CN112111699B - 以钛或钛合金纤维增强的镁基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属基复合材料领域，具体为一种以钛或钛合金纤维增强的镁基复合材料及其制备方法。该复合材料由钛或钛合金纤维编织而成的增强体骨架与镁或镁合金基体组成，钛或钛合金纤维直径为0.5μm～500μm，以体积百分数计，钛或钛合金含量为15％～80％，其余为基体。该复合材料的制备方法为：首先利用钛或钛合金纤维编织增强体骨架，然后将镁或镁合金加热熔化使其浸渗入增强体骨架中，凝固冷却后得到复合材料。本发明的复合材料在不明显增加比重的前提下，显著提高镁和镁合金的室温和高温强度，并且具有良好的塑性、断裂韧性和抗冲击性能，其力学性能通过调节增强体的编织结构进行控制，因而作为轻质结构材料具有可观的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及金属基复合材料领域，具体为一种以钛或钛合金纤维编织而成的骨架增强的镁或镁合金基复合材料及其制备方法。
背景技术
在保证材料安全服役的前提下，实现结构材料的轻量化不仅有助于节能降耗、减少环境污染，而且能够利用更少的材料满足实际应用对材料力学性能的需求，从而促使材料得以更高效的利用。镁是典型的轻质金属结构材料，其比重仅为1.74g/cm3，具有优异的比强度和比刚度以及良好的阻尼特性和切削性能，并且容易实现回收利用。镁和镁合金因其突出的性能优势而在国防、航空、航天、运输、医疗、电子、通信、运动器材等领域表现出巨大的应用潜力，并且越来越广泛的获得实际应用。例如，将镁或镁合金应用于汽车制造可大大减轻汽车的重量，从而显著降低汽车的能耗、减少排放、缓解能源紧张和环境污染问题。此外，实现武器装备的轻量化有助于满足现代战争对于军队远程作战能力和快速机动能力的要求，因而镁和镁合金在手持式武器、装甲战车、飞机、航空武器等方面均具有可观的应用前景。
然而，与钢铁、铝合金、钛合金等金属结构材料相比，镁和镁合金的绝对强度仍然偏低，特别是在高温条件下，镁和镁合金容易在较低的应力下发生蠕变，这些都极大限制镁和镁合金作为结构材料的实际应用。通过在镁和镁合金基体中引入增强相来制备复合材料能够显著提高材料的强度，从而有效改善镁和镁合金的力学性能。然而，陶瓷增强相倾向于引起材料发生明显的脆化，并且多种类型的陶瓷相能够与镁发生反应，造成界面弱化；与之相比，以金属作为增强相不仅能够避免材料脆化，而且两相界面能够形成良好的冶金结合，因而有望获得力学性能更为优异的复合材料。钛是力学性能优异且应用广泛的轻质金属材料，其比重为4.54g/cm3，具有机械强度高、塑性好的优点，钛和钛合金的延伸率可达50％～60％，断面收缩率可达70％～80％。此外，钛的熔点(1660℃)显著高于镁的熔点(648℃)，并且凝固的钛与熔融态的镁不会发生反应，这为利用熔融的镁或镁合金浸渗钛或钛合金增强体骨架的方法制备复合材料提供可能。
中国专利(公开号CN101444982A)公布一种层状钛/镁复合板及其制备方法，该复合板通过选择原材料尺寸、打磨复合表面、爆炸焊接、退火和校平工艺获得。中国专利(公开号CN108114980A)公布一种利用电磁感应加热异温平直轧制制备钛镁复合板的方法，该发明利用材料之间热物性的差别，在低能耗前提下，使用电磁感应加热达到快速使钛镁板形成温差的目的，从而减小板材之间变形抗力差实现协调变形，并且在异温条件下实现对称轧制，得到平直度良好的钛镁复合板材。中国专利(公开号CN108165811A)公布一种高强度可降解纳米医用多孔钛镁复合材料的制备方法，以钛、镁、硅、钒为组元作为基本材料，将颗粒状材料进行粉末压制形成毛坯，将毛胚通过三叉形模具通道反复挤压获得具有纳米晶粒组织的高强度材料，然后将纳米材料置入碱中腐蚀掉硅以形成具有高度开放的多孔结构的纳米材料。
