一种增强型镁钇钕合金层状复合板的制备方法与流程

本发明涉及一种增强型镁钇钕合金层状复合板的制备方法，属有色金属复合材料制备及应用的技术领域。

背景技术：

镁合金是有色金属结构材料，常在航空、航天、电子、汽车、医疗卫生领域应用，镁合金具有比强度高、比刚度高、减震性能好的优点，但也存在强度低、硬度差、耐腐蚀性差的弊端，极大地影响了镁合金的应用范围。

目前，为了增强镁合金的力学性能，常在镁合金中掺杂陶瓷颗粒、纤维或者晶须来提高镁合金的力学性能；但由于应用领域不同，有些掺杂起不到增强力学性能的作用，还存在较多的技术弊端。

技术实现要素：

发明目的

本发明的目的是针对背景技术的情况，以镁合金为基体，掺杂稀土元素钇和钕，并在镁合金外部热压包覆碳纤维布，制备出增强型镁钇钕合金层状复合板，以大幅度提高镁合金基体及外部的力学性能，扩大镁合金的使用范围。

技术方案

本发明使用的化学物质为：镁合金、钇、钕、碳纤维布、无水乙醇、氩气，其准备用量如下：以克、毫升、毫米、厘米³为计量单位

制备方法如下：

(1)精选化学物质

对制备使用的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度、含量控制；

(2)制备开合模具

开合式模具用模具钢5CrMnMo材料制作，模具型腔为矩形，尺寸为200mm×100mm×250mm，型腔表面粗糙度Ra0.08-0.16μm；

(3)预处理碳纤维布

①剪切碳纤维布，将碳纤维布按模具型腔尺寸进行剪切，尺寸为200mm×1mm×250mm，共两块；

②清洗碳纤维布，将剪切后的碳纤维布置于超声波清洗器内，加入无水乙醇200mL，超声波频率28KHz，超声波清洗时间15min；

③干燥，将清洗后的碳纤维布置于干燥箱中，干燥温度100℃，干燥时间60min；

(4)切制镁合金块，将镁合金块置于钢质平板上，用机械切制成块状，块状尺寸≤5mm×3mm×5mm；

(5)熔炼镁钇钕合金

镁钇钕合金的熔炼是在真空感应熔炼炉内进行的，是在高频感应加热、氩气保护下完成的；

①清理真空感应熔炼炉及熔炼坩埚，用金属铲、金属刷清理熔炼坩埚，使其清洁；

用无水乙醇清洗熔炼坩埚，使其洁净；

用氩气清理炉腔，驱除炉腔内有害气体；

②备料、加料

称取镁合金500g±0.01g、钇10g±0.01g、钕15g±0.01g，加入熔炼坩埚中；

③关闭真空感应熔炼炉，并密闭；

④开启真空泵，抽取炉内空气，使炉内压强达到6Pa；

⑤开启氩气瓶，向炉内输入氩气，氩气输入速度200cm³/min，使炉内压强恒定在10⁵Pa；

⑥开启中频感应加热器，加热熔炼坩埚内的镁合金、钇、钕，熔炼温度700℃±2℃，熔炼时间120min，并恒温保温静置30min，成增强型镁钇钕合金熔液；

镁合金、钇、钕在熔炼过程中将进行合金化反应，反应方程式如下：

式中：Mg_91.4Al_8.2Zn_0.4YNd为镁钇钕合金熔液

(6)压铸增强型镁钇钕合金层状复合板

镁钇钕层状复合板的压铸成型是在热压机上进行的，是在开合式模具内，加热、加压下完成的；

①将预制的开合式模具垂直置于热压机的加热工作台上，开启加热工作台，预热开合式模具，预热温度400℃，预热时间100min；

②将预处理的碳纤维布一块平展置于开合式模具底部的下垫板上；

③打开真空感应熔炼炉，取出熔炼坩埚，将熔炼的镁钇钕合金液对准模具型腔进行浇铸，浇满为止；

④将预处理的另一块碳纤维平展置于镁钇钕合金液的上部，并用上压板压牢；

⑤将热压机的上部压块垂直对准开合式模具，开启压力电机，对开合式模具的镁钇钕合金液进行施压，施压压强3MPa，施压时间5min；

⑥关闭热压机加热工作台上的加热器，停止加热；

开合式模具内的镁钇钕合金液在施压过程中冷却至100℃；

⑦开模，打开开合式模具，取出热压成型后的镁钇钕合金板；

⑧冷却，将镁钇钕合金板埋入细砂中，继续冷却至25℃，时间24h；

⑨切制、清理、清洗

将冷却的镁钇钕合金板置于钢制平板上，用机械切制合金板周边，使其齐整；

用砂纸打磨镁钇钕合金板周边及正反表面，使其清洁；

用无水乙醇清洗镁钇钕合金板周边及正反表面，使其洁净；

(7)检测、分析、表征

对制备的镁钇钕合金板的形貌、力学性能进行检测、分析、表征；

用扫描电镜进行显微组织分析；

用X射线衍射仪进行物相分析；

