一种兼具良好屏蔽性能的高强Mg-Ta复合材料及其制备方法与应用

本发明属于金属基复合材料，具体涉及一种兼具良好屏蔽性能的高强mg-ta复合材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、木星的卫星木卫二被认为最可能有生命存在，探索木星对寻求地球外的生命具有重要意义。然而想要顺利探测木星，还面临着两大技术难关。一是木星强大的表面磁场和环木星轨道的高密度高能粒子辐射问题，二是木星距离遥远带来的能源问题。这就给对于探测器的仪器设备的抗高能粒子辐照能力和轻量化提出了双重要求。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是我国深空探测技术研究的重要发展方向之一(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.ieee transactionson nuclear science,(66)2019,2179-2187.))。其中将重金属的抗辐射材料ta、nb等与轻质结构金属材料mg复合有望缓解木星探测器面临的辐照和能源两大技术难题。对木星探测器结构的抗辐照材料体系的分析与计算研究表明，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％，这给我国深空探测技术的发展带来了巨大的潜力。但是由于mg和ta冶金不相溶，两种金属的熔点(ta的熔点为2996℃、mg的熔点为650℃)、晶格类型(ta为bcc，mg为hcp)、线膨胀系数等物理化学性质及冶金性质存在巨大的差异，因此mg/ta连接困难，国内外关于mg/ta复合的制备工艺报道较少。

2、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，该方法虽然可以实现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层状复合板材的加工制备，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。

3、可见，在上述专利中采用的多为多道次中高温轧制加工与退火热处理的热力耦合的层状复合材料制备方法，目前尚鲜有关于结合结构设计和浸铸工艺制备三维互穿网络结构mg/ta复合材料的报道。

4、此外，在上述专利中，没有考虑利用mg/ta复合材料中ta在mg合金中的分布设计，实现对屏蔽性能的优化。

技术实现思路

1、本发明的目的之一是提供一种兼具良好屏蔽性能的高强mg-ta复合材料，该mg-ta复合材料质量稳定性强，耐热性好，具备高强度和良好的屏蔽性能。

2、本发明的目的之二是提供一种兼具良好屏蔽性能的高强mg-ta复合材料的制备方法，该制备方法工艺简单成熟，对真空度要求不高，生产效率高，工艺稳定性高，可用于mg和ta异种材料的大面积高强度固相连接。

3、本发明的目的之三是提供一种兼具良好屏蔽性能的高强mg-ta复合材料作为抗辐射轻质复合材料的应用，尤其适用于深空探测器屏蔽结构。

4、本发明实现在上述目的采取的技术方案如下。

5、本发明的兼具良好屏蔽性能的高强mg-ta复合材料，由表面镀铝的ta预制体和镁合金组成；

6、所述ta预制体由依次堆叠的n层ta丝网组成，相邻的两层ta丝网间隔设置，n≥5，ta丝网均为蜂窝结构，且以任意一层ta丝网为基准，在垂直于该ta丝网的方向上，该ta丝网的六边形孔被其余n-1层ta丝网的六边形的边空间上遮挡，；

7、所述镁合金在空间上填充表面镀铝的ta预制体的空隙，与表面镀铝的ta预制体形成三维互穿网络结构。

8、优选的是，所述ta丝网的每个六边形的边宽a为0.5-1mm，边长b满足1mm<b≤2(n-1)×a，平行的两条边的垂直距离≤(n-1)×a，n层ta丝网的层间距为0.5-1mm，堆叠方向为与基准ta丝网的六边形任意一条边长所成角度θ＝90°±30°。

9、优选的是，所述镁合金为mg-gd-y系合金，更优选的是，所述mg-gd-y系合金为mg-10gd-3y-0.5zr(wt.％)。

10、本发明的上述兼具良好屏蔽性能的高强mg-ta复合材料的制备方法，包括如下步骤：

11、s1，建立ta预制体的三维模型；

12、s2，依据步骤s1中的ta预制体的三维模型，通过金属纤维丝编织技术或者3d打印技术制备ta预制体：

13、s3，将ta预制体进行表面预处理，去除表面氧化层和杂质：

14、s4，将预处理后的ta预制体放入熔融纯铝液中进行浸镀处理，得到表面镀铝的ta预制体：

15、s5，按照mg合金中各成分含量配料，惰性气氛保护下，真空熔炼，得到熔融mg液：

16、s6，将表面镀铝的ta预制体浸入熔融mg液，保温，冷却，得到mg-ta复合结构：

17、s7，对mg-ta复合结构进行机加工处理，去除mg-ta复合结构外多余mg合金，依据步骤s5中mg合金的固溶时效热处理工艺进行热处理，得到兼具屏蔽性能的mg-ta复合材料。

