CN115742485A - 一种碳化硼增强Mg-Al-Ta层状复合板材及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化硼增强Mg‑Al‑Ta层状复合板材及制备方法，其包括如下步骤：S1，原料准备，包括纯钽板、具有双峰分离非基面织构的AZ系镁合金板、表面覆盖有B₄C陶瓷颗粒的铝板；S2，将原料堆叠及固定，得到轧制坯板；S3，对轧制坯板进行低温累积叠轧，得到变形板材；S4，先将所述变形板材浸入液氮中进行深冷处理，然后进行高温扩散退火处理，得到热处理板材；S5，将热处理板材对半切断，重新堆叠及固定，重复进行S3和S4直到设定的轧制道次，得到碳化硼增强Mg‑Al‑Ta层状复合板材。在通过机械结合和冶金结合保证复合板材层间良好界面结合质量的同时，利用引入复合板材内部的陶瓷增强相B₄C，进一步提高复合板材的界面力学性能和电磁屏蔽性能。

Description

一种碳化硼增强Mg-Al-Ta层状复合板材及制备方法

技术领域

本发明涉及异种金属复合板材技术领域，具体涉及碳化硼增强Mg-Al-Ta层状复合板材及制备方法。

背景技术

随着我国航天事业的发展，深空探测能力的不断加强，以木星为代表的更遥远的星体已经成为后续探测的重要对象。然而，木星强大的表面磁场和环木星轨道的高密度高能粒子，对于探测器的仪器设备的抗高能粒子辐照能力提出了巨大的挑战。目前国外的所有木星探测器均采用重金属制备设备仪器屏蔽安装盒，而我国由于短期内运载的能力所限，能够运输的有效载荷的结构质量较小，不可能走国外的木星探测器结构研制的设计和工艺路径，必须基于现有的结构设计、材料、工艺技术进行轻量化的升级和大幅度的减重。“Optimization Design of Radiation Vault in Jupiter Orbiting Mission [J]”(J.Z. Wang, J.N. Ma, J.W. Qiu, D. Tian, A.W. Zhu, Q.X. Zhang, A.S. Zhou. IEEETransactions on Nuclear Science, (66) 2019, 2179-2187.)基于木星工程论证中对木星探测器结构的抗辐照材料体系的分析与计算，确定Mg/Ta层状复合板在具有国外重金属材料相同抗辐照效果的前提下，能够有效地减重约45.1%，这对于我国木星论证工作的开展和结构的研制工作带来巨大的潜力和可行性。但是，由于Mg和Ta在熔点、固溶度、晶格结构等方面的差异巨大，国内外鲜有关于Mg/Ta层状复合板制备工艺技术的报道。而且，对于木星探测器来说，其需要经历极为严酷的振动、大承载等力学环境，要求Mg/Ta层状复合板的界面结合应具有较高的结合强度，Mg/Ta界面的屈服强度须＞100MPa才能满足结构在全任务剖面下的最恶劣承载要求，并在长时间的在轨振动情况下界面不开裂、破坏。

公开号为CN113733685A的中国专利报道了一种轻质高强Mg-Al-Ta复合金属板材及其轧制成型方法，虽然可以实现Mg/Ta层状复合板材加工制备，但在其工艺中涉及分别对Mg板材和Ta板材进行不同温度的保温处理，然后再将板材堆叠固定，轧制变形前堆叠板材的温度变化难以有效掌控且生产效率不高。公开号为CN113352708A的中国专利报道了一种轻质高强Mg-Ta复合金属板材及其室温轧制成形方法，虽然该制备方法避免了中高温轧制可能带入的板材氧化和能源消耗问题，但为了有效降低不同金属板材间的残余应力，保障轧制变形的顺利进行，需要在轧制道次间引入低温回复退火和高温扩散退火，且需要进行多个道次的轧制变形，其生产效率不高；公开号为CN112742870A的中国专利报道了一种屏蔽型镁钽多层复合板的制备方法，虽然可以实现Mg/Ta层状复合板材加工制备，但在其工艺中涉及采用真空中高温轧制来避免板材的氧化问题，对轧制设备和轧制环境的要求高，且生产效率不高。

