CN107142403B - 一种石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料及其制备方法，它是在含准晶强化的镁合金基体中加入石墨烯制得，石墨烯和镁合金粉末的质量比为1:2‑4，石墨烯和镁合金粉末作为整体与镁合金板材的质量比为1:5‑8；镁合金基体的组分及其质量百分比为：2~8wt.%Zn、1~4wt.%Gd、0.5~2.5wt.%Ca、0.5~2.5wt.%Al，余量为Mg，制备方法包括镁合金粉末和镁合金板材的制备，粉末烘干、锻造和热处理，本发明所述制备方法能使石墨烯在含准晶镁合金基体中分散得比较均匀，并使石墨烯与镁合金基体间很好的结合在一起；方法简单、成本低。

Description

一种石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属复合材料技术领域，具体涉及一种石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料及其制备方法。
背景技术
镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度和比刚度高等优点，在汽车、航空航天等领域有着十分广泛的应用前景。近年来，航空航天及交通运输工具的速度越来越高，所需的动力功率越来越大，构件的稳定性要求高可靠，对镁合金的耐热强度以及抗弹性变形能力提出了更高的要求，而普通镁合金的弹性模量约为铝合金的60%，一般在40~45GPa之间，即使最新开发的高强耐热稀土镁合金Mg–Gd–Y–Zr，陈长江在硕士论文《发动机活塞用耐热稀土镁合金的开发研究》（上海，上海交通大学，2010）中研究表明，其室温弹性模量也仅为45GPa左右，其抗弹性变形能力较差，室温和300℃时抗拉强度分别为320MPa和250MPa，不能满足工程领域对轻质高强度高弹性模量镁合金材料的需求。因此，研发高性能镁基材料的需求已变得非常迫切。
由混合定律可知，多相合金的强度和弹性模量是由其组成相的强度和弹性模量及其体积分数决定的，引入其他成分以形成合金元素或化合物第二相可以影响基体金属的强度和弹性模量。近年来的研究发现在某些Mg-Zn-RE合金中可以生成准晶强化相，准晶强化相具有高硬度、高塑韧性、高弹性模量以及与镁基体良好的界面结合等一系列特性。因此，在镁合金中引入准晶有望提高其强度和弹性模量。
同时，与镁合金相比，复合材料不仅保留了基体合金的高比强度和比刚度、优良的导电、导热性能及冷、热加工性能，还具有良好的弹性模量、耐磨性、耐高温性能、阻尼性能和电磁屏蔽性能等。石墨烯是一种由碳原子组成的六角型呈蜂巢晶格状的平面薄膜。其高导电性（电阻率仅约10-8Ω·m）、高导热率（5000W/m·K）、高强度（断裂强度高达130Gpa）以及高比表面积等优异的性能使其成为复合材料的理想增强相。在镁合金中加入石墨烯可以显著提高其强度和弹性模量，并保持镁合金基体的高延展性，所得到的石墨烯增强镁基复合材料的热导率也显著提高。
但石墨烯镁基复合材料的工业制备存在有两大技术难题：一是石墨烯在镁合金基体中均匀分散的问题，二是石墨烯与镁合金基体界面结合问题。目前还没有较好的解决手段。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料及其制备方法，以Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金为基体，其中，通过控制Zn和Gd比例生成准晶强化相，在含准晶强化相的Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金中添加石墨烯，并进行锻造变形和时效热处理，制备出高强度和高弹性模量的石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料。该制备方法能够使石墨烯均匀分散在含准晶镁合金基体中，还能使石墨烯与镁合金基体之间很好的结合在一起。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料，它是在含准晶强化相的镁合金基体中加入石墨烯制得，所述含准晶强化相的镁合金基体由镁合金粉末和镁合金板材组成，其中，石墨烯和镁合金粉末的质量比为1:2-4，石墨烯和镁合金粉末作为整体与镁合金板材的质量比为1:5-8；含准晶镁合金基体的成分及其质量百分比为：2~8wt.%Zn、1~4wt.%Gd、0.5~2.5wt.%Ca、0.5~2.5wt.%Al，余量为Mg，将上述各组分采用熔炼工艺制备得到含准晶强化相的Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金，对Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金采用雾化法制粉得到镁合金粉末，对Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金采用均匀化处理得到镁合金板材。
