CN105779796A - 稀土镁合金基-石墨烯-碳纳米管复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种稀土镁合金基-石墨烯-碳纳米管复合材料,其中,稀土镁合金包含:Gd和Y,占复合材料总重量的7%-16%;La、Ce、Pr和Nd中的一种或几种,占复合材料总重量的1%-2%;Ti,占复合材料总重量的0-0.5%;Cu、Ni和Si中的至少一种,占复合材料总重量的0-0.5%;Zr,占复合材料总重量的0.2%-1.2%;且石墨烯和碳纳米管的总重量占复合材料的0.2%-5%。其制备方法为:首先制备Mg-RE-CNT-CNP中间合金;按比例进行合金熔炼获得混合浆料;进行半固态挤压成形,获得锭坯;将锭坯车削后重熔,喷射成形重新形成铸锭;将铸锭进行热等静压,去皮,获得预制坯料;进行固溶处理,等温塑性变形;再进行时效处理并冷却,最终形成复合材料。该复合材料强度高,强韧性好,具有较强的淬透能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料及其制备方法,尤其涉及一种稀土镁合金基-石墨烯-碳纳米管复合材料及其制备方法。
背景技术
镁是地球上储量丰富,在自然界广泛分布的一种轻质碱土元素,纯镁密度仅为1.74g/cm3,化学性质活泼,也是人体的必需元素之一。通过对纯镁进行合金化,得到可工程应用的镁合金,具有密度小,比强度高,电磁屏蔽性能好,易于回收等优点;但同时相比于其他合金而言,绝对强度较低,耐热性差,容易氧化和腐蚀等缺点,限制了镁合金大规模工业化应用。所以镁合金发展一直以追求高强、耐热、耐腐蚀为目标。随着国防建设和科技进步,镁合金用量逐渐增大。在武器装备、航空航天、电子、汽车等领域开始广泛使用。一方面是追求更轻、更快的武器需求,另一方面是节能、环保的能源及环境所迫,均为镁合金的发展提供了强大的动力。
20世纪30年代初,出于战争需要,密度小,强度较高的稀土镁合金开始受到关注,并开发出能够在300℃以上工作的Mg-Ho系合金,该合金系具有中等强度室温力学性能,优越抗蠕变性能,曾被用于武器装备和航天领域。随后,利用Y在镁中固溶度较高,可热处理强化的特点,开发出室温强度高、蠕变性能优良的Mg-Y系合金,该合金经热处理后,耐蚀性大幅度提高,可与当时许多铸造铝合金相媲美。70年代,发现Gd在镁中拥有比Y更大的固溶度,在提高镁合金的强度方面优于Y元素。Mg-Gd系合金逐渐受到人们关注,但由于Gd密度高,降低了镁合金轻质特性,Mg-Gd二元系合金应用受到限制。因此,研究人员在Mg-Gd二元系合金基础上,添加Y、Nd等元素,结合多种工艺手段,在降低Gd含量的同时,又保证了合金的优良性能,提出了Mg-Gd多元系合金的开发思路。其中,Mg-Gd-Y合金具有出色的室温及高温性能,可在200℃-300℃条件下使用,具有明显优势。
变形镁合金的强化主要由以下几方面共同决定,第一,细晶强化,合金经过变形后,发生动态再结晶,根据Hall-Petch关系,合金强度与晶粒尺寸呈反比,而镁合金的K值系数是铝合金的3-4倍,因此,细晶强化是镁合金的重要强化方式;第二,时效强化,变形镁合金在后续时效过程中,先行固溶的合金元素会沿着一定方向析出,阻碍晶界及位错运动,进而提高合金的强度;第三,加工硬化,主要是镁合金的塑性变形,形成高密度的位错,由于镁合金的滑移系较少,位错易发生缠结,并且很难跳出,在后续的变形过程中进一步降低位错运动能力,最终实现提高合金强度的效果。以上可以发现,提高镁合金强度的方法主要集中在增加缺陷(线缺陷、面缺陷),又或者是阻碍缺陷的运动。
稀土变形镁合金是目前研究的热点,一方面其耐热性能是其他类型镁合金无法媲美的,另外其稳定的力学性能是工程化应用所需的重要指标。因此,许多科研机构都将精力投入到开发高强耐热镁合金中,由于该领域一直处于空白,新型合金牌号的开发是目前稀土变形镁合金研究的主要方向,并且,绝大多数新开发的合金都是实验室条件下获得的,而工程化生产并获得应用的稀土变形镁合金少之又少,因此对其中出现的工程性问题没有真正的认识和理解。我们团队在之前的稀土变形镁合金制备过程中,发现大尺寸的稀土镁合金热变形后淬火,心部难于淬透,心部及边部力学性能差距很大,截面尺寸越大,这种差异越显著。
