一种高压缩强度、低热膨胀镁基合金及其制备方法

1.本发明涉及金属复合材料技术领域，具体涉及一种高压缩强度、低热膨胀镁基金属复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，具有高比强、高比模和易回收等优点，被誉为“21世纪绿色工程材料”。随着许多金属矿产资源的日益枯竭，镁以其资源丰富而日益受到重视，特别是我国目前对结构轻量化要求较高的大飞机、绕月飞行器、高速轨道交通工具、电动汽车等，对镁合金有更大的需求。如航空航天、汽车产品等领域，通过减轻重量，有助于节约能源消耗，减少环境污染。在这一过程中就需将镁合金与其它合金连接，如与铝合金、铜合金等进行焊接，以发挥各自的特长。
3.然而，镁合金的强度较传统的钢、铝合金等材料要低，所以在与其他合金进行连接配合使用的过程中往往会先失效。镁合金的热膨胀系数也较传统的钢、铝合金等材料要高，易于在异种合金焊接时由于热膨胀系数不匹配而带来较大的热应力，从而导致焊接处出现裂缝，损害力学性能。随着镁合金在节能减排领域使用量的不断增加，以及铝/镁杂化结构的大量潜在应用，进一步提高镁合金的综合性能，即在提升镁合金力学性能的同时，又能降低热膨胀系数以减少焊接过程中的热应力，成为亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对上述问题，提供一种高压缩强度、低热膨胀镁基金属复合材料及其制备方法。
5.本发明为了实现其目的，采用的技术方案是：
6.一种高压缩强度、低热膨胀镁基合金的制备方法，包括如下步骤：
7.1)将负热膨胀材料与镁合金粉末按比例混合、充分研磨直至粉末混合均匀，获得负热膨胀材料/镁合金混合粉末，所述负热膨胀材料为mn3gan或者mn3ga
1-x
ge
x
n，mn3ga
1-x
ge
x
n式中，0《x《1.0，优选x＝0.1-0.4或者x＝0.1-0.3或者0.1，0.2，0.3；
8.负热膨胀材料与镁合金粉末的质量比为2～8﹕92～98，优选3～7﹕93～97；
9.2)将步骤1)获得的混合粉末装入模具中，通过固相真空热压烧结得到得到负热膨胀材料/镁基合金材料。
10.优选地，所述镁合金为we43。
11.优选地，步骤1)中，所述研磨是采用行星球磨机球磨。
12.进一步优选地，步骤1)中，所述研磨是将负热膨胀材料与镁合金粉末放入行星球磨机中球磨，球料比为10:1，转速为80r/min，球磨2.5h。
13.优选地，所述mn3ga
1-x
ge
x
n为mn3ga
0.7
ge
0.3
n。
14.优选地，负热膨胀材料与镁合金粉末的质量比为7:93。
15.步骤2)具体为：将步骤1)获得的混合粉末装入模具中，在热压烧结炉中，抽真空，
应变曲线，(b)硬度。
33.图8为mn3gan/mg、mn3ga
0.7
ge
0.3
n/mg的力学性能测试结果，其中，(a)压缩应力-应变曲线，(b)硬度。
34.图9为mn3gan/we43、mn3ga
0.7
ge
0.3
n/we43的热膨胀系数测试cte曲线。
35.图10为mn3gan/mg、mn3ga
0.7
ge
0.3
n/mg的热膨胀系数测试cte曲线。
具体实施方式
36.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
37.下述实施例中的实验方法，如无特别说明，均为常规方法；所用试剂、材料，如无特殊说明，均为本领域常规试剂和材料，均可通过商购获得。
38.we43镁合金为mg-re合金，其化学成分为：mg-4％y-3％re(nd，gd)。
39.实施例中使用的负热膨胀材料mn3gan与mn3ga
0.7
ge
0.3
n由北京航空航天大学物理系凝聚态物理与材料物理研究中心提供，mn3ga
0.7
ge
0.3
n的具备制备方法可参照如下文献：tunable negative thermal expansion and structural evolution in antiperovskite mn3ga
1-x
ge
x
n(0≤x≤1.0)(huiqing lu,ying sun,et al.theamerican ceramic society.2017；100:5739
–
5745)
40.实施例1
41.将负热膨胀材料粉末mn3gan和mn3ga
0.7
ge
0.3
n分别作为增强相按质量分数3％、7％与金属基体(分别是纯度为99.9％的we43镁合金粉末、纯镁粉)进行混合，其中纯镁基体为对比例，将混合粉末放入行星球磨机中球磨2.5h，转速为80r/min，球料比为10﹕1，得到x％增强相/镁合金基体混合粉末；其中，金属基体也可以选用除本实施例外的金属材料。将混合均匀的粉末放入热压烧结炉中，抽真空至1
×
10-5