所述的石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料的制备方法，步骤如下：
（1）含准晶强化相的Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金的制备：采用熔炼工艺制备得到Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金；
（2）雾化法制粉：将步骤（1）制得的Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金放入预热的坩埚中，在真空条件下于550~650℃熔炼20~60min，得到镁合金熔液；将镁合金熔液过热100~200℃，然后置于雾化装置进行雾化，得到镁合金粉末；
（3）镁合金板材的制备：将步骤（1）制得的Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金在520℃条件下均匀化处理4h，然后在450℃条件下轧制成镁合金板材；
（4）粉末混合：将石墨烯和步骤（2）制得的镁合金粉末在液氮的环境中进行球磨，使所述石墨烯粘附到所述镁合金粉表面，形成粉末混合物；
（5）粉末烘干：将步骤（4）制备得到的粉末混合物送入真空热处理炉中烘干；
（6）锻造：将烘干后的粉末混合物均匀分散在步骤（3）制得的镁合金板材表面，然后将镁合金板材对折，以对折处为咬入点进行锻造，控制锻造变形量以使两层镁合金中间的空气随着锻造的进行而排出；
（7）热处理：将锻造后的镁基复合材料在180-280℃温度下时效处理6-30h得到石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料。
所述步骤（1）采用熔炼工艺制备得到含准晶强化相的Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金的方法如下：
1）配料：原料采用纯Mg、纯Zn、纯Ca、纯Al、Mg-30wt.%Gd中间合金，按照所述的质量百分比配料；
2）烘料：取纯Mg、纯Zn、纯Ca、纯Al、Mg-30wt.%Gd中间合金，并在180~250℃预热3小时以上；
3）熔Mg、Zn和Ca：采用坩埚电阻炉将烘干后的纯镁熔化，待纯镁锭熔化后，在670~700℃加入纯锌；待纯锌熔化后，熔体温度回升至700~740℃时加入纯钙；
4）加Gd和Al：待纯钙熔化后，熔体温度达到720~740℃时加入Mg-30wt.%Gd中间合金；待Mg-30wt.%Gd中间合金熔化后，熔体温度回升至700~740℃时加入纯铝；
5）浇注：待纯铝完全熔化，搅拌后将镁液温度升至750~770℃保温20分钟，然后降温至730~760℃，不断电精炼10分钟，精炼后在720~740℃静置15分钟，然后撇去表面浮渣并进行浇铸制得含准晶强化相的Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金，浇铸用模具预先加热至180~250℃。
所述步骤（4）中石墨烯和镁合金粉末的质量比为1:2-4；球磨时的球料比为4-8:1、转速为40-120r/mim、球磨时间为2-6h。
所述步骤（4）中石墨烯的平均粒径为7-9μm，所述镁合金粉末的平均粒径为10-40μm。
所述步骤（5）中粉末混合物在真空热处理炉中的烘干温度为80-120℃、烘干时间为1-3h。
所述步骤（6）中烘干后的粉末混合物和镁合金板材的质量比为1:5-8。
所述步骤（6）中镁合金板材的表面粗糙度为0.5-1.5μm。
所述步骤（6）中的锻造温度为480-540℃，重复10-15次对折和锻造复合，锻造复合的单道次变形量≥30%。
本发明的有益效果：1、本发明利用准晶强化镁合金基体提高镁合金基体的强度，以此为基础，再利用石墨烯作为增强颗粒制备镁基复合材料，进一步提高材料的强度和弹性模量，实现了镁合金材料的石墨烯与准晶复合强化；2、以Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金为基体，其中，通过控制Zn和Gd比例生成准晶强化相，加微量Ca用于提高镁合金阻燃温度，加微量Al用于细化镁合金晶粒；然后在含准晶强化相的Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金中添加石墨烯，并进行锻造变形和时效热处理，制备出高强度和高弹性模量的石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料。该制备方法能够使石墨烯均匀分散在含准晶镁合金基体中，还能使石墨烯与镁合金基体之间很好的结合在一起。