分析原因,主要是稀土镁合金的耐热效应所导致。由于稀土元素在镁中有较大的固溶度,有明显的热处理强化效果,因此,一般的稀土变形镁合金的制备方法为熔铸-均匀化-塑性变形-淬火-时效,在前期的均匀化过程中,大量的共晶组织分解回溶,形成了过饱和固溶体,而溶质原子的回溶,造成对电子运动的阻碍,必然导致了合金的导电和导热性能下降。稀土含量越高,均匀化后的过饱和程度越高,导电导热性能也越低,因此造成了大截面尺寸镁合金的心部淬不透,自然会造成合金性能的显著差异。另外,由于变形镁合金晶粒明显细化,合金的晶界增多,导致对电子的散射增加,最终引起了合金淬透性变差。
发明内容
基于此,本发明的目的在于提供一种内外性能差异较小、淬透性好的稀土镁合金复合材料,即提供一种稀土镁合金基-石墨烯(CNP)-碳纳米管(CNT)复合材料。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种稀土镁合金基-石墨烯-碳纳米管复合材料,其中,稀土镁合金包含:Gd和Y,占复合材料总重量的7%-16%;La、Ce、Pr和Nd中的一种或几种,占复合材料总重量的1%-2%;Ti,占复合材料总重量的0-0.5%;Cu、Ni和Si中的至少一种,占复合材料总重量的0-0.5%;Zr,占复合材料总重量的0.2%-1.2%;且石墨烯和碳纳米管的总重量占复合材料的0.2%-5%。
石墨烯作为一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料,是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料,导热系数高达5300W/m·K,高于碳纳米管和金刚石,常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s,又比纳米碳管或硅晶体高,而电阻率仅约10-6Ω·cm,比铜或银更低,为世界上电阻率最小的材料。因其电阻率极低,电子迁移的速度极快,因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体,也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。因此,本发明将石墨烯添加到稀土镁合金中,利用其较高的导热性能,提高稀土镁合金的淬透性。
另外,将碳纳米管添加到镁合金中,可表现出良好的强度和韧性,是极具发展前景的一类复合材料。本发明将石墨烯和碳纳米管这两类增强体加到稀土镁合金中,一方面利用稀土元素可热处理强化的特点,另一方面,利用石墨烯及碳纳米管的高导热性,开发出内外性能差异较小的一类稀土镁合金-石墨烯-碳纳米管复合材料,可以有效提高镁合金的综合性能并可扩大其应用范围。
在本发明的复合材料中,石墨烯的含量大于碳纳米管的含量,碳纳米管可以是单壁或多壁碳纳米管。
一种所述复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将纯镁熔化,并将镁-稀土-碳纳米管-石墨烯(Mg-RE-CNT-CNP)中间合金加入纯镁中熔炼,熔炼温度为700℃-850℃,其他合金元素按照比例辅助补充添加,且Zr以Mg-Zr中间合金的方式最后添加,温度控制在800℃-850℃,然后冷却至700℃,得到混合浆料;
(2)将上述混合浆料降温至600-650℃进行半固态挤压成形,获得锭坯;
(3)将锭坯车削后重熔,重熔后铸锭温度不高于800℃,充分搅拌后,利用喷射成形的方法重新形成铸锭,整个过程中保护气体为氩气及四氟乙烷的混合气体,体积比为15-20∶1;
(4)将获得的铸锭进行热等静压,去皮,获得预制坯料;
(5)将预制坯料进行固溶处理,然后进行等温塑性变形;