以上发明专利尽管能够实现镁和钛的复合，但都存在制备工艺复杂、周期长等问题，并且制备得到的复合材料的微观组织结构缺乏可设计性与可控性，材料的组织结构粗大，容易引入气孔、杂质等缺陷。本发明所提供的一种以钛或钛合金纤维增强的镁基复合材料及其制备方法，其制备过程所涉及的原材料体系组成简单，能最大限度地减少杂质相的引入；其制备工艺简单、流程短、经济高效，适合工业化生产并推广到其他材料体系；制备得到的复合材料具有较好的界面结合，密度较低，微观组织结构的可设计性与可控性强，力学性能优异，并且能够在较大范围内加以调节，因而作为新型轻质结构材料具有可观的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以钛或钛合金纤维增强的镁基复合材料及其制备方法，利用钛或钛合金纤维编织而成的增强体骨架来增强镁或镁合金基体，从而在不明显提高材料比重的前提下，显著提高镁和镁合金的室温和高温强度，并改善其抗冲击性能。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种以钛或钛合金纤维增强的镁基复合材料，复合材料由钛或钛合金纤维编织而成的增强体骨架与镁或镁合金基体组成，钛或钛合金纤维直径为0.5μm～500μm，并利用镁或镁合金基体浸渗于该增强体骨架的孔隙中；以体积百分数计，钛或钛合金含量为15％～80％，其余为基体。
所述的以钛或钛合金纤维增强的镁基复合材料，复合材料在不明显增加比重的前提下，显著提高镁和镁合金的室温和高温强度，并且具有良好的抗冲击性能，其密度为2.1g/cm3～4.0g/cm3，室温抗拉强度为200MPa～950MPa，冲击韧性不低于20J/cm2，200℃条件下抗拉强度不低于50MPa。
所述的以钛或钛合金纤维增强的镁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)利用钛或钛合金纤维编织增强体骨架；
2)将增强体骨架与镁或镁合金表面清洁后放入同一坩埚，在真空或保护气氛下对增强体骨架与镁或镁合金进行加热，使镁或镁合金熔化并浸渗入增强体骨架中；
3)待镁或镁合金凝固冷却将材料取出，切除多余的镁或镁合金，得到以钛或钛合金纤维增强的镁基复合材料。
所述的以钛或钛合金纤维增强的镁基复合材料的制备方法，步骤1)中，设计增强体骨架的空间结构，并利用手工或机器编织方法将钛或钛合金纤维编织成具有设计结构的增强体骨架。
所述的以钛或钛合金纤维增强的镁基复合材料的制备方法，步骤1)中，以钛或钛合金纤维编织而成的增强体骨架的孔隙率为20％～85％。
所述的以钛或钛合金纤维增强的镁基复合材料的制备方法，步骤2)中，保护气氛为氩气、氮气、氦气、六氟化硫、二氧化碳中的一种或一种以上的混合气体。
所述的以钛或钛合金纤维增强的镁基复合材料的制备方法，步骤2)中，加热温度高于镁或镁合金的熔点并且低于镁或镁合金的沸点，具体为655℃～1050℃。
本发明的设计思想是：
1)本发明选用的增强体(钛或钛合金)和基体(镁或镁合金)均属于典型的轻质金属结构材料，都具有较低的比重和优异的比强度、比刚度，并且增强体的强度明显高于基体，因此两相组成的复合材料的比重相比于基体不会明显增加，而室温和高温强度则能够得以显著提高。
2)本发明所采用的钛或钛合金增强体的熔点远高于镁或镁合金基体，同时凝固的钛与熔融态的镁不会发生反应，因而可以利用镁或镁合金熔体浸渗由钛或钛合金纤维编织而成的增强体骨架来制备复合材料，并且得到的复合材料中增强体与基体两相界面呈现良好的冶金结合，界面强度高。
3)本发明所制备的复合材料在承载和变形过程中可发生增强体纤维断裂、纤维从基体中拔出、基体塑性剪切变形、纤维取向变化等力学响应，从而有效提高材料的断裂韧性和抗冲击性能，并且增强体纤维骨架的结构具有良好的可设计性，易于实现对复合材料的结构与性能的调控。
与现有材料和技术相比，本发明具有以下的优点及有益效果：