pa，以20℃/min的速率从室温升温至550℃，同时加压至25mpa，保温保压时间1h，最后随炉冷却至室温，得到高抗压强度、低热膨胀的镁基合金。
42.产品检测
43.一、mn3gan/镁基复合材料、mn3ga
0.7
ge
0.3
n/镁基复合材料分析
44.(1)x射线衍射分析
45.对制备的mn3gan/we43，mn3ga
0.7
ge
0.3
n/we43复合材料进行x射线衍射分析，结果如图1所示，可以发现在复合材料中检测出了mn3gan，mn3ga
0.7
ge
0.3
n的存在，证明添加相没有完全分解。
46.而在mn3gan/mg，mn3ga
0.7
ge
0.3
n/mg复合材料的xrd结果(如图2所示)中只发现mg、mn3gan、mn3ga
0.7
ge
0.3
n及少量的mgo物相，mn3ga
0.7
ge
0.3
n/mg还有少量的mg2ge物相，并没有其余的物相，这证明添加的mn3gan、mn3ga
0.7
ge
0.3
n几乎没有与基体发生反应。
47.(2)sem/能谱微观形貌与成分分析
48.对制备的复合材料进行sem与eds分析，结果如图3和图4所示，由图3可看出，在mn3gan/we43，mn3ga
0.7
ge
0.3
n/we43复合材料中mn3gan、mn3ga
0.7
ge
0.3
n颗粒弥散的分布在基体
中，对样品带来了弥散强化与沉淀强化，这是样品高强度的根本原因。
49.对7wt.％mn3ga
0.7
ge
0.3
n/we43复合材料进行了能谱面扫分析，如图4所示。从图4中可以看到，样品中存在mn3ga
0.7
ge
0.3
n颗粒，但是mn3ga
0.7
ge
0.3
n发生了部分的分解，因为出现了ge的扩散。同时由于部分的nd，gd元素向mn3ga
0.7
ge
0.3
n扩散，可能与mn3ga
0.7
ge
0.3
n发生作用，改变了mn3ga
0.7
ge
0.3
n磁矩，引起性能的改变。ge的扩散与基体形成mg2ge，调控了mn3ga
0.7
ge
0.3
n与基体的界面结合，对复合材料的强度以及热膨胀系数产生影响。
50.mn3gan/mg，mn3ga
0.7
ge
0.3
n/mg的电子扫描图像(图5)上发现mn3gan、mn3ga
0.7
ge
0.3
n都聚集在镁基体的晶界上，eds(图6)结果也证实了在界面处mn3gan、mn3ga
0.7
ge
0.3
n并没有与基体发生反应，这就导致了制备的mn3gan/mg，mn3ga
0.7
ge
0.3
n/mg复合材料变脆，塑性下降严重。
51.(3)力学性能分析
52.对制得样品进行抗压强度与硬度测试，测试结果如图7所示。根据压缩性能曲线，mn3gan与mnga
0.7
ge
0.3
n的添加都会导致样品的抗压强度提高，但是mn3gan对基体合金塑性的损害比mnga
0.7
ge
0.3
n小，当mn3gan添加量为7％时，样品的抗压强度达到448mpa，压延率为11.7％，强度相较于we43(386mpa)提高了16％且压延率的降低不多，与普通商用铝合金的抗压强度相当。
53.由图8可看出mn3gan/mg、mn3ga
0.7
ge
0.3
n/mg复合材料的抗压强度提高并不多，而且塑性遭到了严重的破坏，这是由于we43合金中的稀土元素gd和nb以及y元素的存在进一步增强了mn3gan、mn3ga
0.7
ge
0.3
n的抗压强度，同时良好的反应界面使得其抗压强度和压缩塑性都保持的较好。同时由于gd，nb元素在ge的替换的mn3gan中更容易进入，使得其对mn磁性的影响更大，导致热膨胀系数的降低。硬脆相mn3gan、mn3ga
0.7
ge
0.3
n过多的添加，会导致镁合金韧性的极大损伤。
54.(4)热膨胀性能分析
55.对制得的样品进行热膨胀性能测试，测试结果如图9和图10所示，由图可知，7％mn3ga
0.7
ge
0.3
n/we43的热膨胀系数(cte)值最低为22.7
×
10-6
k-1
，与普通商用铝合金的cte值相同。图9显示，mn3gan/mg、mn3ga
0.7
ge
0.3
n/mg的热膨胀系数均有降低，当含量达到7％时，分别为23.4
×
10-6
k-1
与22.9
×
10-6
k-1
。虽然热膨胀系数降低明显，但是由于mn3gan/mg、mn3ga
0.7
ge
0.3
n/mg复合材料的韧性极低，所以其在实际的应用中意义不大。
56.mn3ga
0.7
ge
0.3
n对基体的热膨胀调控主要有以下两个途径，首先mn3ga
0.7
ge
0.3
n是负热膨胀材料，在复合材料受热是基体的正热膨胀会被mn3ga
0.7
ge
0.3
n负热膨胀所补偿，其次mn3ga
0.7
ge
0.3
n部分ge的扩散与基体形成了mg2ge，改善了mn3ga
0.7
ge
0.3
n与基体之间的界面结合，对基体的热膨胀起到了抑制作用。