[發明專利]一種制備碳納米材料增強AZ91合金半固態漿料的方法

在審

• 申請號: 202110029925.9
• 申請日: 2021-01-11
• 公開（公告）號: CN112941384A
• 公開（公告）日: 2021-06-11
• 發明（設計）人: 閆洪;劉智彬;熊俊杰
• 申請（專利權）人: 南昌大學
• 主分類號: C22C23/02
• 分類號: C22C23/02;C22C1/10;C22C1/05;C22B9/02;B22F3/14;B22F1/00
• 代理公司: 南昌金軒知識產權代理有限公司 36129
• 代理人: 文珊

本發明提供一種制備碳納米材料增強AZ91合金半固態漿料的方法，屬于金屬材料制造技術領域。一種制備碳納米材料增強AZ91合金半固態漿料的方法，包括：利用碳納米管的優異性能對AZ91合金進行晶粒細化，通過碳納米管的預分散及Mg?Al?Zn?CNTs中間預制塊的制備，不僅避免了碳納米管自身結構損傷，而且改善了碳納米管的潤濕性。在氬氣保護條件下對AZ91合金精煉后，用鐘罩將中間預制塊壓入合金熔體，并施加機械攪拌、高能超聲，此后將溫度迅速降至520?580℃后保溫，并進行60?90s二次高能超聲，隨后迅速水淬，最終在優選工藝下制得球化均勻的半固態組織。本發明操作安全，工藝穩定，制備的碳納米管?AZ91合金半固態漿料組織較原基體組織明顯細化，碳納米管與基體界面結合良好。

技術領域

本發明屬于金屬材料制造技術領域，具體涉及一種制備碳納米材料增強AZ91合金半固態漿料的方法。

背景技術

鎂合金具有諸多優異的材料性能，如比強度高，比剛度高，導熱性好以及電磁屏蔽性好等等，被譽為“21世紀綠色工程材料”。由于鎂合金的特殊性能，特別是隨著國內外對碳排放的重視，輕量化和綠色環保的要求也逐步突顯，鎂合金的應用也越來越廣泛，尤其是在汽車、航空航天等工業領域的應用，甚至被認為在這兩個行業中是最具應用前途的輕型結構金屬材料。AZ91鎂合金具有優良的鑄造性能，可以生產各類薄壁零件及結構復雜零件，是應用最廣泛的鑄造鎂合金之一。然而，由于鎂合金存在強度低、耐熱性差、塑性差、模量小以及易腐蝕等缺點，以致于鎂合金在工業應用中存在一定的限制。因此，研究高性能鎂基復合材料，改良材料自身短板，為工業應用提供有效解決方案，具有重大的現實意義。

碳納米管(CNTs)一種由石墨六邊形網格曲卷而成的管狀物，具有耐高溫、耐腐蝕、高強度、高彈性模量、導熱性和導電性等優異性能。碳納米管的抗拉強度可達10-250GPa，約合鋼的100倍，而密度卻不足鋼的1/7，至少比常規石墨纖維高一個數量級。它的彈性模量可達1000GPa，與金剛石的彈性模量相當，約為鋼的5倍，是目前可制備出的具有最高比強度的材料，被譽為“超級纖維”。研究表明，碳納米管可作為鎂結晶時的非均質形核核心，并能夠阻礙初生相界面的移動，既能細化AZ91合金中的α-Mg相，又能對晶粒和晶界之間起搭接和強化作用，進而提高AZ91合金材料性能。因此，碳納米管被認為是金屬基復合材料中極具應用價值的納米增強相，利用碳納米管來提高鎂合金的強度、彈性等力學性能，在鎂基復合材料研究領域受到廣泛關注。

然而，碳納米管在鎂合金熔體中易出現團聚、增強相分布不均及其與鎂合金晶粒界面的有效結合是制備碳納米管增強鎂基復合材料的主要難點。在公布號CN109554569A，名為“一種碳材料與鎂合金復合集成的制備方法”中，采用石墨烯和碳納米管作為增強體來提高AZ91D合金基體的力學性能。通過該方法，雖可獲得致密性好的復合材料，但碳納米管未經涂覆，由于碳納米管自身結構特性，其與合金熔體的潤濕性存在不足，且該工藝流程復雜、成本高。在公布號CN107904430A，名為“單壁碳納米管摻雜的鎂合金結構件的制備”中，采用單壁碳納米管粉體與AZ91系鎂合金碎屑原料機械混合，隨后通過半固態擠壓成型方法制備AZ91鎂合金結構件。該工藝簡便，環境友好，但在熔融過程難以控制碳納米管的分散狀態，且將碳納米管粉碎在一定程度上損傷了其自身優異的力學性能，不利于復合材料的性能改善。在公布號CN108085549A，名為“一種超聲波輔助機械攪拌制備新型鎂基復合材料的方法”中，通過對碳納米管的預分散，在合金熔體半固態區間進行攪拌，并加入碳納米管，此后熔體升溫、保溫、降溫并超聲分散，該工藝采用攪拌、超聲分散方法在一定程度上促進了碳納米管在熔體中的分散，但由于碳納米管相比于合金密度過小，在直接加入的過程極易漂浮、團聚，與合金熔體不潤濕的問題難以解決。針對以上問題，開展新型鑄造制備技術研究，探索碳納米管與鎂合金均勻化復合工藝，縮短制備工藝循環時間及成型復雜構件就顯得尤為重要。