(6)变形后的材料进行时效处理并冷却,最终形成复合材料。
所述Mg-RE-CNT-CNP中间合金的制备过程为:将纯镁温度升高至750-850℃,添加稀土RE,在稀土完全熔化后且熔体温度不高于800℃时添加碳纳米管CNT及石墨烯CNP;将中间合金在450-550℃进行保温24-48h后,进行多向锻造;将锻造后的合金在450-550℃下再保温24-48h后,直接进行挤压,挤压比不低于20,然后迅速水冷。
所述步骤(1)熔炼过程中的保护气体为氩气及四氟乙烷(R134a)的混合气体,体积比为15-20∶1。
所述步骤(5)中,固溶温度不低于540℃,保温时间在4-24h之内,视铸锭大小不同进行调整,并结合多级处理工艺进行固溶;等温塑性变形包括挤压、锻造或轧制中的一种或几种。
所述步骤(6)中,时效温度为160-220℃,时间为6-24h。
本发明在复合材料的制备中,将稀土镁合金熔体与石墨烯、碳纳米管的混合浆料采用半固态的方式进行挤压成形,在触变成形过程中合金可以保持较为均匀的晶粒以及较高的致密性。将挤压成形后的锭坯重熔搅拌后,利用喷射成形铸造合金,可以使石墨烯和碳纳米管这两类增强体均匀分布,弥补了由于半固态挤压导致增强体聚集的问题。将铸锭进行致密化处理后,可以最大程度的使得合金的密度增加,提高合金的塑性变形能力。变形前的固溶处理,是为了让合金中的稀土元素能够回溶,在后续析出过程中可以有效提高合金的时效强化能力。
本发明的优点在于:
与现有技术相比,本发明所提供的稀土镁基-石墨烯-碳纳米管复合材料具有强度高,强韧性好,特别是较强的淬透能力的优点,可广泛地应用于航天航空零部件,特别是大尺寸截面材料等方面。
具体实施方式
下面根据实施例对本发明作进一步说明,但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
1、首先制备Mg-RE-CNT-CNP中间合金,纯镁温度升高至780℃,添加稀土,稀土总质量约为30%,Gd、Y总量为25%,La、Ce总量为5%;CNT及CNP总量为8%,且在稀土完全熔化后且熔体温度为780℃时进行添加;将中间合金在550℃进行保温48h后,进行多向锻造;将锻造后的合金在550℃下再保温48h后,直接进行挤压,挤压比为20,然后迅速水冷。
2、按照下表中的成分及含量进行熔炼得到稀土镁合金熔体。
成分 | Gd | Y | La | Ce | Zr | Ti | Si | CNP | CNT |
含量(wt%) | 6 | 3 | 0.2 | 0.8 | 0.3 | 0.2 | 0.1 | 1.2 | 0.6 |
熔炼过程中的保护气体为氩气及R134a的混合气体,体积比为20∶1,主元素及其他合金元素按照比例辅助补充添加,Zr以Mg-Zr中间合金的方式最后添加,最终熔炼温度控制在830℃,然后降温至700℃。
3、将上述混合浆料继续降温至630℃,采用半固态的方式进行挤压成形,得到金属锭。
4、将金属锭车削后重熔,充分搅拌后,利用喷射成形的方法重新形成铸锭。整个过程中仍然需要有气体保护,保护气氛同上,重熔后铸锭温度为750℃,搅拌均匀后转移到喷射成形设备中,喷射沉积获得铸锭。
5、将获得的铸锭进行热等静压,去皮,获得预制坯料。
6、将预制坯料进行固溶处理,温度为540℃,保温时间为8h,然后进行挤压。
7、变形后的材料在200℃下进行时效,时间为15h,冷却,最终形成含有上述两种增强体的稀土镁合金复合材料。
此稀土镁合金复合材料的断裂强度470MPa,导热系数为80W/m·K。
实施例2
1、首先制备Mg-RE-CNT-CNP中间合金,纯镁温度升高至800℃,添加稀土,稀土总质量约为28%,Gd、Y总量为22%,La、Ce总量为6%;CNT及CNP总量为10%,且在稀土完全熔化后且熔体温度为800℃时进行添加;将中间合金在500℃进行保温48h后,进行多向锻造;将锻造后的合金在500℃下再保温48h后,直接进行挤压,挤压比为20,然后迅速水冷。