3、本发明将石墨烯与含准晶镁合金粉用球磨进行分散，石墨烯得到了活化并粘附到含准晶镁合金粉表面，为石墨烯与含准晶镁合金的结合提供了基础。之后将石墨烯和含准晶镁合金粉的粉末混合物分散到含准晶镁合金板材的表面，通过多次锻造复合，在石墨烯与镁合金界面产生较大的剪切变形和瞬时的高剪切热，从而使石墨烯与含准晶镁合金基体产生有效结合，避免了烧结等高温长时间处理时石墨烯与含准晶镁合金基体之间不良界面化合物的生成。多次的锻造有助于石墨烯更均匀的分散在含准晶镁合金基体中。此外，较大的剪切变形还能使石墨烯碎化成更小的尺寸，增加了结合界面，更佳有利于石墨烯与含准晶镁合金基体之间的结合。4、本发明提供的这种制备方法十分简单，且所需的设备都是常用设备，工艺参数也比较好控制，成本低、能够工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料的金相组织。
图2为本发明实施例2制得的石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料的金相组织。
图3为本发明实施例3制得的石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料的金相组织。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
本发明以Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金为基体，其中，通过控制Zn和Gd比例生成准晶强化相，加微量Ca用于提高镁合金阻燃温度，加微量Al用于细化镁合金晶粒；然后在含准晶强化相的Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金中添加石墨烯，并进行锻造变形和时效热处理，制备出高强度和高弹性模量的石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料。
一种石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料，它是在含准晶强化相的镁合金基体中加入石墨烯制得，所述含准晶强化相的镁合金基体由镁合金粉末和镁合金板材组成，其中，石墨烯和镁合金粉末的质量比为1:2-4，石墨烯和镁合金粉末作为整体与镁合金板材的质量比为1:5-8；含准晶镁合金基体的成分及其质量百分比为：2~8wt.%Zn、1~4wt.%Gd、0.5~2.5wt.%Ca、0.5~2.5wt.%Al，余量为Mg，将上述各组分采用熔炼工艺制备得到含准晶强化相的Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金，对Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金采用雾化法制粉得到镁合金粉末，对Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金采用均匀化处理得到镁合金板材。
本发明的石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料的制备方法，步骤如下：
（1）含准晶强化相的Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金的制备：采用熔炼工艺制备得到Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金步骤如下：
1）配料：原料采用纯Mg、纯Zn、纯Ca、纯Al、Mg-30wt.%Gd中间合金，按照所述的质量百分比配料；
2）烘料：取纯Mg、纯Zn、纯Ca、纯Al、Mg-30wt.%Gd中间合金，并在180~250℃预热3小时以上；
3）熔Mg、Zn和Ca：采用坩埚电阻炉将烘干后的纯镁熔化，待纯镁锭熔化后，在670~700℃加入纯锌；待纯锌熔化后，熔体温度回升至700~740℃时加入纯钙；
4）加Gd和Al：待纯钙熔化后，熔体温度达到720~740℃时加入Mg-30wt.%Gd中间合金；待Mg-30wt.%Gd中间合金熔化后，熔体温度回升至700~740℃时加入纯铝；
5）浇注：待纯铝完全熔化，搅拌后将镁液温度升至750~770℃保温20分钟，然后降温至730~760℃，不断电精炼10分钟，精炼后在720~740℃静置15分钟，然后撇去表面浮渣并进行浇铸制得含准晶强化相的Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金，浇铸用模具预先加热至180~250℃；
