[发明专利]一种高模高强镁基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高模高强镁基复合材料，在镁合金基体中添加增强体，所述增强体为碳纳米管、碳化硅、碳化硼及石墨烯中的一种，增强体占镁基复合材料的体积分数为5~25%；所述镁合金基体由以下重量百分比的组分组成：钆：4~12%、钇：2~6%、硅：0.5~2.5%、晶粒细化剂：0.3~0.9%、优化剂：0~3%，余量为镁；其中，所述晶粒细化剂为锆或锰，所述优化剂为锌或钕；本发明还公开了上述镁基复合材料的制备方法。本发明利用强化相与位错、孪晶、晶界之间的相互作用，结合固溶、塑性变形及时效处理，大幅度提高镁合金的弹性模量，深度挖掘镁合金的强度潜力，最大限度保有镁合金的韧性，并进一步降低镁合金的密度。

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种高模高强镁基复合材料及其制备方法。

背景技术

现代战争强调武器的远程纵深精确打击能力和机动战术能力，武器装备的轻量化至关重要。与发达国家相比，我国武器装备轻量化任务十分繁重。镁合金是密度最小的金属结构材料，仅为1.7 g/cm³，分别只有铝的2/3和钢铁的1/5。仅从材料简单替代分析，在不降低结构强度的条件下，镁合金构件与铝合金比较可获得20%～25%的减重效果，与钢构件比较可获得45%～50%的减重效果。

由于镁合金明显的密度等优势，在发达国家航空航天等武器装备中获得很大重视和广泛使用。如二战时期的德国的Arado Ar 196水上侦查飞机、美国诺斯罗普XP-56“黑子弹”战斗机和F-80流星喷气战斗机均大量使用镁合金型材、板材和铸件。美军的M113装甲运输车大量采用镁合金结构件，具有非常好的减重、减振和装甲防护性能；号称“世界镁合金奇迹”的美国B-36轰炸机大量采用镁合金（5555kg的镁合金板材，700kg的镁合金锻件，300kg的镁合金铸件），B-47使用了5500kg的镁合金板材、型材和铸件，B-52使用了1600kg的镁合金，其中636kg为轧制板材。英国开发出Mg-Al-B挤压镁合金，用于Magnox核反应堆燃料罐。法国和俄罗斯开发出鱼雷动力源变形镁合金阳极薄板材料。日本用镁合金制造“罐式”卫星和空间站上的机器人等。

与铝合金突飞猛进式的发展不同，二战后镁合金的发展和应用经历了几起几落，究其原因主要是强度低、易腐蚀、难变形、模量低等问题长久以来没有获得实质性突破性的进展。目前随着高强耐热Mg-Re合金的理论研究和相关熔炼等技术的进步，开发≥400MPa、≥500MPa甚至≥600MPa的高强镁合金已经成为可能。近年来，随着现代战争节奏越来越快，对武器装备的突防能力和战场生存能力也提出了越来越高的要求，各种卫星、战术巡航导弹等飞行器的重量要求越来越轻、速度要求越来越快，对材料的刚度以及抗弹性变形能力提出了更高的要求，以模量为指标进行结构和刚度设计的理念也开始获得设计人员的广泛认同，以实现更好的结构减重。然而，现有镁合金的弹性模量太低，仅为40～45GPa，抗弹性变形能力差，远不能满足国防军工领域对轻质高模高强镁基复合材料的需求。因此，研发高模高强镁基复合材料的需求已变得非常迫切。

常用的有Mg-Al系、Mg-Zn系和Mg-Mn系，以及最近引起广泛关注和应用的超轻Mg-Li系和高强耐热Mg-Re系，高性能镁合金不断在航空航天、武器装备等领域中获得广泛的使用。镁基复合材料向系列化发展，产品应用领域不断扩展。近年来，利用我国镁及稀土资源优势，在高强高韧镁合金研究方面，开展了大量的研究工作。研究发现，由于Mg-Re合金中形成的弥散第二相，如MgGd(56.9 GPa)、Mg3Gd(46.1 GPa、MgY(55.7 GPa)、Mg24Y5(53.8 GPa)和MgNd(55.4 GPa)等相，不仅具有高温强化效应，而且具有提高镁合金弹性模量的效果。