2、按照下表中的成分及含量进行熔炼得到稀土镁合金熔体。
成分 | Gd | Y | La | Ce | Zr | Ti | Si | CNP | CNT |
含量(wt%) | 8 | 5 | 0.4 | 0.6 | 0.2 | 0.3 | 0.1 | 0.7 | 0.3 |
熔炼过程中的保护气体为氩气及R134a的混合气体,体积比为20∶1,主元素及其他合金元素按照比例辅助补充添加,Zr以Mg-Zr中间合金的方式最后添加,最终熔炼温度控制在820℃,然后降温至700℃。
3、将上述混合浆料继续降温至620℃,采用半固态的方式进行挤压成形,得到金属锭。
4、将金属锭车削后重熔,充分搅拌后,利用喷射成形的方法重新形成铸锭。整个过程中仍然需要有气体保护,保护气氛同上,重熔后铸锭温度为750℃,搅拌均匀后转移到喷射成形设备中,喷射沉积获得铸锭。
5、将获得的铸锭进行热等静压,去皮,获得预制坯料。
6、将预制坯料进行固溶处理,温度545℃,保温时间为10h,然后进行挤压。
7、变形后的材料在210℃下进行时效,时间为12h,冷却,最终形成含有上述两种增强体的稀土镁合金复合材料。
此稀土镁合金复合材料断裂强度达到500MPa,导热系数为70W/m·K。
实施例3
1、首先制备Mg-RE-CNT-CNP中间合金,纯镁温度升高至760℃,添加稀土,稀土总质量约为26%,Gd、Y总量为22%,La、Ce、Pr总量为4%;CNT及CNP总量为12%,且在稀土完全熔化后且熔体温度为780℃时进行添加;将中间合金在500℃进行保温36h后,进行多向锻造;将锻造后的合金在500℃下再保温48h后,直接进行挤压,挤压比为20,然后迅速水冷。
2、按照下表中的成分及含量进行熔炼得到稀土镁合金熔体。
成分 | Gd | Y | La | Pr | Ce | Zr | Cu | Si | CNP | CNT |
含量(wt%) | 7.5 | 4 | 0.4 | 0.3 | 0.6 | 0.25 | 0.2 | 0.1 | 1.5 | 0.8 |
熔炼过程中的保护气体为氩气及R134a的混合气体,体积比为20∶1,主元素及其他合金元素按照比例辅助补充添加,Zr以Mg-Zr中间合金的方式最后添加,最终熔炼温度控制在810℃,然后降温至700℃。
3、将上述混合浆料继续降温至625℃,采用半固态的方式进行挤压成形,得到金属锭。
4、将金属锭车削后重熔,充分搅拌后,利用喷射成形的方法重新形成铸锭。整个过程中仍然需要有气体保护,保护气氛同上,重熔后铸锭温度为725℃,搅拌均匀后转移到喷射成形设备中,喷射沉积获得铸锭。
5、将获得的铸锭进行热等静压,去皮,获得预制坯料。
6、将预制坯料进行固溶处理,温度550℃,保温时间为14h,然后进行挤压。
7、变形后的材料在210℃下进行时效,时间为16h,冷却,最终形成含有上述两种增强体的稀土镁合金复合材料。
此稀土镁合金复合材料断裂强度达到520MPa,导热系数为76W/m·K。
实施例4
1、首先制备Mg-RE-CNT-CNP中间合金,纯镁温度升高至760℃,添加稀土,稀土总质量约为33%,Gd、Y总量为28%,La、Pr、Ce总量为5%;CNT及CNP总量为5%,且在稀土完全熔化后且熔体温度为790℃时进行添加;将中间合金在500℃进行保温36h后,进行多向锻造;将锻造后的合金在500℃下再保温48h后,直接进行挤压,挤压比为20,然后迅速水冷。
2、按照下表中的成分及含量进行熔炼得到稀土镁合金熔体。
成分 | Gd | Y | La | Pr | Ce | Zr | Cu | Si | CNP | CNT |
含量(wt%) | 5 | 8 | 0.7 | 0.5 | 0.3 | 0.3 | 0.1 | 0.2 | 2.0 | 1.1 |
熔炼过程中的保护气体为氩气及R134a的混合气体,体积比为20∶1,主元素及其他合金元素按照比例辅助补充添加,Zr以Mg-Zr中间合金的方式最后添加,最终熔炼温度控制在830℃,然后降温至700℃。