1)本发明的复合材料与镁或镁合金相比，在比重没有明显增加的前提下，其室温和高温强度得以显著提高；
2)本发明的复合材料微观上具有多种有效的增韧和耗能机制，具有良好的抗冲击性能和断裂韧性；
3)本发明的复合材料的制备工艺简单、流程短、效率高、可设计性强，适于工业生产和推广到其他材料体系。
附图说明
图1为实施例1编织的具有定向结构的钛纤维增强体骨架的三维X射线结构图。
图2为实施例1制备得到的以具有定向编织结构的钛纤维增强的镁基复合材料的扫描电子显微图片，图中白亮色为钛纤维，暗灰色为镁基体。
图3为实施例2编织的具有螺旋结构的TC4钛合金纤维增强体骨架的三维X射线结构图。
图4为实施例2制备得到的以具有螺旋编织结构的TC4钛合金纤维增强的AZ91D镁合金基复合材料的扫描电子显微图片，图中白亮色为钛合金纤维，暗灰色为镁合金基体。
具体实施方式：
在具体实施过程中，本发明所涉及的以钛或钛合金纤维增强的镁基复合材料及其制备方法如下：
该复合材料由体积分数为15％～80％(优选为30％～70％)的钛或钛合金纤维编织而成的增强体骨架与镁或镁合金基体组成，钛或钛合金纤维直径为0.5μm～500μm(优选为2.5μm～200μm)。该复合材料的制备方法为：首先设计并采用手工或机器编织方法，将钛或钛合金纤维编织成增强体骨架，在真空或保护气氛下对增强体骨架与镁或镁合金进行加热，使镁或镁合金熔化并浸渗入增强体骨架中，凝固冷却后将多余的镁或镁合金切除，制备得到以钛或钛合金纤维增强的镁基复合材料。以钛或钛合金纤维编织而成的增强体骨架的孔隙率为20％～85％(优选为30％～70％)，保护气氛为氩气、氮气、氦气、六氟化硫、二氧化碳中的一种或一种以上的混合气体，加热温度高于镁或镁合金的熔点并且低于镁或镁合金的沸点，为655℃～1050℃(优选为660℃～900℃)。
下面结合具体实施例来对本发明做进一步阐述，应理解，以下实施例仅限用于说明本发明，而不用于限制本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例中，制备以具有定向编织结构的钛纤维增强的镁基复合材料。本实施例所用的原材料为纯钛丝(直径为70μm，纯度为99.5wt％)和纯镁(纯度为99.5wt％)。具体制备工艺如下：
1)将钛丝按照相互垂直的取向角度手工编织成钛网，将钛网裁制成直径为6cm的圆形网片，将网片按照相同的取向角度进行平铺堆叠，堆叠层数为24层，利用钛丝将堆叠的钛网进行固定，沿垂直于网片的方向以10MPa压强对骨架进行压实，保压10min后卸载，得到具有定向编织结构的钛纤维增强体骨架。如图1所示，该骨架中钛纤维直径为70μm，孔隙率为57.2％。
2)打磨除去纯镁块表面的氧化皮，将钛纤维增强体骨架和纯镁块置于丙酮中，10min后取出干燥，该操作有助于除去材料表面的油脂，将干燥后的钛纤维增强体骨架平铺于高纯石墨坩埚中，在骨架上方放置100g纯镁块，将坩埚置于电阻炉内，在流动氩气环境中以10℃/min的速率从室温升温至800℃，保温10min，然后停止加热，随炉冷却。
3)待炉冷至室温后，取出坩埚，将材料从坩埚中取出，切除多余的纯镁，得到以具有定向编织结构的钛纤维增强的镁基复合材料。如图2所示，图中亮白色为钛纤维，暗灰色为镁基体，该复合材料中钛纤维增强体的体积分数为42.8％。
经测试，该复合材料的密度为2.94g/cm3，室温抗拉强度为295MPa，冲击韧性42J/cm2，200℃条件下抗拉强度为166MPa。
实施例2：
本实施例中，制备以具有螺旋编织结构的TC4钛合金纤维增强的AZ91D镁合金基复合材料。本实施例所用的原材料为TC4钛合金丝(直径为70μm，纯度为99.9wt％)和AZ91D镁合金(纯度为99.5wt％)。具体制备工艺如下：