一方面，在上述专利中采用的镁合金板材，多为传统高温热轧加工制备的基面织构镁合金板材，其塑性变形能力和可轧性能明显不如双峰分离非基面织构镁合金板材“Improved stretch formability of AZ31 sheet via texture control byintroducing a continuous bending channel into equal channel angular rolling[J]”（D.H. Song, T. Zhou, J. Tu, L.X. Shi, B. Song, L. Hu, M.B. Yang, Q. Chen,L.W. Lu. Journal of Materials Processing Technology, 2018, 259: 380-386.）。另一方面，在上述专利中未考虑在复合板材界面处引入陶瓷颗粒增强相。“Microstructuralevolution, shielding effectiveness, and the ballistic response of Mg/Al7075/B₄C/Pb composite produced by combination of coating and severe plasticdeformation (SPD) processes[J]”(W.W. Wang, P.F. Huang, S.F. Liu, M. Tayyebi,M. Tayebi. Journal of Manufacturing Processes, 84(2022): 977-985)研究表明，在镁合金复合板材界面位置引入B₄C陶瓷颗粒增强相，可有效提升其界面力学性能以及抗辐照性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳化硼增强Mg-Al-Ta层状复合板材及制备方法，其在通过机械结合和冶金结合保证复合板材层间良好界面结合质量的同时，利用引入复合板材内部的陶瓷增强相B₄C，进一步提高复合板材的界面力学性能和电磁屏蔽性能。

本发明所述的碳化硼增强Mg-Al-Ta层状复合板材的制备方法，其包括如下步骤：

S1，原料准备，包括纯钽板、具有双峰分离非基面织构的AZ系镁合金板、表面覆盖有B₄C陶瓷颗粒的铝板；

S2，按镁合金板、铝板、纯钽板、铝板、镁合金板的次序将原料堆叠及固定，得到轧制坯板；

S3，在温度为150~200℃的条件下对轧制坯板进行低温累积叠轧，轧制道次减薄率为50~70%，得到变形板材；

S4，先将所述变形板材浸入液氮中进行深冷处理，深冷处理时间为120~360min，然后进行高温扩散退火处理，均布压强为0.05~0.10MPa，扩散退火温度为420~500℃，扩散退火时间为1.5~4.5h，得到热处理板材；

S5，将热处理板材对半切断，清理表面氧化物和夹杂，重新堆叠及固定，重复进行S3和S4直到设定的轧制道次，得到碳化硼增强Mg-Al-Ta层状复合板材。

进一步，采用电泳沉积工艺在铝板表面覆盖B₄C陶瓷颗粒。

进一步，电泳溶剂为添加有三乙醇胺的乙酰丙酮，超声振动处理处理时间为20~80min，电泳溶液中碳化硼浓度为10~45g/L，电泳电压为15~60V。

进一步，S3中低温累积叠轧时上、下轧辊的转速为240~600m/min，上、下轧辊的温度为160~280℃。

进一步，所述铝板为纯铝板或铝合金板。

一种碳化硼增强Mg-Al-Ta层状复合板材，采用本发明所述的碳化硼增强Mg-Al-Ta层状复合板材的制备方法制得。

本发明将具有双峰分离非基面织构的AZ系镁合金板材、表面覆盖有B₄C陶瓷颗粒的中间层铝板和纯钽板材按设定次序堆叠及固定。通过低温累积叠轧在尽量避免板材氧化的同时实现板材的大变形量轧制变形，在此过程中，脆性B₄C陶瓷颗粒破碎，并破坏金属表面的氧化膜，使得暴露处的新鲜金属相互嵌套和压合，即机械结合。随后利用道次间深冷液氮处理和高温扩散退火处理，在有效释放变形板材内的残余应力以及变形板材界面间的塑性不稳定性（剪切带、空位、裂纹等）的同时，促进Mg/Ta层状复合板材界面处机械结合向冶金结合的转变。重复上述“低温累积叠轧-深冷液氮处理-高温扩散退火处理过程”直至设定轧制道次，获得具有较好冶金结合界面的Mg-Al-Ta层状复合板材。本发明将为深空探测器屏蔽结构用抗辐射轻质层状复合材料的加工制造提供新途径。

本发明的有益效果为：

1、本发明采用具有双峰分离非基面织构的AZ系镁合金板材代替传统基面织构板材，与中间层铝板以及纯钽板按设定次序堆叠固定，在温度为150~200℃的低温条件下可实现单道次大变形量（50%~70%）累积叠轧，有效避免了中高温轧制的板材氧化问题，以及常规基面织构镁合金板材低温轧制条件下容易开裂的问题。

2、本发明在中间层铝板上通过电泳沉积处理，使其表面覆盖均匀厚度的B₄C陶瓷颗粒；通过多道次低温大变形量累积叠轧，使得B₄C颗粒破碎且均匀分布的同时，破坏金属表面的氧化膜，使得暴露处的新鲜金属相互嵌套和压合，有益于形成更多的机械结合，进而有利于高温扩散退火处理过程中层状复合板材界面处机械结合向冶金结合的转变。