3、将上述混合浆料继续降温至645℃,采用半固态的方式进行挤压成形,得到金属锭。
4、将金属锭车削后重熔,充分搅拌后,利用喷射成形的方法重新形成铸锭。整个过程中仍然需要有气体保护,保护气氛同上,重熔后铸锭温度为760℃,搅拌均匀后转移到喷射成形设备中,喷射沉积获得铸锭。
5、将获得的铸锭进行热等静压,去皮,获得预制坯料。
6、将预制坯料进行固溶处理,温度540℃,保温时间为16h,然后进行挤压。
7、变形后的材料在160℃下进行时效,时间为24h,冷却,最终形成含有上述两种增强体的稀土镁合金复合材料。
此稀土镁合金复合材料断裂强度达到480MPa,导热系数为80W/m·K。
实施例5
1、首先制备Mg-RE-CNT-CNP中间合金,纯镁温度升高至780℃,添加稀土,稀土总质量约为30%,Gd、Y总量为25%,Pr、Ce总量为5%;CNT及CNP总量为6%,且在稀土完全熔化后且熔体温度为780℃时进行添加;将中间合金在520℃进行保温36h后,进行多向锻造;将锻造后的合金在500℃下再保温48h后,直接进行挤压,挤压比为20,然后迅速水冷。
2、按照下表中的成分及含量进行熔炼得到稀土镁合金熔体。
成分 | Gd | Y | Pr | Ce | Zr | Ti | Si | CNP | CNT |
含量(wt%) | 7.5 | 4 | 0.5 | 0.8 | 0.6 | 0.2 | 0.3 | 2.5 | 1.0 |
熔炼过程中的保护气体为氩气及R134a的混合气体,体积比为20∶1,主元素及其他合金元素按照比例辅助补充添加,Zr以Mg-Zr中间合金的方式最后添加,最终熔炼温度控制在850℃以上,然后降温至700℃。
3、将上述混合浆料继续降温至640℃,采用半固态的方式进行挤压成形,得到金属锭。
4、将金属锭车削后重熔,充分搅拌后,利用喷射成形的方法重新形成铸锭。整个过程中仍然需要有气体保护,保护气氛同上,重熔后铸锭温度为760℃,搅拌均匀后转移到喷射成形设备中,喷射沉积获得铸锭。
5、将获得的铸锭进行热等静压,去皮,获得预制坯料。
6、将预制坯料进行固溶处理,温度545℃,保温时间为8h,然后进行挤压。
7、变形后的材料在200℃下进行时效,时间为20h,冷却,最终形成含有上述两种增强体的稀土镁合金复合材料。
此稀土镁合金复合材料断裂强度达到470MPa,导热系数为80W/m·K。
实施例6
1、首先制备Mg-RE-CNT-CNP中间合金,纯镁温度升高至760℃,添加稀土,稀土总质量约为35%,Gd、Y总量为25%,Pr、Ce总量为10%;CNT及CNP总量为6%,且在稀土完全熔化后且熔体温度为780℃时进行添加;将中间合金在530℃进行保温36h后,进行多向锻造;将锻造后的合金在530℃下再保温48h后,直接进行挤压,挤压比为20,然后迅速水冷。
2、按照下表中的成分及含量进行熔炼得到稀土镁合金熔体。
成分 | Gd | Y | Pr | Ce | Zr | Ti | Ni | CNP | CNT |
含量(wt%) | 7.5 | 4 | 0.8 | 0.6 | 1.0 | 0.4 | 0.3 | 3 | 1.5 |
熔炼过程中的保护气体为氩气及R134a的混合气体,体积比为20∶1,主元素及其他合金元素按照比例辅助补充添加,Zr以Mg-Zr中间合金的方式最后添加,最终熔炼温度控制在840℃,然后降温至700℃。
3、将上述混合浆料继续降温至640℃,采用半固态的方式进行挤压成形,得到金属锭。
4、将金属锭车削后重熔,充分搅拌后,利用喷射成形的方法重新形成铸锭。整个过程中仍然需要有气体保护,保护气氛同上,重熔后铸锭温度为750℃,搅拌均匀后转移到喷射成形设备中,喷射沉积获得铸锭。
5、将获得的铸锭进行热等静压,去皮,获得预制坯料。
6、将预制坯料进行固溶处理,温度545℃,保温时间为12h,然后进行挤压。
7、变形后的材料在175℃下进行时效,时间为20h,冷却,最终形成含有上述两种增强体的稀土镁合金材料。
