一种低密度高强韧的镁基复合材料及其制备方法

本发明属于镁合金复合材料，具体涉及一种低密度高强韧的镁基复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、镁合金兼具轻质、高比强度和优异电磁屏蔽等优势，广泛用于航空航天、汽车和电子等轻量化领域，但其绝对强度较低、塑性较差等缺点，严重限制了其工程应用。因此，通过向镁合金中引入高强度、高模量的增强体制备镁基复合材料，是突破单一镁合金强度瓶颈的有效途径之一。

3、传统增强体如sic、al2o3、b4c等，虽硬度高，但与镁基体界面结合差，易生成脆性相，脆性相在塑性加工过程中难以随基体协同变形，反而因应力集中诱发微裂纹，从而导致复合材料塑性显著降低；与陶瓷增强体相比，金属颗粒兼具高强度与良好塑性，其中ti颗粒因具有较高的熔点、良好的化学稳定性以及与镁形成有利界面反应产物（如mn2ti、mgzn2等共格或半共格相），且ti颗粒还可改善增强体/基体界面结合状态，不易在界面成为裂纹源，从而避免传统陶瓷增强体因变形不协调导致的塑性损失，因此被视为理想的增强体选择。

4、然而，ti增强镁基复合材料的实际应用受限于一个长期存在的加工难题：镁基体为密排六方结构，塑性变形能力本征不足，而ti颗粒的引入进一步降低了材料的变形协调性，导致传统加工手段难以实现大塑性变形。在此背景下，旋锻工艺因其可在棒、线材加工中引入三向压应力场，能够有效减少变形过程中的开裂倾向，从而为实现ti颗粒增强镁基复合材料的大塑性变形提供了潜在技术路径。例如，现有技术cn202310692681.1已公开了一种采用铜衬管旋锻制备高强韧mg-ti复合材料的方法。

5、但上述现有技术主要聚焦于ti颗粒的宏观均匀化以及基体晶粒的细化，其核心思路在于通过细晶强化提升材料强度。然而，该技术路径并未关注ti/mg体系更为根本的物理矛盾，即ti与mg之间热膨胀系数的显著差异；在高温加工后的冷却过程中，该差异导致ti/mg界面处产生显著的残余热应力，引发界面应力失配；当该失配应力超过界面结合强度时，界面开裂倾向急剧增加，易诱发微裂纹，进而导致材料强度与塑性的协同提升受阻。该由热失配引发的界面失效问题，是单纯依赖晶粒细化或颗粒分散手段所无法解决的。

技术实现思路

1、针对ti/mg界面因热膨胀系数失配导致的残余应力集中与开裂倾向这一技术难题，本发明提供一种低密度高强韧的镁基复合材料及其制备方法，通过旋锻工艺引入的变形热与剪切力，使ti/mg界面结构更易协调变形，从而实现镁基复合材料高强度与良好塑性的协同提升。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种低密度高强韧的镁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：1）将ti颗粒加入镁基体合金熔体中，分散均匀后，水冷，得到合金铸锭；

4、2）将步骤1）得到的合金铸锭进行均匀化热处理和热挤压加工，得到挤压棒材；

5、3）对步骤2）得到的挤压棒材实施≥3道次旋锻，得到低密度高强韧镁基复合材料。

6、在某些具体的实施方式中，还包括对步骤1）中加入镁基体合金熔体前的ti颗粒在180-240℃的温度下维持1.8-2.4h进行预热处理。

7、在某些具体的实施方式中，步骤1）中所述镁基体合金熔体通过如下方法制备：在惰性气氛下，将镁基体合金放入坩埚后放入熔炼炉中升温，升温至720-750℃，直至镁基体合金完全熔化，后搅拌均匀，去除浮渣，得到镁基体合金熔体。

8、在某些具体的实施方式中，步骤1）中向所述镁基体合金熔体中加入预热后的ti颗粒时，将镁基体合金熔体温度降至635-650℃，搅拌4-6min，得到复合材料熔体；将复合材料熔体升温至镁合金熔点以上，并采用超声分散复合材料熔体，快速搅拌后，水冷得到合金铸锭。

9、在某些具体的实施方式中，所述超声分散的工艺参数为：超声波频率为19.8-20.2khz，超声功率为1400-1800w，超声分散时间为4-6min。

10、在某些具体的实施方式中，所述快速搅拌的搅拌时间为45-60s。

11、在某些具体的实施方式中，步骤2）中所述均匀化热处理时的温度为420-460℃，时间为4-6h。

12、在某些具体的实施方式中，步骤2）中所述挤压成型的挤压温度为340-380℃，挤压比为（20-30）:1，挤压速度为0.3-0.7m/min。

13、在某些具体的实施方式中，步骤3）中所述旋锻的工艺参数为：旋锻道次为3-4，每道次旋锻变形量为5-7%，旋锻总变形量 ≤ 30%。

14、在某些具体的实施方式中，所述低密度高强韧的镁基复合材料，以质量百分比计包括如下组分：zn：5.56.5%，mn：12%，ti：1.5-2.5%，余量为mg和不可避免的杂质。