（2）雾化法制粉：将步骤（1）制得的Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金放入预热的坩埚中，在真空条件下于550~650℃熔炼20~60min，得到镁合金熔液；将镁合金熔液过热100~200℃，然后置于雾化装置进行雾化，得到镁合金粉末；
（3）镁合金板材的制备：将步骤（1）制得的Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金在520℃条件下均匀化处理4h，然后在450℃条件下轧制成镁合金板材；
（4）粉末混合：将石墨烯和步骤（2）制得的镁合金粉末按质量比为1:2-4在液氮的环境中进行球磨，使所述石墨烯粘附到所述镁合金粉表面，形成粉末混合物，球磨时的球料比为4-8:1、转速为40-120r/mim、球磨时间为2-6h，石墨烯的平均粒径为7-9μm，所述镁合金粉末的平均粒径为10-40μm；
（5）粉末烘干：将步骤（4）制备得到的粉末混合物送入真空热处理炉中在80-120℃的条件下干燥1-3h；
（6）锻造：将烘干后的粉末混合物均匀分散在步骤（3）制得的镁合金板材表面（镁合金板材的表面粗糙度为0.5-1.5μm），粉末混合物和镁合金板材的质量比为1:5-8，然后将镁合金板材对折，以对折处为咬入点进行锻造，锻造温度为480-540℃，重复10-15次对折和锻造复合，锻造复合的单道次变形量≥30%，控制锻造变形量以使两层镁合金中间的空气随着锻造的进行而排出；其中步骤（4）、（5）和（6）为塑性变形步骤；
（7）热处理：将锻造后的镁基复合材料在180-280℃温度下时效处理6-30h得到石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料。
实施例1
本实施例的石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料，它是在含准晶强化相的镁合金基体中加入石墨烯制得，所述含准晶强化相的镁合金基体由镁合金粉末和镁合金板材组成，其中，石墨烯和镁合金粉末的质量比为1:2，石墨烯和镁合金粉末作为整体与镁合金板材的质量比为1:5；含准晶镁合金基体的成分及其质量百分比为：2wt.%Zn、1wt.%Gd、0.5wt.%Ca、0.5wt.%Al，余量为Mg，将上述各组分采用熔炼工艺制备得到含准晶强化相的Mg-2Zn-1Gd-0.5Ca-0.5Al合金，对Mg-2Zn-1Gd-0.5Ca-0.5Al合金采用雾化法制粉得到镁合金粉末，对Mg-2Zn-1Gd-0.5Ca-0.5Al合金采用均匀化处理得到镁合金板材。
本实施例的石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料的制备方法，步骤如下：
（1）含准晶强化相的Mg-2Zn-1Gd-0.5Ca-0.5Al合金的制备：采用熔炼工艺制备得到Mg-2Zn-1Gd-0.5Ca-0.5Al合金步骤如下：
1）配料：原料采用纯Mg、纯Zn、纯Ca、纯Al、Mg-30wt.%Gd中间合金，按照所述的质量百分比配料；
2）烘料：取纯Mg、纯Zn、纯Ca、纯Al、Mg-30wt.%Gd中间合金，并在180℃预热3小时以上；
3）熔Mg、Zn和Ca：采用坩埚电阻炉将烘干后的纯镁熔化，待纯镁锭熔化后，在670℃加入纯锌；待纯锌熔化后，熔体温度回升至700℃时加入纯钙；
4）加Gd和Al：待纯钙熔化后，熔体温度达到720℃时加入Mg-30wt.%Gd中间合金；待Mg-30wt.%Gd中间合金熔化后，熔体温度回升至700℃时加入纯铝；
5）浇注：待纯铝完全熔化，搅拌后将镁液温度升至750℃保温20分钟，然后降温至730℃，不断电精炼10分钟，精炼后在720℃静置15分钟，然后撇去表面浮渣并进行浇铸制得含准晶强化相的Mg-2Zn-1Gd-0.5Ca-0.5Al合金，浇铸用模具预先加热至180℃；
（2）雾化法制粉：将步骤（1）制得的Mg-2Zn-1Gd-0.5Ca-0.5Al合金放入预热的坩埚中，在真空条件下于550℃熔炼60min，得到镁合金熔液；将镁合金熔液过热100℃，然后置于雾化装置进行雾化，得到镁合金粉末；
（3）镁合金板材的制备：将步骤（1）制得的Mg-2Zn-1Gd-0.5Ca-0.5Al合金在500℃条件下均匀化处理6h，然后在400℃条件下轧制成镁合金板材；
（4）粉末混合：将平均粒径为7μm石墨烯和步骤（2）制得的平均粒径为10μm的镁合金粉末按质量比为1:2在液氮的环境中进行球磨，使所述石墨烯粘附到所述镁合金粉表面，形成粉末混合物，球磨时的球料比为4:1、转速为40r/mim、球磨时间为6h；
（5）粉末烘干：将步骤（4）制备得到的粉末混合物送入真空热处理炉中在80℃的条件下干燥3h；
（6）锻造：将烘干后的粉末混合物均匀分散在步骤（3）制得的镁合金板材表面（镁合金板材的表面粗糙度为0.5μm），粉末混合物和镁合金板材的质量比为1:5，然后将镁合金板材对折，以对折处为咬入点进行锻造，锻造温度为480℃，重复10次对折和锻造复合，锻造复合的单道次变形量≥30%，控制锻造变形量以使两层镁合金中间的空气随着锻造的进行而排出；其中步骤（4）、（5）和（6）为塑性变形步骤；