结论：镁钇钕合金板由碳纤维包覆，硬度达65HV_0.01，强度达498MPa；

(8)包装储存

对制备的镁钇钕合金板用软质软料包装，储存于洁净环境，要防潮、防晒、防酸碱盐腐蚀，储存温度20℃，相对湿度≤10％。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对镁合金强度低、硬度低、耐腐蚀性差的弊端，在镁合金中掺杂稀土元素钇和钕，并在镁合金外部包覆碳纤维布层，经真空熔炼、浇铸、热压，制成增强型镁钇钕层状复合板，使镁合金基体和外部提高了强度、硬度和耐蚀性，，其硬度达65HV_0.01，强度达498MPa，此制备方法工艺先进，数据精确翔实，产物纯度好，是先进的制备增强型镁钇钕层状复合板的方法。

附图说明

图1、镁钇钕合金熔炼状态图

图2、镁钇钕合金层状复合板压铸状态图

图3、镁钇钕合金层状复合板横切面形貌图

图4、镁钇钕合金层状复合板衍射强度图谱

图中所示，附图标记清单如下：

1、真空感应熔炼炉，2、第一炉座，3、炉盖，4、炉腔，5、出气管阀，6、外水循环冷却管，7、进水阀，8、出水阀，9、第一工作台，10、熔炼坩埚，11、中频感应加热器，12、镁钇钕合金液，13、真空泵，14、真空阀，15、真空管，16、氩气瓶，17、氩气阀，18、氩气管，19、氩气，20、第一显示屏，21、第一指示灯，22、第一电源开关，23、加热温度控制器，24、真空泵控制器，25、第二底座，26、顶座，27、左立柱，28、右立柱，29、第二工作台，30、工作台加热器，31、开合式模具，32、模具加热器，33、下垫板，34、底层碳纤维布，35、镁钇钕合金熔液，36、顶层碳纤维布，37、上压板，38、上压块，39、压力电机，40、第二显示屏，41、第二指示灯，42、第二电源开关，43、模具加热控制器，44、工作台加热控制器，45、压力电机控制器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明：

图1所示，为镁钇钕合金熔炼状态图，各部位置要正确，按量配比，按序操作。

制备使用的化学物质的量值是按预先设置的范围确定的，以克、毫升、毫米、厘米³为计量单位。

镁钇钕合金的熔炼是在真空感应熔炼炉内进行的，是在中频感应加热、氩气保护下完成的；

真空感应熔炼炉为立式、真空感应熔炼炉下部为第一炉座2，上部为炉盖3，内部为炉腔4；在炉腔4底部设有第一工作台9，在第一工作台9上部为熔炼坩埚10，熔炼坩埚10外部为中频感应加热器11，熔炼坩埚10内为镁钇钕合金液12；在真空感应熔炼炉1的右上部设有出气管阀5；真空感应熔炼炉1的外部由外水循环冷却管6环绕，并通过进水阀7、出水阀8与外接水源连接；在真空感应熔炼炉的右下部设有真空泵13，真空泵13上部设有真空阀14，真空管15，并与炉腔4连通；在真空感应熔炼炉1的左部设有氩气瓶16，氩气瓶16上部设有氩气阀17、氩气管18，并向炉腔4内输入氩气19；在第一炉座2上设有第一显示屏20、第一指示灯21、第一电源开关22，加热温度控制器23、真空泵控制器24。

图2所示，为镁钇钕合金层状复合板压铸状态图，各部位置要正确、按序操作。

镁钇钕合金层状复合板的压铸是在热压机上进行的，是在开合式模具内加热、加压下完成的；

热压机为立式，热压机底部为第二底座25、顶部为顶座26，并由左立柱27、右立柱28支撑；在第二底座25上部设有第二工作台29，第二工作台29下部为工作台加热器30，在第二工作台29上部垂直置放开合式模具31，在开合式模具31外部设有模具加热器32；在开合式模具31底部为下垫板33，在下垫板33上部为底层碳纤维布34，底层碳纤维布34上部为镁钇钕合金液35，镁钇钕合金液35上部为顶层碳纤维布36，顶层碳纤维布36上部由上压板37压平，上压板37上部由上压块38压牢，上压块38上部连接压力电机39；在第二底座25上设有第二显示屏40、第二指示灯41、第二电源开关42、模具加热控制器43、工作台加热控制器44、压力电机控制器45。

图3所示，为镁钇钕合金层状复合板横切面形貌图，如图所示，碳纤维和镁钇钕合金浸润良好，没有出现气孔和裂纹。

图4所示，为镁钇钕合金层状复合板的衍射强度图谱，图中所示，镁合金与稀土元素Y和Nd发生合金化反应并生成新相Al₂Y和Al₂Nd。镁合金与碳纤维发生反应生成新相MgAl₂C₂和Al₄C₃。