此稀土镁合金复合材料断裂强度达到470MPa,导热系数为85W/m·K。
实施例7
1、首先制备Mg-RE-CNT-CNP中间合金,纯镁温度升高至820℃,添加稀土,稀土总质量约为30%,Gd、Y总量为25%,La、Pr总量为5%;CNT及CNP总量为5%,且在稀土完全熔化后且熔体温度为780℃时进行添加;将中间合金在535℃进行保温36h后,进行多向锻造;将锻造后的合金在535℃下再保温48h后,直接进行挤压,挤压比为20,然后迅速水冷。
2、按照下表中的成分及含量进行熔炼得到稀土镁合金熔体。
成分 | Gd | Y | Pr | La | Zr | Ti | Cu | CNP | CNT |
含量(wt%) | 7.5 | 4 | 0.8 | 0.6 | 1.0 | 0.1 | 0.1 | 0.8 | 0.2 |
熔炼过程中的保护气体为氩气及R134a的混合气体,体积比为20∶1,主元素及其他合金元素按照比例辅助补充添加,Zr以Mg-Zr中间合金的方式最后添加,最终熔炼温度控制在800℃,然后降温至700℃。
3、将上述混合浆料继续降温至650℃,采用半固态的方式进行挤压成形,得到金属锭。
4、将金属锭车削后重熔,充分搅拌后,利用喷射成形的方法重新形成铸锭。整个过程中仍然需要有气体保护,保护气氛同上,重熔后铸锭温度为720℃,搅拌均匀后转移到喷射成形设备中,喷射沉积获得铸锭。
5、将获得的铸锭进行热等静压,去皮,获得预制坯料。
6、将预制坯料进行固溶处理,温度555℃,保温时间为6h,然后进行挤压。
7、变形后的材料在190℃下进行时效,时间为18h,冷却,最终形成含有上述两种增强体的稀土镁合金材料。
此稀土镁合金复合材料断裂强度达到475MPa,导热系数为90W/m·K。
实施例8
1、首先制备Mg-RE-CNT-CNP中间合金,纯镁温度升高至820℃,添加稀土,稀土总质量约为32%,Gd、Y总量为28%,Ce总量为4%;CNT及CNP总量为5%,且在稀土完全熔化后且熔体温度为780℃时进行添加;将中间合金在535℃进行保温36h后,进行多向锻造;将锻造后的合金在535℃下再保温48h后,直接进行挤压,挤压比为20,然后迅速水冷。
2、按照下表中的成分及含量进行熔炼得到稀土镁合金熔体。
成分 | Gd | Y | Ce | Zr | Ti | Ni | CNP | CNT |
含量(wt%) | 7.5 | 7.5 | 0.6 | 0.5 | 0.1 | 0.2 | 3.0 | 1.5 |
熔炼过程中的保护气体为氩气及R134a的混合气体,体积比为20∶1,主元素及其他合金元素按照比例辅助补充添加,Zr以Mg-Zr中间合金的方式最后添加,最终熔炼温度控制在845℃,然后降温至700℃。
3、将上述混合浆料继续降温至610℃,采用半固态的方式进行挤压成形,得到金属锭。
4、将金属锭车削后重熔,充分搅拌后,利用喷射成形的方法重新形成铸锭。整个过程中仍然需要有气体保护,保护气氛同上,重熔后铸锭温度为770℃,搅拌均匀后转移到喷射成形设备中,喷射沉积获得铸锭。
5、将获得的铸锭进行热等静压,去皮,获得预制坯料。
6、将预制坯料进行固溶处理,温度555℃,保温时间为8h,然后进行挤压。
7、变形后的材料在180℃下进行时效,时间为20h,冷却,最终形成含有上述两种增强体的稀土镁合金材料。
此稀土镁合金复合材料断裂强度达到485MPa,导热系数为80W/m·K。
实施例9
1、首先制备Mg-RE-CNT-CNP中间合金,纯镁温度升高至820℃,添加稀土,稀土总质量约为25%,Gd、Y总量为20%,Pr、Nd、Ce总量为5%;CNT及CNP总量为7%,且在稀土完全熔化后且熔体温度为780℃时进行添加;将中间合金在535℃进行保温36h后,进行多向锻造;将锻造后的合金在535℃下再保温48h后,直接进行挤压,挤压比为20,然后迅速水冷。
2、按照下表中的成分及含量进行熔炼得到稀土镁合金熔体。
成分 | Gd | Y | Pr | Nd | Ce | Zr | Ti | Ni | Cu | CNP | CNT |
