CN108248146B - 一种界面增强型双金属镁合金复合材料及其强韧化方法 - Google Patents

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Abstract

一种界面增强型双金属镁合金复合材料及其强韧化方法，该复合材料包括至少两个层状组元，各层之间通过镶嵌铸造冶金结合，经热处理工艺处理后界面过渡层结构转变并实现强化，获得界面力学性能高于组元材料的界面增强型双金属镁合金复合材料。本发明的镁合金复合材料，使用高强稀土镁合金作为中间层整体承力，使用塑性更好的常规镁合金作为包覆材料提高复合材料整体的塑形，界面增强结构进一步提升复合材料的综合力学性能，可以克服常规镁合金作为结构材料使用存在的强度等劣势，而充分利用稀土镁合金的力学性能优异等优势，在满足轻质高强需求的同时相比全部采用稀土镁合金大幅节约成本。本发明获得的界面增强型双金属镁合金复合材料可以广泛应用于轻量化结构件领域。

Description

一种界面增强型双金属镁合金复合材料及其强韧化方法
技术领域
本发明属于合金材料领域，具体涉及一种具有界面增强结构的双金属镁合金复合材料及其强韧化方法。
背景技术
稀土镁合金具有比强度高、抗蠕变性强、耐蚀性好、资源丰富等独特的性能，被广泛应用于结构材料中，由于这些稀土元素的加入，其屈服强度能够到达500MPa，但是其成本会急剧上升，变形能力急剧下降。普通的变形镁合金，其塑性良好，屈服强度主要在300到350MPa之间，实际的应用表明其还易受到温度和腐蚀的影响。为了降低材料成本和提高力学性能包括强度、塑性和冲击性能等，扩大其应用范围，制备双金属镁合金复合材料是一个理想的解决方案。镁/镁双金属复合材料是利用复合技术使两种相同或者不同的镁合金金属层牢固结合在一起，组元为层状分布的一种复合材料。由于综合性能优异，近年来，镁/镁双金属复合材料越来越受到国内外科学家的高度重视，有望在国防军工、航空航天、汽车、电子等领域获得应用。到目前为止，镁/镁双金属复合材料已通过等通道转角挤压(ECAE)、累积叠轧(ARB)、复合铸造等方式制备。所选镁合金复合组元一般为低强度镁合金，界面处不存在强度增强功能，最为致命的是两种金属之间表现出较差的结合强度。针对这些问题，本发明提供了一种界面增强型双金属镁合金复合材料。使用高强稀土镁合金作为中间层整体承力，使用塑性更好的常规镁合金作为包覆材料提高复合材料整体的塑形，界面增强结构进一步提升复合材料的综合力学性能，可以克服常规镁合金作为结构材料使用存在的强度等劣势，而充分利用稀土镁合金的力学性能优异等优势，在满足轻质高强需求的同时相比全部采用稀土镁合金大幅节约成本。本发明所提供的复合材料可以广泛应用于轻量化结构件领域。
发明内容
本发明提供一种界面增强型双金属镁合金复合材料,具有强度高、耐热、耐腐蚀性能好等优点。
一种双金属镁合金复合材料，包括覆层金属材料、被包覆金属材料以及所述覆层金属材料与被包覆金属材料之间的复合界面，其特征在于，所述复合界面为界面增强结构，即复合界面的剪切强度大于所述组元覆层金属材料和组元被包覆金属材料的剪切强度。
进一步地，所述界面增强结构包括：无析出层、层簇状相区和共晶相混合层。
进一步地，所述覆层金属材料为变形系镁合金，所述被包覆金属材料为稀土系镁合金；所述变形系镁合金包括Mg-Al系、Mg-Zn系、Mg-Mn系；所述稀土系镁合金包括Mg-Al-RE系、Mg-RE系、Mg-RE-Zn系、Mg-RE-Ca系、Mg-RE-Mn系。
进一步地，任意Mg-Al系、Mg-Zn系、Mg-Mn系与任意Mg-Al-RE系、Mg-RE系、Mg-RE-Zn系、Mg-RE-Ca系、Mg-RE-Mn系复合都能形成具有增强结构的复合界面。
进一步地，所述覆层金属材料中除镁以外其他合金元素的质量百分比不超过10％。
进一步地，所述复合界面的厚度为25-250微米。
一种如上所述双金属镁合金复合材料的制备方法，其特征在于，制备步骤为：
第一步：通过复合铸造、复合挤压、复合轧制、热扩散挤压中任一种方式获得预复合材料；
第二步：对双金属镁合金材料进行表面处理；
第三步：对双金属镁合金材料进行热处理前预保护工作，673K以上的热处理需将复合材料置于石墨粉或者硫磺粉气氛中，防止氧化；
第四步：将第三步所述预保护后的复合材料放置在热处理炉中进行热处理，所述热处理工艺为：在573K～673K保温3-6h，之后在773～810K保温8～24h；
第五步：对步骤四所述双金属镁合金材料冷却处理，根据设计界面层厚度，采用293K水冷，373K水冷、油冷、空气冷却或随炉冷却方式，从而得到界面平直，覆层金属和被包覆金属尺寸和厚度稳定的界面增强型双金属镁合金复合材料。
