；所述的镁合金基体内具有纳米β-mg17al12形成的微细网络结构，所述的微米级tic陶瓷增强相钉扎在所述的微细网络结构的结点处。
4、优选地，所述的增强镁基复合材料中，微米级tic陶瓷增强相含量为2-6wt.％。
5、进一步地，本专利技术还提供上述结点钉扎微细网络结构增强镁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
6、(1)取镁合金基体粉末、微米级tic陶瓷粉末在惰性气体保护下混合均匀，得到陶瓷颗粒在镁合金粉末表面分布均匀的复合粉体；
7、(2)使用例如soildworks软件建立待成形零件的三维实体几何模型，然后利用例如magics软件对该几何模型进行分层切片并规划激光扫描路径，将三维实体离散成一系列二维数据，保存并导入激光粉末床熔融成形设备中；
8、(3)激光粉末床熔融成形设备根据步骤(2)所导入的数据，将步骤(1)中的复合粉体逐层熔化并凝固，最终成形即得。
9、具体地，步骤(1)中，所述的镁合金基体粉末为mg-al-zn-mn合金粉末，其成分按质量百分比计，包括：铝(al)占8.6-9.3％，锌(zn)占0.45-0.70％，锰(mn)占0.17-0.32％，硅(si)≤0.05％，铜(cu)≤0.025％，镍(ni)≤0.001％，铁(fe)≤0.004％，余量为mg。
10、优选地，步骤(1)中，所述的镁合金基体粉末粒径范围为23-51μm。
11、优选地，步骤(1)中，所述的微米级tic陶瓷粉末粒径分布范围在2-6μm，纯度不低于99.5％。
12、优选地，步骤(1)中，采用球磨将镁合金基体粉末、微米级tic陶瓷粉末混合均匀；所述的球磨工艺为球料比为2:1-2:3，球磨转速为150-250rpm，球磨总时间为3-5h，球磨罐内温度过高，采用单向间隔运行模式。该球磨过程要求在惰性气体保护下进行，以防止镁基粉末在球磨过程中被氧化或污染。
13、优选地，步骤(3)中，激光粉末床熔融成形设备采用的激光功率为100-140w，激光扫描速度为200-400mm/s，扫描间距为80-100μm。
14、优选地，步骤(3)中，复合粉体在激光粉末床熔融成形设备内的铺粉厚度为30-50μm，激光粉末床熔融成形设备采用带状x-y交叉扫描策略。
15、上述激光参数经工艺优化后确定。根据镁基复合材料组织及性能特点，合理选择、适当添加增强相，采用激光粉末床熔融制备，有效调控陶瓷增强相及析出相的形貌、尺寸和分布状态，制备出成形质量好、综合力学性能优异的镁基复合材料。
16、进一步地，步骤(3)中，在成形前将经喷砂处理的镁合金基板固定在激光粉末床熔融成形设备工作台上并进行调平。基板下配有电阻加热装置，激光熔化分线将基板加热至150-200℃，通过热传导对粉末床进行预热，从而减少局部快速加热或冷区导致的热应力和变形。通过密封装置将成形腔密封、抽真空并通入惰性气体保护气氛。激光粉末床熔融成形过程如下：(a)铺粉装置将待加工粉末均匀铺放在成形基板上，激光束根据预先设计好的扫描路径对切片区域逐层进行扫描，使粉末层发生快速熔化/凝固，从而获得待成形零件的第一个二维平面；(b)计算机控制系统使成形基板下降一个粉层厚度，而供粉缸活塞上升一定粉层厚度，铺粉装置重新铺设一层待加工粉末，高能激光束根据切片信息完成第二层粉末扫描以获得待成形零件的第二个二维平面；(c)重复(b)步骤，待加工粉体逐层成形直至待成形零件加工完毕。
17、有益效果：
18、(1)本专利技术中tic和镁合金受到激光辐照发生熔化形成熔池，在随后的快速凝固过程中，镁基体中析出纳米β-mg17al12形成微细网络结构，而未熔微米级tic颗粒钉扎在网络结点处，形成结点钉扎微细网络增强结构。一方面，纳米β-mg17al12析出相形成的微细网络结构，可阻碍位错运动和裂纹扩展，起到强化和避免材料早期失效的作用。另一方面，微米tic增强相的结点钉扎作用，提高了微细网络结构的稳定性，增加了网络结构/基体以及陶瓷增强相/基体的结合性，从而提升增强结构向基体传递载荷的能力，阻碍裂纹在网络处的进一步扩展，最终提升材料的综合力学性能。
19、(2)本专利技术中以镁合金和微米级tic陶瓷增强相为原料，进行球磨混粉，获得陶瓷增强相分布均匀、流动性能良好、激光吸收率高且适用于激光粉末床熔融成形的复合粉体，制备简单并节约成本。采用激光粉末床熔融技术制备陶瓷增强镁基复合材料不仅缩短生产周期，提高产品生产效率，而且几乎无需后续机加工处理即可成形具有复杂几何形状的零件。激光粉末床熔融成形时熔池的冷却速度极高，可达103-108k/s，有效避免传统加工工艺中纳米析出相聚集，提高零件的力学性能。
20、(3)本专利技术可通过改变激光功率、激光扫描速度来调整激光能量密度，随着粉床激光能量输入变化，激光与粉床作用形成的熔池热力学和动力学特性也发生改变，通过合理选取激光工艺参数，调整激光能量输入，减少低熔点元素挥发、应力集中及裂纹孔隙等冶金缺陷产生，最终获得高成形质量的新颖结构增强镁基复合材料。