（7）热处理：将锻造后的镁基复合材料在180℃温度下时效处理30h得到石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料。
图1为实施例1制得石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料的金相组织。该石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料的室温力学性能为：抗拉强度：520MPa，屈服强度：280MPa，延伸率：16%，弹性模量：72GPa。
实施例2
本实施例的石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料，它是在含准晶强化相的镁合金基体中加入石墨烯制得，所述含准晶强化相的镁合金基体由镁合金粉末和镁合金板材组成，其中，石墨烯和镁合金粉末的质量比为1:4，石墨烯和镁合金粉末作为整体与镁合金板材的质量比为1:8；含准晶镁合金基体的成分及其质量百分比为：8wt.%Zn、4wt.%Gd、2.5wt.%Ca、2.5wt.%Al，余量为Mg，将上述各组分采用熔炼工艺制备得到含准晶强化相的Mg-8Zn-4Gd-2.5Ca-2.5Al合金，对Mg-8Zn-4Gd-2.5Ca-2.5Al合金采用雾化法制粉得到镁合金粉末，对Mg-8Zn-4Gd-2.5Ca-2.5Al合金采用均匀化处理得到镁合金板材。
本实施例的石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料的制备方法，步骤如下：
（1）含准晶强化相的Mg-8Zn-4Gd-2.5Ca-2.5Al合金的制备：采用熔炼工艺制备得到Mg-8Zn-4Gd-2.5Ca-2.5Al合金步骤如下：
1）配料：原料采用纯Mg、纯Zn、纯Ca、纯Al、Mg-30wt.%Gd中间合金，按照所述的质量百分比配料；
2）烘料：取纯Mg、纯Zn、纯Ca、纯Al、Mg-30wt.%Gd中间合金，并在250℃预热3小时以上；
3）熔Mg、Zn和Ca：采用坩埚电阻炉将烘干后的纯镁熔化，待纯镁锭熔化后，在700℃加入纯锌；待纯锌熔化后，熔体温度回升至740℃时加入纯钙；
4）加Gd和Al：待纯钙熔化后，熔体温度达到740℃时加入Mg-30wt.%Gd中间合金；待Mg-30wt.%Gd中间合金熔化后，熔体温度回升至740℃时加入纯铝；
5）浇注：待纯铝完全熔化，搅拌后将镁液温度升至770℃保温20分钟，然后降温至760℃，不断电精炼10分钟，精炼后在740℃静置15分钟，然后撇去表面浮渣并进行浇铸制得含准晶强化相的Mg-8Zn-4Gd-2.5Ca-2.5Al合金，浇铸用模具预先加热至180℃；
（2）雾化法制粉：将步骤（1）制得的Mg-8Zn-4Gd-2.5Ca-2.5Al合金放入预热的坩埚中，在真空条件下于650℃熔炼20min，得到镁合金熔液；将镁合金熔液过热200℃，然后置于雾化装置进行雾化，得到镁合金粉末；
（3）镁合金板材的制备：将步骤（1）制得的Mg-8Zn-4Gd-2.5Ca-2.5Al合金在500℃条件下均匀化处理6h，然后在400℃条件下轧制成镁合金板材；
（4）粉末混合：将平均粒径为9μm石墨烯和步骤（2）制得的平均粒径为40μm的镁合金粉末按质量比为1:4在液氮的环境中进行球磨，使所述石墨烯粘附到所述镁合金粉表面，形成粉末混合物，球磨时的球料比为8:1、转速为120r/mim、球磨时间为2h；
（5）粉末烘干：将步骤（4）制备得到的粉末混合物送入真空热处理炉中在120℃的条件下干燥1h；
（6）锻造：将烘干后的粉末混合物均匀分散在步骤（3）制得的镁合金板材表面（镁合金板材的表面粗糙度为1.5μm），粉末混合物和镁合金板材的质量比为1:8，然后将镁合金板材对折，以对折处为咬入点进行锻造，锻造温度为540℃，重复15次对折和锻造复合，锻造复合的单道次变形量≥30%，控制锻造变形量以使两层镁合金中间的空气随着锻造的进行而排出；其中步骤（4）、（5）和（6）为塑性变形步骤；
（7）热处理：将锻造后的镁基复合材料在280℃温度下时效处理6h得到石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料。
图2为实施例2制得石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料的金相组织。该石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料的室温力学性能为：抗拉强度：580MPa，屈服强度：340MPa，延伸率：9%，弹性模量：82GPa。
