[发明专利]一种Mn颗粒增强的Mg-Zn复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种Mn颗粒增强的Mg‑Zn复合材料及其制备方法，以Mg‑Zn合金为基体，以Mn为增强颗粒，Mn颗粒的体积分数从0.5％‑2.5％，复合材料按重量百分比计包括如下组分：2.5％～10％Mn，1.0％～6.0％的Zn，余量为Mg和不可避免的杂质。其能够采用传统熔炼挤压工艺，在保证材料强度和塑性满足要求的前提下，提高材料的弹性模量，综合性能指标大大高于商用AZ31镁合金,不含稀土和贵重元素，工艺流程简单，成本低。所述制备方法包括如下步骤：步骤一，按照上述的Mn颗粒增强的Mg‑Zn复合材料的组分重量百分比称取纯镁、纯锌和镁锰中间合金；步骤二，对称取的镁锭、锌粒和镁锰中间合金进行熔炼得到熔体，将熔体直接冷却或浇铸得到铸锭；步骤三，对铸锭进行热挤压得到Mn颗粒增强的Mg‑Zn复合材料的型材。

技术领域

本发明涉及金属基复合材料领域，具体涉及Mn颗粒增强的Mg-Zn复合材料及其制备方法。

背景技术

由于镁合金具有密度低，比强度、比刚度高、易于回收利用等优点，被誉为二十一世纪的绿色工程材料。发展高性能镁及镁合金材料，推动其大规模应用能实现二氧化碳减排，对实现“碳达峰、碳中和”的国家战略有着重要的意义。

锌元素可以溶入镁基体，造成晶格畸变，增大位错运动阻力，以及挤压过程中会大量析出的镁锌相，小尺寸镁锌相钉扎位错，抑制晶界迁移，大尺寸镁锌相可以作为动态再结晶形核点，协同作用促进动态再结晶晶粒细化，使得镁锌合金具有一定的强度、塑性。但是镁锌合金作为结构材料，其模量、刚度还不够高，限制了其应用。金属颗粒不仅具有高的强度还具有优异的塑性。发展金属颗粒增强的镁基复合材料是解决上述问题的有效途径之一。

由Mg-Mn二元相图可知，金属锰在镁中固溶度随温度的降低而急剧降低，600℃时，其固溶度达到2.0％；但室温条件下固溶度小于0.2％，表明锰能作为镁基复合材料的增强体。目前大量的研究认为含有微量锰元素的合金在挤压过程中动态析出的细小弥散的锰单质颗粒能显著细化Mg-Zn及Mg-Zn-RE等体系合金的再结晶组织，此外，微量Mn元素加入镁合金还具有非常好的去除杂质的效果，特别是对杂质Fe，这能显著改善材料的性能。

目前，随着对镁合金的深入，镁合金室温力学性能已有很大的提升，毛建军于《杂质元素对镁合金组织与性能的影响及镁合金纯化工艺的研究》中对商用镁合金AZ31进行研究，发现该合金抗拉强度为277MPa，拉伸屈服强度为231MPa，延伸率为17％，有良好的工程应用前景。但是，此类常规商用镁合金中各相弹性模量都偏低，这导致合金模量一般在35.0～45.0GPa之间。由混合定律可知，多相合金的弹性模量是由其组成相的弹性模量及体积分数决定的。纯镁的弹性模量较低45.0GPa，镁合金的模量的提高可以通过添加高模量增强体来实现。王晓军于《Microstructure and strengthening mechanism of carbonnanotubes reinforced magnesium matrix composite》研究了Mg-6Zn合金，发现该合金弹性模量仅40.0GPa；黄巍在《300℃等温处理时间对AZ91D压铸镁合金组织和性能的影响》中对铸态AZ91D进行研究，发现该合金弹性模量39.8GPa；张诗昌于《温度及应变率对挤压态AZ31镁合金弹性模量的影响》研究了AZ31镁合金，发现该合金弹性模量为43.8GPa；CN104342591A专利中表明，传统的Mg-RE镁合金中第二相的模量也很低，例如典型的MgGd、Mg₃Gd以及Mg₇Gd模量为56.9GPa、46.1GPa与52.6GPa，MgY相的模量为55.7GPa，Mg₂₄Y₅相的模量53.8GPa，MgNd相的模量55.4GPa。因此，很难通过合金成分调控第二相的体积分数提高合金的模量，难以满足工程领域对高模量镁合金材料的需求。