一种高阻尼镁合金复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属基复合材料及其制备技术领域，涉及一种基于镁合金基体的高阻尼复合材料及其制备方法，其目的是提高镁合金的阻尼性能。
【背景技术】
[0002]随着科学技术的快速发展，振动和噪声引起的危害日益突出。振动会影响机床的加工精度，加速结构的疲劳损坏和失效。车辆的动力装置、传动装置产生的振动和噪声不仅会降低汽车的舒适性，还会影响汽车的行驶速度和使用寿命。振动还可以造成桥梁共振断裂、电子器件失效和仪器仪表失灵等。另外，降低潜艇等军事舰艇的噪声可以大大降低被敌人发现的概率。由此可见，减振降噪在机械电子、工程结构、汽车工业、航空航天和其他军事领域均具有重要意义。
[0003]为了减小振动和噪声对设备、构件造成的危害，采用具有大内耗的高阻尼材料进行减振降噪是一种十分有效的手段。高阻尼材料用于制造器械设备和结构部件，可以从振动和噪声的源头入手，达到减振降噪的目的。通常情况下，高分子材料的阻尼性能远好于金属材料的阻尼性能，但由于其强度低、耐热和耐老化性能较差等缺点，导致其应用领域受到极大的限制。而传统的阻尼金属材料，如灰口铁、Mn-Cu合金等，密度又比较大。镁合金具有较高的减振性，是良好的抗阻尼材料，同时具有较高的比强度和比刚度、易于回收利用等优点，近年来得到广泛关注，在机械、汽车、航空航天、电子等领域显示出巨大的应用潜力。众所周知，金属基复合材料具有比金属基体更高的比刚度和比强度，以及更优异的阻尼性能。为进一步提高镁合金的阻尼性能，以镁合金为基体制备镁合金复合材料是一种有效方法。镁合金复合材料的增强相常采用SiC颗粒、SiC晶须、A1203颗粒及石墨纤维等，它们的成本较高，导致镁合金复合材料的制备成本也较高。漂珠是火力发电厂粉煤灰中含有的一种空心陶瓷颗粒，其形状为圆球形薄壁空心颗粒，其密度小于水，颗粒尺寸一般为1-400 μ m，主要组成为S1jP A1 203，其中Si02的质量含量接近于70%。漂珠是一种工业副产品，随意排放会造成严重的环境污染。2010年9月，绿色和平中国气候与能源项目团队发布的《煤炭的真实成本-2010中国粉煤灰调查报告》中指出，“2009年，中国粉煤灰的产量达到了 3.75亿吨，相当于当年中国城市生活垃圾总量的两倍多，但粉煤灰的综合回收利用率却不到60%。此外，大多数粉煤灰场的选址、防扬散、防渗漏、防流失措施远不足以达到有效防治粉煤灰环境污染的目的”。因此，减少粉煤灰排放、有效利用粉煤灰已经成为国内外材料工作者和环保工作者共同关注的一个热点问题。将漂珠作为增强相用于高性能低成本镁合金复合材料的生产，既有重要的学术价值，又有显著的环保意义。
[0004]近年来，材料工作者对镁基复合材料的阻尼性能已经开展了一系列研究。曹玮采用反应浸渗法结合半固态搅拌原位制备了 TiCp/AZ91D镁基复合材料，发现TiCp/AZ91D镁基复合材料的阻尼性能优于基体合金，而且TiC颗粒体积分数的增加有利于复合材料阻尼性能的改善(曹玮.原位TiCp增强镁基复合材料制备及其性能研究[D].上海:上海交通大学，2009)。Ma等对(SiCw+B4Cp)/ZK60A复合材料的阻尼性能进行了研究，发现该复合材料的阻尼性能在温度超过50°C时高于镁合金基体的阻尼性能，其中低频时的阻尼值最大(C.J.Ma, D.Zhang, ff.J.Ding, et al.Damping capacity of SiCw/MgLiAl composites [J].Journal of Materials Science Letters.2001，20:327-329)。中国专利 200510027321 公开了一种提高纤维增强镁基复合材料阻尼性能的方法，该方法以碳或石墨纤维为增强体，以纯镁或镁合金为基体，通过在碳或石墨纤维表面化学气相沉积热解碳来得到特殊的界面层，制备的镁基复合材料其阻尼性能比没有涂层的显著提高，可达到0.01的高阻尼范围。从以上文献可见，目前研究的阻尼镁基复合材料制备工艺较复杂，使用的原材料较昂贵，因而阻碍了阻尼镁基复合材料的推广应用。因此，寻找一种制备条件要求不高、操作简单且成本较低的制备阻尼镁合金复合材料的方法非常必要。