进一步地，第四步所述热处理要将所述双金属镁合金复合材料随炉进行升温，升温速率为5-20K/min。
进一步地，第四步在573K～673K保温之后，在773～810K进行保温之前，要将所述双金属镁合金复合材料进行随炉升温，升温速率为1-5K/min。
本发明的复合结构镁合金材料，使用高强稀土镁合金作为中间层整体承力，使用塑性更好的常规镁合金作为包覆材料提高复合材料整体的塑性，在克服常规镁合金作为结构材料使用存在的强度等劣势，充分利用稀土镁合金力学性能高等优势的前提下，通过合理的热处理方式，获得界面增强结构，进一步提高复合材料综合力学性能，在满足结构材料轻质高强需求的同时相比全部采用稀土镁合金大幅节约成本。本发明的复合结构镁合金材料可以广泛应用于轻量化结构件领域。变形系镁合金的延伸率大于等于10％；所述稀土镁合金的常温抗拉强度大于等于280MPa，150℃抗拉强度为260MPa以上。垂直界面层的复合材料的抗拉强度大于相同条件下变形镁合金的抗拉强度，界面剪切强度则远超变形镁合金并且高于稀土镁合金(达到稀土镁合金剪切强度的110％以上)。本发明所提供的制备方法简单易行，可适用于大规模工业化生产。
图1是本发明实施例1所制备界面增强型双金属镁合金复合材料的宏观照片；
图2是本发明实施例1所制备界面增强型双金属镁合金复合材料的光学显微组织照片；
表1是本发明实施例1界面增强型双金属镁合金复合材料界面剪切性能及其他方法制备的复合材料的剪切性能的对比。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1
具备界面增强结构的ZK60/WE43镁合金复合材料的复合制备方法。
被包覆材料为稀土镁合金WE43的组分及百分比为：4.1％Y，2.5％Nd，0.5％Zr，1.1％Gd，余量为Mg和不可避免的杂质，其中杂质元素Si、Fe、Cu和Ni总量小于0.15％。稀土总含量为8.2％。
覆层材料为Mg-Zn系镁合金ZK60(Mg-5Zn-Zr)其组分为5.5％Zn，0.6％Zr，1.1％(Y、Gd)，余量为Mg和不可避免的杂质，其中杂质元素Si、Fe、Cu和Ni总量小于0.15％。稀土总含量为1.1％。
具备界面增强结构的ZK60/WE43双金属镁合金复合材料的制备及其强韧化方法
第一步：通过复合铸造获得具有上述界面增强结构初始结构的双金属镁合金复合材料；
第二步：对双金属镁合金材料进行表面处理，去除表面氧化层；
第三步：对双金属镁合金材料进行热处理前预保护工作，673K以上的热处理需将复合材料置于石墨粉或者硫磺粉气氛中，防止氧化。
第四步：对双金属镁合金材料进行界面强化结构生成过程，采用中温炉热处理，其升温工艺为：5K/min，炉温从293K升温至653K，保温12h，之后5K/min升温至783K，783K保温12h。
第五步：对双金属镁合金复合材料冷却处理，根据本实验要求，采用343K水的冷却方式，从而得到界面平直、覆层金属和被包覆金属尺寸和厚度稳定的界面增强型双金属镁合金复合材料。
实施例2
具备界面增强结构的AZ80/WE43双金属镁合金复合材料的复合铸造制备方法。
被包覆材料为稀土镁合金WE43的组分及百分比为：4.1％Y，2.5％Nd，0.5％Zr，1.1％Gd，余量为Mg和不可避免的杂质，其中杂质元素Si、Fe、Cu和Ni总量小于0.15％。稀土总含量为8.2％。
覆层材料为Mg-Al系镁合金AZ80(Mg-8Al-Zn)其组分为7.5％Al，1.1％Zn，0.6％Mn，余量为Mg和不可避免的杂质，其中杂质元素Si、Fe、Cu和Ni总量小于0.15％。稀土总含量为1.1％。
具备界面增强结构的AZ80/WE43镁合金复合材料的制备及其强韧化方法
第一步：通过复合铸造获得具有上述界面增强结构初始结构的双金属镁合金复合材料；
第二步：对双金属镁合金材料进行表面处理，去除表面氧化层；
第三步：对双金属镁合金材料进行热处理前预保护工作，673K以上的热处理需将复合材料置于石墨粉或者硫磺粉气氛中，防止氧化。
第四步：对双金属镁合金材料进行界面强化结构生成过程，采用中温炉热处理，其升温工艺为：5K/min，炉温从293K升温至653K，保温12h，之后5K/min升温至783K，783K保温12h。
第五步：对双金属镁合金复合材料冷却处理，根据本实验要求，采用343K水的冷却方式，从而得到界面平直、覆层金属和被包覆金属尺寸和厚度稳定的界面增强型双金属镁合金复合材料。
表1为本发明制备的界面增强型ZK60/WE43双金属镁合金复合材料的界面剪切强度、母材剪切强度(1-3)和其他方法制备的层状复合材料界面力学性能的对比(4-8)