含量(wt%) | 8.0 | 2.0 | 0.2 | 0.5 | 0.3 | 0.3 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 2.5 | 2.0 |
熔炼过程中的保护气体为氩气及R134a的混合气体,体积比为20∶1,主元素及其他合金元素按照比例辅助补充添加,Zr以Mg-Zr中间合金的方式最后添加,最终熔炼温度控制在850℃,然后降温至700℃。
3、将上述混合浆料继续降温至650℃,采用半固态的方式进行挤压成形,得到金属锭。
4、将金属锭车削后重熔,充分搅拌后,利用喷射成形的方法重新形成铸锭。整个过程中仍然需要有气体保护,保护气氛同上,重熔后铸锭温度为780℃,搅拌均匀后转移到喷射成形设备中,喷射沉积获得铸锭。
5、将获得的铸锭进行热等静压,去皮,获得预制坯料。
6、将预制坯料进行固溶处理,温度560℃,保温时间为5h,然后进行挤压。
7、变形后的材料在220℃下进行时效,时间为8h,冷却,最终形成含有上述两种增强体的稀土镁合金材料。
此稀土镁合金复合材料断裂强度达到485MPa,导热系数为80W/m·K。
实施例10
1、首先制备Mg-RE-CNT-CNP中间合金,纯镁温度升高至820℃,添加稀土,稀土总质量约为25%,Gd、Y总量为20%,Ce总量为5%;CNT及CNP总量为7%,且在稀土完全熔化后且熔体温度为780℃时进行添加;将中间合金在535℃进行保温36h后,进行多向锻造;将锻造后的合金在535℃下再保温48h后,直接进行挤压,挤压比为20,然后迅速水冷。
2、按照下表中的成分及含量进行熔炼得到稀土镁合金熔体,并将稀土镁合金熔体与石墨烯及碳纳米管增强体混合得到混合浆料。
成分 | Gd | Y | Ce | Zr | Ni | Si | Cu | CNP | CNT |
含量(wt%) | 6.0 | 6.0 | 1.2 | 0.3 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 1.4 | 0.4 |
熔炼过程中的保护气体为氩气及R134a的混合气体,体积比为20∶1,主元素及其他合金元素按照比例辅助补充添加,Zr以Mg-Zr中间合金的方式最后添加,最终熔炼温度控制在840℃,然后降温至700℃。
3、将上述混合浆料继续降温至615℃,采用半固态的方式进行挤压成形,得到金属锭。
4、将金属锭车削后重熔,充分搅拌后,利用喷射成形的方法重新形成铸锭。整个过程中仍然需要有气体保护,保护气氛同上,重熔后铸锭温度为780℃,搅拌均匀后转移到喷射成形设备中,喷射沉积获得铸锭。
5、将获得的铸锭进行热等静压,去皮,获得预制坯料。
6、将预制坯料进行固溶处理,温度570℃,保温时间为4h,然后进行挤压。
7、变形后的材料在220℃下进行时效,时间为6h,冷却,最终形成含有上述两种增强体的稀土镁合金材料。
此稀土镁合金复合材料断裂强度达到485MPa,导热系数为95W/m·K。
实施例11
1、首先制备Mg-RE-CNT-CNP中间合金,纯镁温度升高至850℃,添加稀土,稀土总质量约为25%,Gd、Y总量为20%,La、Ce、Pr总量为5%;CNT及CNP总量为7%,且在稀土完全熔化后且熔体温度为780℃时进行添加;将中间合金在550℃进行保温36h后,进行多向锻造;将锻造后的合金在535℃下再保温48h后,直接进行挤压,挤压比为20,然后迅速水冷。
2、按照下表中的成分及含量进行熔炼得到稀土镁合金熔体。
成分 | Gd | Y | Pr | Ce | La | Zr | Ni | Si | CNP | CNT |
含量(wt%) | 3.0 | 7.5 | 0.2 | 0.5 | 0.3 | 0.2 | 0.1 | 0.2 | 0.4 | 0.1 |
熔炼过程中的保护气体为氩气及R134a的混合气体,体积比为20∶1,主元素及其他合金元素按照比例辅助补充添加,Zr以Mg-Zr中间合金的方式最后添加,最终熔炼温度控制在835℃,然后降温至700℃。