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1.一种结点钉扎微细网络结构增强镁基复合材料，其特征在于，包括镁合金基体及分散在镁合金基体上的微米级TiC陶瓷增强相；所述的镁合金基体内具有纳米β-Mg17Al12形成的微细网络结构，所述的微米级TiC陶瓷增强相钉扎在所述的微细网络结构的结点处。
2.根据权利要求1所述的结点钉扎微细网络结构增强镁基复合材料，其特征在于，所述的增强镁基复合材料中，微米级TiC陶瓷增强相含量为2-6wt.％。
3.权利要求1所述的结点钉扎微细网络结构增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
4.根据权利要求3所述的结点钉扎微细网络结构增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的镁合金基体粉末为Mg-Al-Zn-Mn合金粉末，其成分按质量百分比计，包括：Al 8.6-9.3％，Zn 0.45-0.70％，Mn 0.17-0.32％，Si≤0.05％，Cu≤0.025％，Ni≤0.001％，Fe≤0.004％，余量为Mg。
5.根据权利要求3所述的结点钉扎微细网络结构增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的
6.根据权利要求3所述的结点钉扎微细网络结构增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的微米级TiC陶瓷粉末粒径分布范围在2-6μm，纯度不低于99.5％。
7.根据权利要求3所述的结点钉扎微细网络结构增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，采用球磨将镁合金基体粉末、微米级TiC陶瓷粉末混合均匀；所述的球磨工艺为球料比为2:1-2:3，球磨转速为150-250rpm，球磨总时间为3-5h。
8.根据权利要求3所述的结点钉扎微细网络结构增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，激光粉末床熔融成形设备采用的激光功率为100-140W，激光扫描速度为200-400mm/s，扫描间距为80-100μm。
9.根据权利要求3所述的结点钉扎微细网络结构增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，复合粉体在激光粉末床熔融成形设备内的铺粉厚度为30-50μm，激光粉末床熔融成形设备采用带状X-Y交叉扫描策略。
10.根据权利要求3所述的结点钉扎微细网络结构增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，激光熔化前将激光粉末床熔融成形设备内的基板加热至150-200℃，通过热传导对粉末床进行预热。
...【技术特征摘要】
1.一种结点钉扎微细网络结构增强镁基复合材料，其特征在于，包括镁合金基体及分散在镁合金基体上的微米级tic陶瓷增强相；所述的镁合金基体内具有纳米β-mg17al12形成的微细网络结构，所述的微米级tic陶瓷增强相钉扎在所述的微细网络结构的结点处。
2.根据权利要求1所述的结点钉扎微细网络结构增强镁基复合材料，其特征在于，所述的增强镁基复合材料中，微米级tic陶瓷增强相含量为2-6wt.％。
3.权利要求1所述的结点钉扎微细网络结构增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
4.根据权利要求3所述的结点钉扎微细网络结构增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的镁合金基体粉末为mg-al-zn-mn合金粉末，其成分按质量百分比计，包括：al 8.6-9.3％，zn 0.45-0.70％，mn 0.17-0.32％，si≤0.05％，cu≤0.025％，ni≤0.001％，fe≤0.004％，余量为mg。
5.根据权利要求3所述的结点钉扎微细网络结构增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的镁合金基体粉末粒径范围为23-51μm。
6.根据权利要求3所述的结...
【专利技术属性】
技术研发人员：席丽霞，顾冬冬，李智明，田松茂，张栋，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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