CN110306131B - 一种镁合金复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种镁合金复合材料，所述复合材料由镁合金和三维网状改性玄武岩纤维骨架复合制成；按重量百分比，所述镁合金的成分包括：铝10‑10.5％、镍8.5‑9％、钛12.5‑13.5％、锰1.5‑2％、锌2‑2.5％，余量为镁；所述三维网状改性玄武岩纤维骨架为经过稀土溶液改性处理后的三维网状玄武岩纤维骨架。本发明通过使特制的镁合金密实填充于改性的三维网状玄武岩纤维骨架的三维贯通孔内，形成了网络交织复合结构，实现了镁合金和骨架的充分结合，形成了环绕闭锁，最终达到了很好的增强效果，大大提高了镁合金复合材料的塑性、耐蚀性、耐磨性和强度。

Description

一种镁合金复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料领域，具体涉及一种镁合金复合材料及其制备方法。
背景技术
镁合金具有比模量和比强度高、减震且易于成型加工等优良性能，广泛应用于汽车、电子、航空航天等领域，是一种极具潜力的工程材料。然而，由于镁为密排六方结构金属，导致镁及镁合金塑性变形能力较差，同时，作为结构材料使用时，镁合金由于耐蚀性和耐磨性能不够理想，强度及硬度较低，其应用受到了极大的限制。
因此，为了克服镁合金所存在的缺点，扩大镁合金的使用范围，需要研制出一种具有优异的塑性变形能力、高强度、高耐磨性、高耐蚀性等优异性能的新型的镁合金复合材料。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种具有优异的塑性变形能力、高强度、高耐磨性、高耐蚀性等优异性能的镁合金复合材料，同时提供了该复合材料的制备方法。
本发明提供的镁合金复合材料，所述复合材料由镁合金和三维网状改性玄武岩纤维骨架复合制成；
所述镁合金的成分包括：铝10-10.5％、镍8.5-9％、钛12.5-13.5％、锰1.5-2％、锌2-2.5％，余量为镁；
所述三维网状改性玄武岩纤维骨架为经过稀土溶液改性处理后的三维网状玄武岩纤维骨架。
进一步，所述三维网状改性玄武岩纤维骨架的孔洞均匀分布，孔隙率为65～95％，孔径为0.5～2mm。
进一步，所述镁合金和三维网状改性玄武岩纤维骨架的体积比为2-3:1。
进一步，按重量百分比，所述稀土溶液的原料包括：乙醇92％、柠檬酸3.5％、尿素3％、硝酸0.8％、氯化铈0.7％。
本发明还公开了一种用于所述的镁合金复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)取玄武岩纤维编织成三维网状玄武岩纤维骨架，将编织的骨架置于丙酮溶液中超声清洗25～30min后，取出烘干，并置于浓硝酸中浸泡3～4h，然后取出骨架，并采用去离子水清洗骨架至清洗液为中性，再将所得骨架烘干，并置于稀土溶液中浸泡2～3h，之后取出烘干，制得三维网状改性玄武岩纤维骨架；
(2)取金属单质镁、铝、锰、锌置于钛吸附的氩气环境中，升温至700～750℃，混合熔炼5～6次，每次熔炼至少30s，制得混合物A；
取金属单质镍、钛置于钛吸附的氩气环境中，升温至1700～1750℃，混合熔炼5～6次，每次熔炼至少30s，制得混合物B；
将混合物B研磨成细粉后，置于铜模腔体之中，然后将混合物A重新熔炼成为熔融液体后，通过负压吸入腔体内，与腔体内的细粉充分混合，使细粉弥散分布于熔融液体中，制得镁合金浇铸液；
