材料的制備方法及提高鎂合金抗蠕變性能的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種材料的制備方法，還涉及應用該方法來提高鎂合金抗蠕變性能的方法，屬于金屬材料領域。
【背景技術】
[0002]鎂是所有結構用金屬及其合金材料中密度最低的，與其他金屬結構材料相比，鎂及鎂合金具有比強度、比剛度高，鑄造性能較好，在可控氣氛下焊接性能好，減震性、電磁屏蔽性和抗輻射能力強，切削加工性好、易回收等一系列優點，在汽車、通信、電子、電器、交通、航空航天、國防軍事工業、冶金、化學、化工等許多領域具有極其重要的應用價值和廣闊的應用前景，是繼鋼鐵和鋁合金之后發展起來的第三類金屬結構材料，并被稱為“21世紀的綠色工程材料”。目前，鎂及鎂合金材料的研究已成為世界性的熱點。鎂合金在實際工程中的應用主要受限于自身不可克服的缺陷:彈性模量較低，可塑性、耐蝕性能差等，在高溫條件下(高于120°C)強度和抗蠕變性能往往大幅度下降，因而難以在高溫下長時間使用，成為限制鎂合金應用于航空、汽車等工業的關鍵零部件(如發動機)材料的主要問題。因此，提高鎂合金的抗蠕變性能對發揮鎂合金的性能優勢，拓展其更廣闊的應用范圍有著重要的現實意義。
[0003]目前解決這個問題的方法主要集中在改變鎂合金成分、熔煉、鑄造以及熱處理工藝的方法。例如，中國發明專利CN102650010A公開了一種高抗蠕變鎂鈧基合金及其制備方法，其制備方法主要是將合金熔煉后進行兩次固溶、時效處理，該種方法所需處理時間較長，效率較低。中國發明專利CN104087803A公開了一種抗蠕變鎂合金及其制備方法，其主要通過向鎂中加入化學元素Cu、Ca、Sc、Al、Rb等，然后控制其質量分數，在經過熔煉、精煉、澆鑄、熱處理、變形處理、乳制后熱處理等獲得最終的抗蠕變鎂合金，但是鎂合金的成分和制備過程都比較復雜，難以控制。上述方法制備鎂合金的成本較高，還容易產生疏松、夾渣、裂紋、氣孔等難以消除的缺陷。
[0004]攪拌摩擦加工(Frict1n stir processing，FSP)是從攪拌摩擦焊演變而來的一種加工方法，其基本原理是通過攪拌頭的強烈攪拌作用使被加工材料發生劇烈塑性變形、混合、破碎，實現微觀結構的致密化、均勻化和細化。攪拌摩擦加工可以消除鑄造產品中的疏松、氣孔等缺陷，還可以細化晶粒，進而提高材料性能。例如，中國發明專利CN101560617A公開了一種鋁基復合材料的攪拌摩擦制備方法，中國發明專利CN102717182A公開了一種原位反應制備鋁基復合材料的方法，這兩種方法的機理相同，通過在一個純鋁板表面開槽或開孔，然后填充Ti粉，利用攪拌摩擦加工法，制備鋁-鈦復合材料。由于上述兩個方法均采用一個純鋁板為基體，不僅生產效率低，而且得到的復合材料中各物相分布不均勻。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是提供一種生產效率高且使各物相分布均勻的材料制備方法，還要提供應用該方法來對提升鎂合金抗蠕變性能的方法，該方法制備得到的鎂合金中強化相分布均勻。
[0006]材料的制備方法，包括以下步驟:
[0007]1)分別獲取第一基體和第二基體，所述第一基體的表面具有間隔排列的第一凸起和位于相鄰第一凸起之間的第一凹槽，所述第二基體的表面具有間隔排列的第二凸起和位于相鄰第二凸起之間的第二凹槽；
[0008]2)將第一基體與第二基體相結合使第一凸起分別嵌入對應的第二凹槽、第二凸起分別嵌入對應的第一凹槽，并確保在各第一凸起與第二凹槽之間形成的空腔以及各第二凸起與第一凹槽之間形成的空腔內填充改性粉末；
