[发明专利]一种三明治结构金属材料及其制备方法

说明书

一种三明治结构金属材料及其制备方法，可作为复合材料用于镁合金防护。该金属结构的组成元素为Mg、RE、Zn，其中RE的质量百分含量为15～30％，Zn的质量百分含量为10～25％，余量为Mg。本发明通过一定的熔炼工艺、合金成分配比等关键技术参数制备了一种三明治结构金属材料。该材料由三种物质层组成，一层为Mg‑Zn相，一层为准晶相I相，另一层则为LPSO相，这三种不同类型的金属间化合物形成了一种自生的三明治结构金属材料。该材料及制备方法可用于获得镁合金原位自生防护涂层。

技术领域

本发明涉及一种三明治结构金属材料及其制备方法。具体涉及通过一定的合金成分，熔炼工艺制备这种新型的三明治结构材料。这种材料具有明显的应用特征，可作为复合材料用于镁合金防护。

背景技术

目前，镁合金是金属结构材料中密度最低的、继钢铁和铝合金之后发展起来的第三类金属结构材料，被称之为21世纪的绿色工程材料。因此，镁合金往往被用在航空航天以及军工产品领域。然而，镁是活泼金属，其标准电极电位为-2.37V(酸性溶液，298K)，在腐蚀介质中生成疏松多孔的氢氧化物膜，不能对基体起到保护作用，尤其在富含有Cl-的腐蚀介质中腐蚀破坏性更大，这使镁合金在工业领域中的应用受到限制。

由于耐蚀性能不佳，镁合金在使用过程中很容易被腐蚀损坏。镁合金的腐蚀性能差与合金中的第二相有关。第二相的自腐蚀电位一般比基相的高，如AZ镁合金中的相(Mg1₇Al₁₂)有很高的自腐蚀电位，其析出氢气比镁合金基相容易，因此它通过电偶效应而加速镁合金腐蚀的驱动力很大。镁合金耐蚀性差的主要原因并不是热力学的不稳定性，而是表面无法自然形成具有保护性的表面膜。目前，除了采用提高合金纯度、合金化外，利用表面改性、表面镀层等方法可有效减缓镁合金的腐蚀。阳极氧化、微弧氧化和有机涂装技术已被广泛应用于工业领域，气相沉积和激光表面改性等技术受限于设备、技术而处于探索阶段。

稀土元素对合金具有独特的“净化”“细化”“强化”“合金化”的作用。因此，稀土元素往往成为提升镁合金力学性能、机械加工性能的首选合金化元素。稀土元素(RE)可与Zn、Mg元素反应，根据溶质原子Zn/RE的加入比例，可在熔体凝固过程中控制Mg-Zn-RE三元相的形成种类，目前常见的Mg-Zn-RE三元相分别为I相、W相及LPSO相，其中I相、LPSO相可提高镁合金的耐蚀性能。

长周期叠层结构(LPSO相)为Mg-Zn-Y镁合金中常见的三元相，可显著提高材料的力学性能。该相最早由罗志平发现并报道。目前，已报到的力学性能最佳的镁合金为LPSO相强化的Mg_90.65Y_6.84Zn_2.51(质量百分比)合金，其室温屈服强度可达610MPa，它被认为是目前强度最高的镁合金。但是，该制备方法(RS/PM)过于复杂，成本较高且生产效率低。随后，河村能人采用常规挤压制备技术，获得了LPSO相强化的Mg-Zn-Y合金，经挤压加工处理后，该合金的室温屈服强度为375MPa，延伸为率4％。I相(Mg₃Zn₆Y)为除了长周期叠层结构外，Mg-Zn-RE合金中最常见的另外一种第二相。据报道，已开发的MgZn₃₀Y_2.5合金中有花瓣状的准晶，合金的拉伸强度随着I相体积分数含量的增加而升高。

由此可见，LPSO相/I相等是一种有效的强化相，利用强化相对镁合金的增强效应，可以提高镁合金的力学性能。如果利用成分、制备工艺等手段调控合金中的LPSO相/相等获得多层相组成的膜层结构，实现它们的有序分布，覆盖在镁合金表面，既可以强化合金又可以改善镁表面的耐蚀性能，实现一种自生耐蚀膜层的制备与控制，这对改善镁合金的表面性能具有巨大的应用价值。

发明内容