实施例3
本实施例的石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料，它是在含准晶强化相的镁合金基体中加入石墨烯制得，所述含准晶强化相的镁合金基体由镁合金粉末和镁合金板材组成，其中，石墨烯和镁合金粉末的质量比为1:3，石墨烯和镁合金粉末作为整体与镁合金板材的质量比为1:6.5；含准晶镁合金基体的成分及其质量百分比为：5wt.%Zn、2.5wt.%Gd、1.5wt.%Ca、1.5wt.%Al，余量为Mg，将上述各组分采用熔炼工艺制备得到含准晶强化相的Mg-5Zn-2.5Gd-1.5Ca-1.5Al合金，对Mg-5Zn-2.5Gd-1.5Ca-1.5Al合金采用雾化法制粉得到镁合金粉末，对Mg-5Zn-2.5Gd-1.5Ca-1.5Al合金采用均匀化处理得到镁合金板材。
本实施例的石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料的制备方法，步骤如下：
（1）含准晶强化相的Mg-5Zn-2.5Gd-1.5Ca-1.5Al合金的制备：采用熔炼工艺制备得到Mg-5Zn-2.5Gd-1.5Ca-1.5Al合金步骤如下：
1）配料：原料采用纯Mg、纯Zn、纯Ca、纯Al、Mg-30wt.%Gd中间合金，按照所述的质量百分比配料；
2）烘料：取纯Mg、纯Zn、纯Ca、纯Al、Mg-30wt.%Gd中间合金，并在215℃预热3小时以上；
3）熔Mg、Zn和Ca：采用坩埚电阻炉将烘干后的纯镁熔化，待纯镁锭熔化后，在685℃加入纯锌；待纯锌熔化后，熔体温度回升至720℃时加入纯钙；
4）加Gd和Al：待纯钙熔化后，熔体温度达到730℃时加入Mg-30wt.%Gd中间合金；待Mg-30wt.%Gd中间合金熔化后，熔体温度回升至720℃时加入纯铝；
5）浇注：待纯铝完全熔化，搅拌后将镁液温度升至760℃保温20分钟，然后降温至745℃，不断电精炼10分钟，精炼后在730℃静置15分钟，然后撇去表面浮渣并进行浇铸制得含准晶强化相的Mg-5Zn-2.5Gd-1.5Ca-1.5Al合金，浇铸用模具预先加热至180℃；
（2）雾化法制粉：将步骤（1）制得的Mg-5Zn-2.5Gd-1.5Ca-1.5Al合金放入预热的坩埚中，在真空条件下于600℃熔炼40min，得到镁合金熔液；将镁合金熔液过热150℃，然后置于雾化装置进行雾化，得到镁合金粉末；
（3）镁合金板材的制备：将步骤（1）制得的Mg-5Zn-2.5Gd-1.5Ca-1.5Al合金在500℃条件下均匀化处理6h，然后在400℃条件下轧制成镁合金板材；
（4）粉末混合：将平均粒径为8μm石墨烯和步骤（2）制得的平均粒径为25μm的镁合金粉末按质量比为1:3在液氮的环境中进行球磨，使所述石墨烯粘附到所述镁合金粉表面，形成粉末混合物，球磨时的球料比为6:1、转速为80r/mim、球磨时间为4h；
（5）粉末烘干：将步骤（4）制备得到的粉末混合物送入真空热处理炉中在100℃的条件下干燥2h；
（6）锻造：将烘干后的粉末混合物均匀分散在步骤（3）制得的镁合金板材表面（镁合金板材的表面粗糙度为1μm），粉末混合物和镁合金板材的质量比为1:6.5，然后将镁合金板材对折，以对折处为咬入点进行锻造，锻造温度为510℃，重复13次对折和锻造复合，锻造复合的单道次变形量≥30%，控制锻造变形量以使两层镁合金中间的空气随着锻造的进行而排出；其中步骤（4）、（5）和（6）为塑性变形步骤；
（7）热处理：将锻造后的镁基复合材料在230℃温度下时效处理18h得到石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料。
图3为实施例3制得石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料的金相组织。该石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料的室温力学性能为：抗拉强度：540MPa，屈服强度：300MPa，延伸率：13%，弹性模量：77GPa。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
（1）含准晶强化相的Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金的制备：采用熔炼工艺制备得到Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金；
（2）雾化法制粉：将步骤（1）制得的Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金放入预热的坩埚中，在真空条件下于550~650℃熔炼20~60min，得到镁合金熔液；将镁合金熔液过热100~200℃，然后置于雾化装置进行雾化，得到镁合金粉末；