(3)将步骤(2)中制得的镁合金浇铸液浇铸到步骤(1)中制得的三维网状改性玄武岩纤维骨架中，施压使镁合金浇铸液密实填充于骨架的三维贯通孔内，形成网络交织复合结构，冷却即可制得镁合金复合材料。
进一步，所述步骤(1)中，采用的玄武岩纤维的直径为5～10μm。
进一步，所述步骤(2)中，金属单质镁、铝、镍、钛、锰、锌的纯度均不低于99.9％。
本发明的有益效果：
本发明提供的镁合金复合材料，由镁合金和三维网状改性玄武岩纤维骨架复合制成，通过使特制的镁合金密实填充于改性的三维网状玄武岩纤维骨架的三维贯通孔内，形成了网络交织复合结构，实现了镁合金和骨架的充分结合，形成了环绕闭锁，最终达到了很好的增强效果，大大提高了镁合金复合材料的塑性、耐蚀性、耐磨性和强度。
本发明通过按照特定的用量配比复配镁、铝、镍、钛、锰和锌制备镁合金，能够在所得的镁合金基体中弥散分布具有高塑性、超弹性、强韧性以及高的抗腐蚀和耐磨性等优异性能的NiTi合金相细粉，同时，采用玄武岩纤维编织成的三维网状骨架结构，具有强度高、耐腐蚀、耐高温等优异性能，在经过特定浓度的铈盐溶液改性后，玄武岩纤维的表面会堆积大量的铈原子，导致玄武岩纤维表面的粗糙度提高，将特制的镁合金浇铸到所得的骨架中后，镁合金与玄武岩纤维骨架的界面结合强度高，能够充分发挥三维网状改性玄武岩纤维骨架对镁合金的约束和增强效果，且玄武岩纤维表面堆积的大量的铈原子也会充分的分散在镁合金中，发挥细化晶粒的作用，有助于提高镁合金的强度和塑性，通过特制的镁合金基体中NiTi合金相细粉与三维网状改性玄武岩纤维骨架的相互协同和配合，能够大大提高复合材料的塑性、耐蚀性、耐磨性和强度，制备出具有优异的塑性变形能力、高强度、高耐磨性、高耐蚀性等优异性能的镁合金复合材料。
具体实施方式
以下为具体实施例：
实施例一
本实施例提供一种镁合金复合材料，所述复合材料由镁合金和三维网状改性玄武岩纤维骨架复合制成；
所述镁合金的成分包括：铝10％、镍8.5％、钛12.5％、锰1.5％、锌2.5％，余量为镁；
所述三维网状改性玄武岩纤维骨架为经过稀土溶液改性处理后的三维网状玄武岩纤维骨架。
本实施例中，所述三维网状改性玄武岩纤维骨架的孔洞均匀分布，孔隙率为95％，孔径为0.5mm。
本实施例中，所述镁合金和三维网状改性玄武岩纤维骨架的体积比为3:1。
本实施例提供的用于所述的镁合金复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)取直径为5μm的玄武岩纤维编织成三维网状玄武岩纤维骨架，将编织的骨架置于丙酮溶液中超声清洗30min后，取出烘干，并置于浓硝酸中浸泡4h，然后取出骨架，并采用去离子水清洗骨架至清洗液为中性，再将所得骨架烘干，并置于稀土溶液中浸泡3h，之后取出烘干，制得三维网状改性玄武岩纤维骨架；按重量百分比，所述稀土溶液的原料包括：乙醇92％、柠檬酸3.5％、尿素3％、硝酸0.8％、氯化铈0.7％；
(2)取纯度不低于99.9％的金属单质镁、铝、锰、锌置于钛吸附的氩气环境中，升温至700℃，混合熔炼5次，每次熔炼30s，制得混合物A；
取纯度不低于99.9％的金属单质镍、钛置于钛吸附的氩气环境中，升温至1700℃，混合熔炼5次，每次熔炼30s，制得混合物B；
将混合物B研磨成粒径为50μm的细粉后，置于铜模腔体之中，然后将混合物A重新熔炼成为熔融液体后，通过负压吸入腔体内，与腔体内的细粉充分混合，使细粉弥散分布于熔融液体中，制得镁合金浇铸液；