3、将上述混合浆料继续降温至640℃,采用半固态的方式进行挤压成形,得到金属锭。
4、将金属锭车削后重熔,充分搅拌后,利用喷射成形的方法重新形成铸锭。整个过程中仍然需要有气体保护,保护气氛同上,重熔后铸锭温度为800℃,搅拌均匀后转移到喷射成形设备中,喷射沉积获得铸锭。
5、将获得的铸锭进行热等静压,去皮,获得预制坯料。
6、将预制坯料进行固溶处理,温度560℃,保温时间为4.5h,然后进行挤压。
7、变形后的材料在180℃下进行时效,时间为18h,冷却,最终形成含有上述两种增强体的稀土镁合金材料。
此稀土镁合金复合材料断裂强度达到485MPa,导热系数为100W/m·K。
Claims (9)
1.一种稀土镁合金基-石墨烯-碳纳米管复合材料,其特征在于,其中的稀土镁合金包含:Gd和Y,占复合材料总重量的7%-16%;La、Ce、Pr和Nd中的一种或几种,占复合材料总重量的1%-2%;Ti,占复合材料总重量的0-0.5%;Cu、Ni和Si中的至少一种,占复合材料总重量的0-0.5%;Zr,占复合材料总重量的0.2%-1.2%;且石墨烯和碳纳米管的总重量占复合材料的0.2%-5%。
2.根据权利要求1所述的稀土镁合金基-石墨烯-碳纳米管复合材料,其特征在于:石墨烯的含量大于碳纳米管的含量。
3.根据权利要求1或2所述的稀土镁合金基-石墨烯-碳纳米管复合材料,其特征在于:所述碳纳米管为单壁或多壁碳纳米管。
4.一种权利要求1所述的稀土镁合金基-石墨烯-碳纳米管复合材料的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)将纯镁熔化,并将Mg-RE-CNT-CNP中间合金加入纯镁中熔炼,熔炼温度为700℃-850℃,其他合金元素按照比例辅助补充添加,且Zr以Mg-Zr中间合金的方式最后添加,温度控制在800℃-850℃,然后冷却至700℃,得到混合浆料;
(2)将上述混合浆料降温至600-650℃进行半固态挤压成形,获得锭坯;
(3)将锭坯车削后重熔,重熔后铸锭温度不高于800℃,充分搅拌后,利用喷射成形的方法重新形成铸锭,整个过程中保护气体为氩气及四氟乙烷的混合气体,体积比为15-20∶1;
(4)将获得的铸锭进行热等静压,去皮,获得预制坯料;
(5)将预制坯料进行固溶处理,然后进行等温塑性变形;
(6)变形后的材料进行时效处理并冷却,最终形成复合材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于:所述Mg-RE-CNT-CNP中间合金的制备过程为:将纯镁温度升高至750-850℃,添加稀土RE,在稀土完全熔化后且熔体温度不高于800℃时添加碳纳米管CNT及石墨烯CNP;将中间合金在450-550℃进行保温24-48h后,进行多向锻造;将锻造后的合金在450-550℃下再保温24-48h后,直接进行挤压,挤压比不低于20,然后迅速水冷。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中,熔炼过程中的保护气体为氩气及四氟乙烷的混合气体,体积比为15-20∶1。
7.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(5)中的固溶温度不低于540℃,保温时间在4-24h之内,视铸锭大小不同进行调整,并结合多级处理工艺进行固溶。
8.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(5)中的等温塑性变形包括挤压、锻造或轧制中的一种或几种。
9.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(6)中的时效温度为160-220℃,时间为6-24h。
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