[0005]本发明以粉煤灰中的漂珠为原料，将其球磨破碎处理后，添加到镁合金熔液中，并在一定条件下搅拌、浇注、凝固和固溶处理，获得高阻尼镁合金复合材料。本发明既能提高镁合金的阻尼性能，又能消耗电厂副产品漂珠，是一种实现节能减排、绿色制造的有效途径。此外，本发明制备工艺过程简单，漂珠资源丰富易得，成本较低，实用性强，适合工业化生产。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是提高镁合金的阻尼性能，获得一种高阻尼镁合金复合材料，并提供一种制备高阻尼镁合金复合材料的方法。
[0007]为了实现上述目的，本发明采用搅拌铸造法制备镁合金复合材料。所用原材料主要有漂珠和镁合金，采用电阻坩祸炉进行镁合金熔炼，漂珠在加入镁合金熔体前要先经过球磨破碎处理及预热，制得的镁合金复合材料锭需要进行固溶处理。具体制备工艺如下:
[0008](1)使用球磨机将漂珠球磨1-20小时，用分样筛将漂珠碎块筛分，得到粒径为40-250 μ m的漂珠碎块；
[0009](2)配制浓度为0.8-2.5mol/L的氢氧化钠水溶液，在恒温磁力搅拌器上加热至40-60°C，放入一定量筛分后的漂珠碎块，搅拌0.5-2小时，去除漂珠表面的杂质，然后用蒸馏水清洗4-6次，去除表面残留的氢氧化钠水溶液，最后将清洗干净的漂珠碎块放入烘干箱中烘干备用；
[0010](3)将一定量镁合金放入电阻坩祸炉中的坩祸内，通入SF6体积分数为3%的SF6+C02保护气，给电升温至690-750 °C，保持炉温恒定；
[0011](4)待镁合金完全熔化后，将镁合金熔体温度降至580-600 °C，开始搅拌镁合金熔体，搅拌速度为650-750r/min，同时加入质量分数为1% -15%的预热至300_400°C的漂珠碎块，搅拌l-10min，使漂珠碎块在镁合金熔体中混合均匀，然后再升温至690-750°C，继续搅拌l-3min后，静置保温l_50min，扒渣，浇注，凝固后得到镁合金复合材料试棒；
[0012](5)将镁合金复合材料试棒放到箱式电阻炉中，通入SF6体积分数为3 %的SF 6+C02保护气，当炉温升至400-450°C时保持炉温恒定，保温0.5-30小时，进行固溶处理，然后将试棒取出，放入50-70°C的热水中，冷却后即可得到高阻尼镁合金复合材料。
[0013]将制备的镁合金复合材料试棒切成60mmX6mmX 1mm的薄片，采用动态热机械分析仪进行阻尼测试，室温下阻尼值超过0.01，高温下阻尼值超过0.07，达到高阻尼范围。
[0014]本发明将漂珠球磨成碎块后加入到镁合金熔体中，漂珠碎块与镁合金熔体接触面积更大，能发生更充分的化学反应，生成的Mg2Si分布在漂珠/镁合金界面及镁合金基体中，得到了特殊的漂珠/镁合金界面层。漂珠碎块、Mg2Si与镁合金基体的热膨胀系数不同，在复合材料制备过程中产生热错配残余应力，导致位错密度增加。而且，漂珠碎块的添加还使镁合金基体晶粒细化，晶界增多，吸收振动能的能力增强。这些方面共同作用，使镁合金复合材料的阻尼性能大大提尚。
[0015]与现有技术相比，本发明通过向镁合金中添加漂珠碎块，获得高阻尼镁合金复合材料。与镁合金相比，该镁合金复合材料的室温阻尼性能和高温阻尼性能均得到明显提高。该镁合金复合材料的制备工艺简单，对设备和试验条件要求不高，易于工业化生产，在航空航天、电子、机械、交通工具等领域都有着广阔的应用前景。本发明所用的原材料漂珠丰富易得，价格低廉，对其进行合理利用也符合我国节能减排及可持续发展战略