(3)将步骤(2)中制得的镁合金浇铸液浇铸到步骤(1)中制得的三维网状改性玄武岩纤维骨架中，施压使镁合金浇铸液密实填充于骨架的三维贯通孔内，形成网络交织复合结构，冷却即可制得镁合金复合材料。
对本实施例制得的镁合金复合材料进行性能测试，其抗拉强度为426MPa，塑性变形率达到32％，磨损量为0.13％；表明本实施例制得的镁合金复合材料具有优异的塑性变形能力、高强度和高耐磨性。
参照中华人民共和国国家标准GB/T10125-1997(人造气氛腐蚀试验盐雾试验)，进行镁合金复合材料试样的乙酸盐雾腐蚀试验；试验在YWX/Q-750型盐雾试验箱中进行，试验温度为(35±2)℃，溶液中氯化钠浓度为50g/L±5g/L，收集液pH值为3.2±0.1，试验时间为10天，用镁合金试样的质量损失率表征试样的耐腐蚀性能。本实施例制得的镁合金复合材料的质量损失率为2.15％，表明本实施例制得的镁合金复合材料具有优异的耐腐蚀性能。
实施例二
本实施例提供一种镁合金复合材料，所述复合材料由镁合金和三维网状改性玄武岩纤维骨架复合制成；
所述镁合金的成分包括：铝10.5％、镍9％、钛13.5％、锰2％、锌2％，余量为镁；
所述三维网状改性玄武岩纤维骨架为经过稀土溶液改性处理后的三维网状玄武岩纤维骨架。
本实施例中，所述三维网状改性玄武岩纤维骨架的孔洞均匀分布，孔隙率为80％，孔径为1mm。
本实施例中，所述镁合金和三维网状改性玄武岩纤维骨架的体积比为2.5:1。
本实施例提供的用于所述的镁合金复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)取直径为10μm的玄武岩纤维编织成三维网状玄武岩纤维骨架，将编织的骨架置于丙酮溶液中超声清洗30min后，取出烘干，并置于浓硝酸中浸泡3.5h，然后取出骨架，并采用去离子水清洗骨架至清洗液为中性，再将所得骨架烘干，并置于稀土溶液中浸泡2.5h，之后取出烘干，制得三维网状改性玄武岩纤维骨架；按重量百分比，所述稀土溶液的原料包括：乙醇92％、柠檬酸3.5％、尿素3％、硝酸0.8％、氯化铈0.7％；
(2)取纯度不低于99.9％的金属单质镁、铝、锰、锌置于钛吸附的氩气环境中，升温至750℃，混合熔炼6次，每次熔炼30s，制得混合物A；
取纯度不低于99.9％的金属单质镍、钛置于钛吸附的氩气环境中，升温至1750℃，混合熔炼6次，每次熔炼30s，制得混合物B；
将混合物B研磨成粒径为50μm的细粉后，置于铜模腔体之中，然后将混合物A重新熔炼成为熔融液体后，通过负压吸入腔体内，与腔体内的细粉充分混合，使细粉弥散分布于熔融液体中，制得镁合金浇铸液；
(3)将步骤(2)中制得的镁合金浇铸液浇铸到步骤(1)中制得的三维网状改性玄武岩纤维骨架中，施压使镁合金浇铸液密实填充于骨架的三维贯通孔内，形成网络交织复合结构，冷却即可制得镁合金复合材料。
对本实施例制得的镁合金复合材料进行性能测试，其抗拉强度为395MPa，塑性变形率达到28％，磨损量为0.18％；表明本实施例制得的镁合金复合材料具有优异的塑性变形能力、高强度和高耐磨性。
对本实施例制得的镁合金复合材料进行乙酸盐雾腐蚀试验，试验方法见实施例一。本实施例制得的镁合金复合材料的质量损失率为3.12％，表明本实施例制得的镁合金复合材料具有优异的耐腐蚀性能。
实施例三
本实施例提供一种镁合金复合材料，所述复合材料由镁合金和三维网状改性玄武岩纤维骨架复合制成；
所述镁合金的成分包括：铝10.5％、镍9％、钛13.5％、锰2％、锌2％，余量为镁；
所述三维网状改性玄武岩纤维骨架为经过稀土溶液改性处理后的三维网状玄武岩纤维骨架。