Claims (7)

1.一种双金属镁合金复合材料，包括覆层金属材料、被包覆金属材料以及所述覆层金属材料与被包覆金属材料之间的复合界面，其特征在于，所述复合界面为界面增强结构，即复合界面的剪切强度大于所述组元覆层金属材料和组元被包覆金属材料的剪切强度；
所述界面增强结构包括：无析出层、层簇状相区和共晶相混合层；
所述覆层金属材料为变形系镁合金，所述被包覆金属材料为稀土系镁合金；所述变形系镁合金包括Mg-Al系、Mg-Zn系、Mg-Mn系；所述稀土系镁合金包括Mg-Al-RE系、Mg-RE系、Mg-RE-Zn系、Mg-RE-Ca系、Mg-RE-Mn系。
2.根据权利要求1所述的双金属镁合金复合材料,其特征在于任意Mg-Al系、Mg-Zn系、Mg-Mn系与任意Mg-Al-RE系、Mg-RE系、Mg-RE-Zn系、Mg-RE-Ca系、Mg-RE-Mn系复合都能形成具有增强结构的复合界面。
3.根据权利要求1或2所述的双金属镁合金复合材料，其特征在于，所述覆层金属材料中除镁以外其他合金元素的质量百分比不超过10％。
4.根据权利要求1或2所述的双金属镁合金复合材料，其特征在于，所述复合界面的厚度为25-250微米。
5.如权利要求1所述双金属镁合金复合材料的制备方法，其特征在于，制备步骤为：
第一步：通过复合铸造、复合挤压、复合轧制、热扩散挤压中任一种方式获得预复合材料；
第二步：对双金属镁合金材料进行表面处理；
第三步：对双金属镁合金材料进行热处理前预保护工作，673K以上的热处理需将复合材料置于石墨粉或者硫磺粉气氛中，防止氧化；
第四步：将第三步所述预保护后的复合材料放置在热处理炉中进行热处理，所述热处理工艺为：在573K～673K保温3-6h，之后在773～810K保温8～24h；
第五步：对步骤四所述双金属镁合金材料冷却处理，根据设计界面层厚度，采用293K水冷，373K水冷、油冷、空气冷却或随炉冷却方式，从而得到界面平直，覆层金属和被包覆金属尺寸和厚度稳定的界面增强型双金属镁合金复合材料。
6.根据权利要求5所述的双金属镁合金复合材料的制备方法，其特征在于，第四步所述热处理要将所述双金属镁合金复合材料随炉进行升温，升温速率为5-20K/min。
7.根据权利要求5所述的双金属镁合金复合材料的制备方法，其特征在于，第四步在573K～673K保温之后，在773～810K进行保温之前，要将所述双金属镁合金复合材料进行随炉升温，升温速率为1-5K/min。
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