3、本发明中采用深冷液氮处理，来释放变形板材内部残余应力，有效保障了后续大变形量低温累积叠轧变形的顺利进行。相较于传统低温退火处理，深冷液氮处理可以避免板材加热及保温过程中可能出现的板材氧化问题及能源消耗。另外，使用的液氮是制氧工业的副产品，价格低廉，原料来源广，节约能源，容易存储和运输、化学性能稳定、无毒无污染，成本极其低廉。

4、本发明对轧制设备无特殊要求，适用于镁合金板材范围广，有利于大规模工业化应用。

附图说明

图1是本发明所述碳化硼增强Mg-Al-Ta层状复合板材的制备方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一，一种碳化硼增强Mg-Al-Ta层状复合板材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，原料准备，包括初始厚度为1.5mm、纯度为99.95%的纯钽板、初始厚度为1.5mm的具有双峰分离非基面织构的AZ31镁合金板以及初始厚度为0.1mm的1060铝板，上述板材都为退火态。AZ31镁合金板材和中间层1060铝板的化学成分应符合国家标准GB/T5153-2016、GB/T3190-2020中的规定。将选定的纯钽板和具有双峰分离非基面织构的AZ系镁合金板采用角磨机分别进行3min和5min表面打磨，配合后续酸洗和丙酮/酒精清洗，以去除表面氧化物和夹杂。

采用电泳沉积工艺在铝板表面覆盖B₄C陶瓷颗粒，电泳溶剂为添加有三乙醇胺的乙酰丙酮，超声振动处理处理时间为30min，电泳溶液中碳化硼浓度为25g/L，电泳电压为30V，使得铝板表面覆盖均匀厚度的B₄C陶瓷颗粒。

S2，按镁合金板、铝板、纯钽板、铝板、镁合金板的次序将原料堆叠及固定，得到轧制坯板。

S3，在温度为170℃的条件下对轧制坯板进行低温累积叠轧，轧制道次减薄率为55%，上、下轧辊的转速为320m/min，上、下轧辊的温度为200℃，得到变形板材。

S4，先将所述变形板材浸入液氮中进行深冷处理，深冷处理时间为200min。然后进行高温扩散退火处理，均布压强为0.06MPa，扩散退火温度为450℃，扩散退火时间为2.0h，得到热处理板材。

S5，将热处理板材对半切断，采用角磨机进行表面打磨，打磨时间为3min，配合后续酸洗和丙酮/酒精清洗，清理表面氧化物和夹杂。重新将对半切断的两块热处理板材堆叠及固定，重复进行S3和S4直到设定的轧制道次，得到碳化硼增强Mg-Al-Ta层状复合板材。

对比例一，本对比例所述碳化硼增强Mg-Al-Ta层状复合板材的制备方法同实施例一，其区别仅在于，原料中的AZ31镁合金板材具有基面织构特征。

对比例二，本对比例所述一种碳化硼增强Mg-Al-Ta层状复合板材的制备方法同实施例一，其区别仅在于，所述材料中间层1060铝合金薄板表面未电泳沉积B₄C陶瓷颗粒。

对比例三，本对比例所述一种碳化硼增强Mg-Al-Ta层状复合板材的制备方法同实施例一，其区别仅在于，轧制后未进行深冷液氮处理。

对比例四，本对比例所述一种碳化硼增强Mg-Al-Ta层状复合板材的制备方法同实施例一，其区别仅在于，轧制后未进行高温扩散退火处理。

对制备的Mg-Al-Ta层状复合板材进行表面质量、基面屈服强度测试及场发射电子显微（SEM）观察，发现实施例一中制备层状复合板表面质量良好，板材边缘无明显裂纹，Mg-Al-Ta层状复合板材界面屈服强度~115MPa，Mg-Al-Ta层状复合板材界面扩散宽度为13.8μm，界面结合良好。

对比例一在第一道次大变形量低温累积叠轧变形后，镁板边缘位置即出现明显边裂，后续变形无法进行，表明采用双峰分离非基面织构AZ31镁合金板材是本发明中Mg/Ta层状复合板成功制备的关键因素。

对比例二中制备层状复合板表面质量良好，板材边缘无明显裂纹，Mg-Al-Ta层状复合板材界面屈服强度~75MPa，Mg-Al-Ta层状复合板材界面扩散宽度为7.1μm，表明中间层1060铝合金薄板电泳沉积B₄C陶瓷颗粒可显著增强了制备层状复合板的界面结合性能。

对比例三在第二道次大变形量低温累积叠轧变形后，镁板边缘位置即出现明显边裂，Mg-Al-Ta层状复合板材界面屈服强度~52MPa，Mg-Al-Ta层状复合板材界面扩散宽度为4.2μm，表明深冷液氮处理是本发明中Mg-Al-Ta层状复合板材成功制备的关键因素。