本实施例中，所述三维网状改性玄武岩纤维骨架的孔洞均匀分布，孔隙率为65％，孔径为2mm。
本实施例中，所述镁合金和三维网状改性玄武岩纤维骨架的体积比为2:1。
本实施例提供的用于所述的镁合金复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)取直径为10μm的玄武岩纤维编织成三维网状玄武岩纤维骨架，将编织的骨架置于丙酮溶液中超声清洗25min后，取出烘干，并置于浓硝酸中浸泡3h，然后取出骨架，并采用去离子水清洗骨架至清洗液为中性，再将所得骨架烘干，并置于稀土溶液中浸泡2h，之后取出烘干，制得三维网状改性玄武岩纤维骨架；按重量百分比，所述稀土溶液的原料包括：乙醇92％、柠檬酸3.5％、尿素3％、硝酸0.8％、氯化铈0.7％；
(2)取纯度不低于99.9％的金属单质镁、铝、锰、锌置于钛吸附的氩气环境中，升温至750℃，混合熔炼6次，每次熔炼30s，制得混合物A；
取纯度不低于99.9％的金属单质镍、钛置于钛吸附的氩气环境中，升温至1750℃，混合熔炼6次，每次熔炼30s，制得混合物B；
将混合物B研磨成粒径为50μm的细粉后，置于铜模腔体之中，然后将混合物A重新熔炼成为熔融液体后，通过负压吸入腔体内，与腔体内的细粉充分混合，使细粉弥散分布于熔融液体中，制得镁合金浇铸液；
(3)将步骤(2)中制得的镁合金浇铸液浇铸到步骤(1)中制得的三维网状改性玄武岩纤维骨架中，施压使镁合金浇铸液密实填充于骨架的三维贯通孔内，形成网络交织复合结构，冷却即可制得镁合金复合材料。
对本实施例制得的镁合金复合材料进行性能测试，其抗拉强度为374MPa，塑性变形率达到27％，磨损量为0.21％；表明本实施例制得的镁合金复合材料具有优异的塑性变形能力、高强度和高耐磨性。
对本实施例制得的镁合金复合材料进行乙酸盐雾腐蚀试验，试验方法见实施例一。本实施例制得的镁合金复合材料的质量损失率为3.47％，表明本实施例制得的镁合金复合材料具有优异的耐腐蚀性能。
实施例四
本实施例提供一种镁合金复合材料，所述复合材料由镁合金和三维网状改性玄武岩纤维骨架复合制成；
所述镁合金的成分包括：铝10％、镍8.5％、钛12.5％、锰1.5％、锌2.5％，余量为镁；
所述三维网状改性玄武岩纤维骨架为经过稀土溶液改性处理后的三维网状玄武岩纤维骨架。
本实施例中，所述三维网状改性玄武岩纤维骨架的孔洞均匀分布，孔隙率为90％，孔径为1mm。
本实施例中，所述镁合金和三维网状改性玄武岩纤维骨架的体积比为2.5:1。
本实施例提供的用于所述的镁合金复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)取直径为5μm的玄武岩纤维编织成三维网状玄武岩纤维骨架，将编织的骨架置于丙酮溶液中超声清洗30min后，取出烘干，并置于浓硝酸中浸泡3.5h，然后取出骨架，并采用去离子水清洗骨架至清洗液为中性，再将所得骨架烘干，并置于稀土溶液中浸泡2.5h，之后取出烘干，制得三维网状改性玄武岩纤维骨架；按重量百分比，所述稀土溶液的原料包括：乙醇92％、柠檬酸3.5％、尿素3％、硝酸0.8％、氯化铈0.7％；
(2)取纯度不低于99.9％的金属单质镁、铝、锰、锌置于钛吸附的氩气环境中，升温至700℃，混合熔炼5次，每次熔炼30s，制得混合物A；
取纯度不低于99.9％的金属单质镍、钛置于钛吸附的氩气环境中，升温至1700℃，混合熔炼5次，每次熔炼30s，制得混合物B；