（3）镁合金板材的制备：将步骤（1）制得的Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金在500℃条件下均匀化处理6h，然后在400℃条件下轧制成镁合金板材；
（4）粉末混合：将石墨烯和步骤（2）制得的镁合金粉末在液氮的环境中进行球磨，使所述石墨烯粘附到所述镁合金粉末表面，形成粉末混合物；
（5）粉末烘干：将步骤（4）制备得到的粉末混合物送入真空热处理炉中烘干；
（6）锻造：将烘干后的粉末混合物均匀分散在步骤（3）制得的镁合金板材表面，然后将镁合金板材对折，以对折处为咬入点进行锻造，控制锻造变形量以使两层镁合金中间的空气随着锻造的进行而排出；
（7）热处理：将锻造后的镁基复合材料在180-280℃温度下时效处理6-30h得到石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料；
所述石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料，是在含准晶强化相的镁合金基体中加入石墨烯制得，所述含准晶强化相的镁合金基体由镁合金粉末和镁合金板材组成，其中，石墨烯和镁合金粉末的质量比为1:2-4，石墨烯和镁合金粉末作为整体与镁合金板材的质量比为1:5-8；含准晶镁合金基体的成分及其质量百分比为：2~8wt.%Zn、1~4wt.%Gd、0.5~2.5wt.%Ca、0.5~2.5wt.%Al，余量为Mg，将上述各组分采用熔炼工艺制备得到含准晶强化相的Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金，对Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金采用雾化法制粉得到镁合金粉末，对Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金采用均匀化处理得到镁合金板材。
2.根据权利要求1所述的石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料的制备方法，其特征在于所述步骤（1）采用熔炼工艺制备得到含准晶强化相的Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金的方法如下：
1）配料：原料采用纯Mg、纯Zn、纯Ca、纯Al、Mg-30wt.%Gd中间合金，按照所述的质量百分比配料；
2）烘料：取纯Mg、纯Zn、纯Ca、纯Al、Mg-30wt.%Gd中间合金，并在180~250℃预热3小时以上；
3）熔Mg、Zn和Ca：采用坩埚电阻炉将烘干后的纯镁熔化，待纯镁锭熔化后，在670~700℃加入纯锌；待纯锌熔化后，熔体温度回升至700~740℃时加入纯钙；
4）加Gd和Al：待纯钙熔化后，熔体温度达到720~740℃时加入Mg-30wt.%Gd中间合金；待Mg-30wt.%Gd中间合金熔化后，熔体温度回升至700~740℃时加入纯铝；
5）浇注：待纯铝完全熔化，搅拌后将镁液温度升至750~770℃保温20分钟，然后降温至730~760℃，不断电精炼10分钟，精炼后在720~740℃静置15分钟，然后撇去表面浮渣并进行浇铸制得含准晶强化相的Mg-Zn-Gd-Ca-Al合金，浇铸用模具预先加热至180~250℃。
3.根据权利要求1所述的石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中石墨烯和镁合金粉末的质量比为1:2-4；球磨时的球料比为4-8:1、转速为40-120r/mim、球磨时间为2-6h。
4.根据权利要求1所述的石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中石墨烯的平均粒径为7-9μm，所述镁合金粉末的平均粒径为10-40μm。
5.根据权利要求1所述的石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中粉末混合物在真空热处理炉中的烘干温度为80-120℃、烘干时间为1-3h。
6.根据权利要求1所述的石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（6）中镁合金板材的表面粗糙度为0.5-1.5μm。
7.根据权利要求1所述的石墨烯和准晶复合强化的镁基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（6）中的锻造温度为480-540℃，重复10-15次对折和锻造复合，锻造复合的单道次变形量≥30%。
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