[0009]3)對相結合的第一基體與第二基體進行攪拌摩擦加工，使所述第一基體、第二基體以及位于第一基體與第二基體之間的改性粉末融合為一體并轉化為最終材料。
[0010]作為本發明的進一步改進，所述凹槽和凸起的形狀為條形、圓形或波浪形。凹槽和凸起的形狀可以根據需求確定，但是無論何種形狀的凹槽和凸起，都需要使兩個基體能夠相互嵌合為一體。可以在制備鎂合金基體時，使用模具來制備具有凹槽和凸起的鎂合金基體；也可以在鎂合金基體制備好之后，利用開槽工具在基體表面加工出凹槽和凸起。
[0011]所述材料的制備方法中，兩個基體結合為一體并在形成的空腔中添加改性粉末，不僅大大增加了基體與改性粉末接觸的面積，而且是兩個基體同時與改性粉末反應，使得生產效率顯著提升。在攪拌摩擦加工的作用下，可以同時使兩個基體與改性粉末充分地融合，使晶粒在強烈攪拌作用下被細化，有利于反應充分。
[0012]將該材料的制備方法應用于提升鎂合金的抗蠕變性能時，第一基體和第二基體即為鎂合金基體，攪拌摩擦加工后，改性粉末與兩個鎂合金基體融為一體并且轉化為均勻分散于融合后的鎂合金基體中的強化相。兩個鎂合金基體結合為一體并在形成的空腔中添加改性粉末，大大增加了鎂合金基體與改性粉末接觸的面積。采用攪拌摩擦加工處理，可以在攪拌針的強烈攪拌作用下，一方面可以使兩個鎂合金基體與改性粉末充分地融合，使各個組分分布均勾、反應充分，使生產效率顯著提升；另一方面可以使強化相分布均勾，并且使晶粒發生明顯的細化，使得鎂合金的抗蠕變性能顯著提升。該改性方法不僅工藝簡單、成本低，而且可以有效的避免在鎂合金中產生的疏松、夾渣、裂紋、氣孔等缺陷，所得鎂合金的成分易控制。所述鎂合金基體可以選用現有的鎂合金，如AZ型、AM型、AS型、AE型等鎂合金，其獲取方便快捷，可以提升生產效率。
[0013]作為本發明的進一步改性，所述改性粉末包含單質粉和/或化合物粉；所述強化相為分散后的改性粉末和/或由改性粉末與基體反應生成，即改性粉末可以是可直接作為強化相的物質，也可以是能與鎂合金基體反應生成強化相的物質。
[0014]所述單質粉為Si粉、Ca粉、稀土粉、Sn粉、Zr粉、Sr粉、Ti粉、Zn粉、Ce粉、Ga粉、Ni粉、Μη粉中的一種或任意幾種；所述化合物為Mg2S1、Al2Ca、Mg2Ca、Mg2Sn、Mg3Zn6RE、Mg2Zn3RE3中的一種或任意幾種。在攪拌摩擦加工的作用下，鎂合金基體發生重結晶現象，與這些粉末反應形成強化相，阻礙晶界滑移，從而提高鎂合金的抗蠕變性能。或者是，在攪拌摩擦加工的作用下，改性粉末在鎂合金基體內部分布均勻后直接作為強化相。所述改性粉末的質量占兩個鎂合金基體的總質量的0.1-5%。
[0015]作為本發明的進一步改性，所述改性粉末為納米材料，納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(l-100nm)或由它們作為基本單元構成的材料。納米材料的比表面積大，表面能高，采用納米尺寸的改性粉末一來可以促進傳熱，縮短攪拌摩擦加工的時間，二來可以增大改性粉末與鎂合金基體的接觸面積，使反應更加充分。
[0016]作為本發明的進一步改性，攪拌摩擦加工之前將基體表面的氧化物清理去除，以避免表面氧化物影響攪拌摩擦加工過程，從而影響產品的性能。
[0017]攪拌摩擦加工過程中，攪拌針的前進速度為60-250mm/min，旋轉速度為400-1500rpm。在以上參數條件下，采用攪拌摩擦加工所得改性鎂合金中強化相分布均勻，所得改性鎂合金的抗蠕變性能較其對應的鎂合金基體的抗蠕變性能有很大的提升。
[0018]作為本發明的進一步改性，攪拌摩擦加工過程至少重復進行1次