将混合物B研磨成粒径为50μm的细粉后，置于铜模腔体之中，然后将混合物A重新熔炼成为熔融液体后，通过负压吸入腔体内，与腔体内的细粉充分混合，使细粉弥散分布于熔融液体中，制得镁合金浇铸液；
(3)将步骤(2)中制得的镁合金浇铸液浇铸到步骤(1)中制得的三维网状改性玄武岩纤维骨架中，施压使镁合金浇铸液密实填充于骨架的三维贯通孔内，形成网络交织复合结构，冷却即可制得镁合金复合材料。
对本实施例制得的镁合金复合材料进行性能测试，其抗拉强度为410MPa，塑性变形率达到30％，磨损量为0.15％；表明本实施例制得的镁合金复合材料具有优异的塑性变形能力、高强度和高耐磨性。
对本实施例制得的镁合金复合材料进行乙酸盐雾腐蚀试验，试验方法见实施例一。本实施例制得的镁合金复合材料的质量损失率为2.48％，表明本实施例制得的镁合金复合材料具有优异的耐腐蚀性能。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种镁合金复合材料，其特征在于：所述复合材料由镁合金和三维网状改性玄武岩纤维骨架复合制成；
按重量百分比，所述镁合金的成分包括：铝10-10.5％、镍8.5-9％、钛12.5-13.5％、锰1.5-2％、锌2-2.5％，余量为镁；
所述三维网状改性玄武岩纤维骨架为经过稀土溶液改性处理后的三维网状玄武岩纤维骨架；按重量百分比，所述稀土溶液的原料包括：乙醇92％、柠檬酸3.5％、尿素3％、硝酸0.8％、氯化铈0.7％。
2.根据权利要求1所述的镁合金复合材料，其特征在于：所述三维网状改性玄武岩纤维骨架的孔洞均匀分布，孔隙率为65～95％，孔径为0.5～2mm。
3.根据权利要求1所述的镁合金复合材料，其特征在于：所述镁合金和三维网状改性玄武岩纤维骨架的体积比为2-3:1。
4.一种用于权利要求1所述的镁合金复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)取玄武岩纤维编织成三维网状玄武岩纤维骨架，将编织的骨架置于丙酮溶液中超声清洗25～30min后，取出烘干，并置于浓硝酸中浸泡3～4h，然后取出骨架，并采用去离子水清洗骨架至清洗液为中性，再将所得骨架烘干，并置于稀土溶液中浸泡2～3h，之后取出烘干，制得三维网状改性玄武岩纤维骨架；
(2)取金属单质镁、铝、锰、锌置于钛吸附的氩气环境中，升温至700～750℃，混合熔炼5～6次，每次熔炼至少30s，制得混合物A；
取金属单质镍、钛置于钛吸附的氩气环境中，升温至1700～1750℃，混合熔炼5～6次，每次熔炼至少30s，制得混合物B；
将混合物B研磨成细粉后，置于铜模腔体之中，然后将混合物A重新熔炼成为熔融液体后，通过负压吸入腔体内，与腔体内的细粉充分混合，使细粉弥散分布于熔融液体中，制得镁合金浇铸液；
(3)将步骤(2)中制得的镁合金浇铸液浇铸到步骤(1)中制得的三维网状改性玄武岩纤维骨架中，施压使镁合金浇铸液密实填充于骨架的三维贯通孔内，形成网络交织复合结构，冷却即可制得镁合金复合材料。
5.根据权利要求4所述的镁合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，采用的玄武岩纤维的直径为5～10μm。
6.根据权利要求4所述的镁合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，金属单质镁、铝、镍、钛、锰、锌的纯度均不低于99.9％。
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