18、优选的是，所述步骤s3中，将ta预制体放入钽酸洗进行化学清洗0.5-2min，更优选的是，30s。

19、优选的是，所述步骤s4中，将预处理后的ta预制体放入熔融纯铝液中10-20min，更优选的是，15min。

20、优选的是，所述步骤s5中，熔炼温度为650-730℃。

21、优选的是，所述步骤s6中，将表面镀铝的ta预制体置于模具中，惰性气氛保护下，将熔融mg液导入模具，650℃保温10-30mim后，自然冷却，形成mg-ta复合结构；更优选的是，所述模具为砂型模具；更优选的是，保温20min。

22、优选的是，所述步骤s7中，热处理的条件为：先在500-525℃处理8-12h，然后在250℃处理12h。

23、本发明还提供上述兼具良好屏蔽性能的高强mg-ta复合材料或上述制备方法制备的兼具良好屏蔽性能的高强mg-ta复合材料作为抗辐射轻质复合材料的应用。

24、本发明的原理为：本发明的兼具有高屏蔽性能的高强mg/ta复材的制备方法，对ta预制体进行蜂窝网状结构+层状仿贝壳类结构设计，蜂窝网状结构保证了镁液的完整填充，同时mg和ta的互相交叉卡扣，避免互不相溶金属复材常见的界面强度不足的失效问题，层状仿贝壳类结构设计，通过层间孔隙的错开处理，实现单向视图无空隙，保证了复合材料的屏蔽性能及其在不同位置处的一致性，此外，通过上述结构设计和调整mg/ta质量占比，减少ta预制体的重量。对该ta预制体进行浸镀铝液处理，通过中间层设置实现界面的冶金结合，将表面镀有al的ta预制体浸入熔融mg液中，至完全填充空隙后冷却凝固至室温，实现mg和ta的三维互穿复合。利用浸铸(渗)避免了轧制等热力耦合工艺遇到的mg和ta难以协同大塑性变形问题；在此过程中，利用三维互穿网络复合实现了高强镁合金与ta预制体的高强机械连接，避免了层状复合的界面开裂失效问题；利用热浸镀al层，一方面避免了ta的表面氧化，另一方面则是作为中间层“黏合”mg层和ta层，增进了两种互不溶体系的扩散连接。对mg/ta复合材料进行固溶和时效热处理，消除了铸造工艺ta支架约束导致的残余应力，同时在ta支架、al镀层和镁合金主体可在后续的热处理过程中实现有效的冶金结合。此外，本发明采用的ta预制体+浸铸工艺具有抗屏蔽功能性、mg合金成分选择互不干涉的特点，可分别通过预制体设计结构优化、mg合金材料设计和热处理工艺实现抗屏蔽性能和高强耐热结构性能协同提高。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

26、本发明的兼具良好屏蔽性能的高强mg-ta复合材料的制备方法，通过设计互不相溶金属的结构功能一体化方法，基于设计ta预制体结构、预处理、浸镀、合金配料、熔炼、冷却、机加工和热处理等步骤，实现了镁合金(超高强mg-gd-y系合金)和ta的有效结合，从而创造了一种具有多种性能的复合材料。

27、本发明的兼具良好屏蔽性能的高强mg-ta复合材料的制备方法，通过ta预制体的蜂窝网状结构设计，确保了镁液的完整填充，同时通过蜂窝网状结构设计，避免了互不相溶金属复合材料中常见的界面强度不足的问题。

28、本发明的兼具良好屏蔽性能的高强mg-ta复合材料的制备方法，利用熔融纯铝液中进行的浸镀处理，增强了ta与mg合金之间的结合能力，避免了后续工艺中氧化层的形成。

29、本发明的兼具良好屏蔽性能的高强mg-ta复合材料的制备方法，利用al浸镀层实现了ta-al-mg的冶金结合，提高了复合材料的强度和稳定性。

30、本发明的兼具良好屏蔽性能的高强mg-ta复合材料的制备方法，优选选择mg-10gd-3y-0.5zr(wt.％)合金成分，并通过特定的固溶时效热处理工艺，获得了高强度的mg-ta复合材料，同时保证了其耐热性。

31、本发明的兼具良好屏蔽性能的高强mg-ta复合材料，通过设计ta丝网的层状结构，实现了单向视图无空隙，确保了复材的屏蔽性能及其在不同位置处的一致性。

32、本发明的兼具良好屏蔽性能的高强mg-ta复合材料，稀土镁合金的屈服强度可≥225mpa，经检测，250℃屈服强度不下降，可用于高效制备深空探测器屏蔽结构用抗辐射轻质复合材料，具有重要的科学意义和工程价值。