1)将TC4钛合金丝按照相互垂直的取向角度手工编织成钛合金网，将钛合金网裁制成直径为6cm的圆形网片，按照相邻层之间相差7.5°的取向差对网片进行平铺堆叠，堆叠层数为36层。利用TC4钛合金丝将堆叠的钛合金网进行固定，沿垂直于网片的方向以20MPa压强对骨架进行压实，保压10min后卸载，得到具有螺旋编织结构的TC4钛合金纤维增强体骨架。如图3所示，该骨架中钛合金纤维直径为70μm，孔隙率为55.0％。
2)该操作与实施例1中步骤2)类似，不同之处在于，本实施例所采用的是AZ91D镁合金块。
3)该操作与实施例1中步骤3)相同，得到以具有螺旋编织结构的TC4钛合金纤维增强的AZ91D镁合金基复合材料。如图4所示，图中亮白色为TC4钛合金纤维，暗灰色为AZ91D镁合金基体，该复合材料中钛合金纤维增强体的体积分数为45.0％。
经测试，该复合材料的密度为3.03g/cm3，室温抗拉强度为242MPa，冲击韧性为32J/cm2，200℃条件下抗拉强度为137MPa。
实施例3：
本实施例中，制备以具有三维编织结构的钛纤维增强的镁基复合材料。本实施例所用的原材料为纯钛丝(直径为70μm，纯度为99.5wt％)和纯镁(纯度为99.5wt％)。具体制备工艺如下
1)采用三维整体编织方法将纯钛丝喂入编织机中，操控机器，按照经向-纬向-法向的顺序依次穿插，将纯钛丝编织成一个整体的具有三维交织结构的长方体预制件，该预制件尺寸为70mm×60mm×50mm，预制件中纯钛纤维直径为70μm，孔隙率为59.8％。
2)该操作与实施例1中步骤2)相同。
3)该操作与实施例1中步骤3)相同，得到以具有三维编织结构的钛纤维增强的镁基复合材料，该复合材料中钛纤维增强体的体积分数为40.2％。
经测试，该复合材料的密度为2.86g/cm3，室温抗拉强度为267MPa，冲击韧性为47J/cm2，200℃条件下抗拉强度为145MPa。
实施例结果表明，本发明的复合材料具有比重低、室温和高温强度高、可设计性强等优点，并具有良好的抗冲击性能，其力学性能通过调节增强体的编织结构进行控制，其制备工艺简单，适于工业化生产，因此作为新型的轻质高强金属结构材料具有非常可观的应用前景。
Claims (2)
1.一种以钛或钛合金纤维增强的镁基复合材料，其特征在于，所述的复合材料由钛或钛合金纤维编织而成的增强体骨架与镁或镁合金基体组成，钛或钛合金纤维直径为0.5μm～500μm，并利用镁或镁合金基体浸渗于该增强体骨架的孔隙中；以体积百分数计，钛或钛合金含量为30％～70％，其余为基体；该镁基复合材料具有：层状定向编织结构、层状螺旋编织结构或者三维编织结构；
所述的以钛或钛合金纤维增强的镁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)利用钛或钛合金纤维编织增强体骨架；
2)将增强体骨架与镁或镁合金表面清洁后放入同一坩埚，在真空或保护气氛下对增强体骨架与镁或镁合金进行加热，使镁或镁合金熔化并浸渗入增强体骨架中；
3)待镁或镁合金凝固冷却将材料取出，切除多余的镁或镁合金，得到以钛或钛合金纤维增强的镁基复合材料；
步骤1)中，以钛或钛合金纤维编织而成的增强体骨架的孔隙率为30％～70％；
所述的复合材料在不明显增加比重的前提下，显著提高镁和镁合金的室温和高温强度，并且具有良好的抗冲击性能，其密度为2.1g/cm3～4.0g/cm3，室温抗拉强度为200MPa～950MPa，冲击韧性不低于20J/cm2，200℃条件下抗拉强度不低于50MPa；
步骤1)中，设计增强体骨架的空间结构，并利用手工或机器编织方法将钛或钛合金纤维编织成具有设计结构的增强体骨架；
步骤2)中，加热温度高于镁或镁合金的熔点并且低于镁或镁合金的沸点，具体为655℃～1050℃。
2.根据权利要求1所述的以钛或钛合金纤维增强的镁基复合材料，其特征在于，步骤2)中，保护气氛为氩气、氮气、氦气、六氟化硫、二氧化碳中的一种或一种以上的混合气体。
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