15、其中，所述ti颗粒的粒度为5-25μm。

16、与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

17、1）本发明选用具有塑性变形能力的ti颗粒作为增强体，结合低变形量旋锻，ti颗粒作为硬质点仅起到阻碍位错运动的作用，颗粒周边应力集中持续累积，塑性快速下降；当变形达到临界值时，ti颗粒与镁基体界面进入协调承载状态，颗粒周边的集中应力通过多向变形充分分散释放，塑性变形阻力降低，塑性得到恢复，有助于改善传统颗粒增强镁基复合材料强塑性倒置的技术问题。

18、2）本发明通过旋锻工艺的力-热耦合效应，主动调控ti/mg界面的残余热应力分布，有效释放因ti与mg热膨胀系数差异导致的界面应力集中，显著降低界面开裂倾向；同时，旋锻过程中的变形热与剪切力诱发界面区域发生局部塑性流变与动态再结晶，形成具有应变协调能力的梯度过渡结构，使界面由“刚性结合”转变为“协调变形”模式，进一步避免了因变形不协调引发的界面微裂纹，从而实现镁基复合材料强塑性的协同提升。

19、3）本发明制备的镁基复合材料经4道次旋锻后，抗拉强度达到430mpa，屈服强度达到396mpa，延伸率逆势回升至9.2%，实现了强度与塑性的协同提升，克服了现有技术中强塑性倒置的难题；该效果得益于旋锻对界面热应力的有效释放及对界面结合强度的显著增强。

20、4）本发明制备的复合材料在不添加稀土元素、密度仅1.906 g/cm3的前提下，材料抗拉强度达430mpa、延伸率达9.2%，综合力学性能比肩稀土镁合金，同时保持了显著的轻量化与成本优势；且制备的复合材料比强度高达225.6(mpa·cm3)/g，远超于传统mg-al合金、mg-re合金、7075铝合金和tc4钛合金等主流结构材料，具备良好的二次加工能力，可广泛应用于航空航天、汽车交通、电子设备等对轻量化与高承载有双重需求的领域。

21、5）本发明工艺可控性强，基于临界规律精准锁定工艺窗口，室温下即可实施，所用设备均为常规金属加工设备，无需额外定制，工艺流程简单，成品率高，适合大规模工业化应用。

1.一种低密度高强韧的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1）将ti颗粒加入镁基体合金熔体中，分散均匀后，水冷，得到合金铸锭；

2.根据权利要求1所述的低密度高强韧的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，还包括对步骤1）中加入镁基体合金熔体前的ti颗粒在180-240℃的温度下维持1.8-2.4h进行预热处理。

3.根据权利要求1所述的低密度高强韧的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1）中所述镁基体合金熔体通过如下方法制备：在惰性气氛下，将镁基体合金放入坩埚后放入熔炼炉中升温，升温至720-750℃，直至镁基体合金完全熔化，后搅拌均匀，去除浮渣，得到镁基体合金熔体。

4.根据权利要求3所述的低密度高强韧的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1）中向所述镁基体合金熔体中加入预热后的ti颗粒时，将镁基体合金熔体温度降至635-650℃，搅拌4-6min，得到复合材料熔体；将复合材料熔体升温至镁合金熔点以上，并采用超声分散复合材料熔体，快速搅拌后，水冷得到合金铸锭。

5.根据权利要求4所述的低密度高强韧的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述超声分散的工艺参数为：超声波频率为19.8-20.2khz，超声功率为1400-1800w，超声分散时间为4-6min。

6.根据权利要求4所述的低密度高强韧的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述快速搅拌的搅拌时间为45-60s。

7.根据权利要求1所述的低密度高强韧的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2）中所述均匀化热处理时的温度为420-460℃，时间为4-6h。

8.根据权利要求1所述的低密度高强韧的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2）中所述挤压成型的挤压温度为340-380℃，挤压比为（20-30）:1，挤压速度为0.3-0.7m/min。

9.根据权利要求1所述的低密度高强韧的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3）中所述旋锻的工艺参数为：旋锻道次为3-4，每道次旋锻变形量为5-7%，旋锻总变形量 ≤30%。

10.根据权利要求1所述的低密度高强韧的镁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述低密度高强韧的镁基复合材料，以质量百分比计包括如下组分:zn：5.56.5%，mn:12%，ti：1.5-2.5%，余量为mg和不可避免的杂质。