对比例四中制备层状复合板表面质量尚可，板材边缘出现少许裂纹，Mg-Al-Ta层状复合板材界面屈服强度~21MPa，Mg-Al-Ta层状复合板材界面扩散宽度为1.8μm，表明高温扩散退火处理是本发明中Mg-Al-Ta层状复合板材成功制备的关键因素。

实施例二，一种碳化硼增强Mg-Al-Ta层状复合板材的制备方法，其包括如下步骤：

S1，原料准备，包括初始厚度为2.0mm的双峰分离非基面织构AZ91镁合金板材、初始厚度为0.2mm的1060铝合金板和初始厚度为2.0mm、纯度为99.95%纯钽板材，上述板材都为退火态。AZ91镁合金板材和中间层1060铝板的化学成分应符合国家标准GB/T5153-2016、GB/T3190-2020中的规定。将选定的纯钽板和具有双峰分离非基面织构的AZ系镁合金板采用角磨机分别进行5min和7min表面打磨，配合后续酸洗和丙酮/酒精清洗，以去除表面氧化物和夹杂。

采用电泳沉积工艺在铝板表面覆盖B₄C陶瓷颗粒，电泳溶剂为添加有三乙醇胺的乙酰丙酮，超声振动处理处理时间为45min，电泳溶液中碳化硼浓度为18g/L，电泳电压为25V，使得铝板表面覆盖均匀厚度的B₄C陶瓷颗粒。

S2，按镁合金板、铝板、纯钽板、铝板、镁合金板的次序将原料堆叠及固定，得到轧制坯板。

S3，在温度为200℃的条件下对轧制坯板进行低温累积叠轧，轧制道次减薄率为50%，上、下轧辊的转速为480m/min，上、下轧辊的温度为260℃，得到变形板材。

S4，先将所述变形板材浸入液氮中进行深冷处理，深冷处理时间为300min。然后进行高温扩散退火处理，均布压强为0.10MPa，扩散退火温度为480℃，扩散退火时间为3.0h，得到热处理板材。

S5，将热处理板材对半切断，采用角磨机进行表面打磨，打磨时间为4min，配合后续酸洗和丙酮/酒精清洗，清理表面氧化物和夹杂。重新将对半切断的两块热处理板材堆叠及固定，重复进行S3和S4直到设定的轧制道次，得到碳化硼增强Mg-Al-Ta层状复合板材。

对制备的Mg-Al-Ta层状复合板材进行表面质量、基面屈服强度测试及场发射电子显微（SEM）观察，发现实施例二中制备层状复合板表面质量良好，板材边缘无明显裂纹，Mg/Ta层状复合板界面屈服强度~124MPa，Mg-Al-Ta层状复合板界面扩散宽度为11.7μm，界面结合良好。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种碳化硼增强Mg-Al-Ta层状复合板材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，原料准备，包括纯钽板、具有双峰分离非基面织构的AZ系镁合金板、表面覆盖有B₄C陶瓷颗粒的铝板；

S2，按镁合金板、铝板、纯钽板、铝板、镁合金板的次序将原料堆叠及固定，得到轧制坯板；

S3，在温度为150~200℃的条件下对轧制坯板进行低温累积叠轧，轧制道次减薄率为50~70%，得到变形板材；

S4，先将所述变形板材浸入液氮中进行深冷处理，深冷处理时间为120~360min，然后进行高温扩散退火处理，均布压强为0.05~0.10MPa，扩散退火温度为420~500℃，扩散退火时间为1.5~4.5h，得到热处理板材；

S5，将热处理板材对半切断，清理表面氧化物和夹杂，重新堆叠及固定，重复进行S3和S4直到设定的轧制道次，得到碳化硼增强Mg-Al-Ta层状复合板材。

2.根据权利要求1所述的碳化硼增强Mg-Al-Ta层状复合板材的制备方法，其特征在于：采用电泳沉积工艺在铝板表面覆盖B₄C陶瓷颗粒。

3.根据权利要求2所述的碳化硼增强Mg-Al-Ta层状复合板材的制备方法，其特征在于：电泳溶剂为添加有三乙醇胺的乙酰丙酮，超声振动处理处理时间为20~80min，电泳溶液中碳化硼浓度为10~45g/L，电泳电压为15~60V。

4.根据权利要求1或2所述的碳化硼增强Mg-Al-Ta层状复合板材的制备方法，其特征在于：S3中低温累积叠轧时上、下轧辊的转速为240~600m/min，上、下轧辊的温度为160~280℃。

5.一种碳化硼增强Mg-Al-Ta层状复合板材，其特征在于：采用权利要求1~4任一项所述的碳化硼增强Mg-Al-Ta层状复合板材的制备方法制得。

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