材料的制备方法及提高镁合金抗蠕变性能的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种材料的制备方法，还涉及应用该方法来提高镁合金抗蠕变性能的方法，属于金属材料领域。
【背景技术】
[0002]镁是所有结构用金属及其合金材料中密度最低的，与其他金属结构材料相比，镁及镁合金具有比强度、比刚度高，铸造性能较好，在可控气氛下焊接性能好，减震性、电磁屏蔽性和抗辐射能力强，切削加工性好、易回收等一系列优点，在汽车、通信、电子、电器、交通、航空航天、国防军事工业、冶金、化学、化工等许多领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景，是继钢铁和铝合金之后发展起来的第三类金属结构材料，并被称为“21世纪的绿色工程材料”。目前，镁及镁合金材料的研究已成为世界性的热点。镁合金在实际工程中的应用主要受限于自身不可克服的缺陷:弹性模量较低，可塑性、耐蚀性能差等，在高温条件下(高于120°C)强度和抗蠕变性能往往大幅度下降，因而难以在高温下长时间使用，成为限制镁合金应用于航空、汽车等工业的关键零部件(如发动机)材料的主要问题。因此，提高镁合金的抗蠕变性能对发挥镁合金的性能优势，拓展其更广阔的应用范围有着重要的现实意义。
[0003]目前解决这个问题的方法主要集中在改变镁合金成分、熔炼、铸造以及热处理工艺的方法。例如，中国发明专利CN102650010A公开了一种高抗蠕变镁钪基合金及其制备方法，其制备方法主要是将合金熔炼后进行两次固溶、时效处理，该种方法所需处理时间较长，效率较低。中国发明专利CN104087803A公开了一种抗蠕变镁合金及其制备方法，其主要通过向镁中加入化学元素Cu、Ca、Sc、Al、Rb等，然后控制其质量分数，在经过熔炼、精炼、浇铸、热处理、变形处理、乳制后热处理等获得最终的抗蠕变镁合金，但是镁合金的成分和制备过程都比较复杂，难以控制。上述方法制备镁合金的成本较高，还容易产生疏松、夹渣、裂纹、气孔等难以消除的缺陷。
[0004]搅拌摩擦加工(Frict1n stir processing，FSP)是从搅拌摩擦焊演变而来的一种加工方法，其基本原理是通过搅拌头的强烈搅拌作用使被加工材料发生剧烈塑性变形、混合、破碎，实现微观结构的致密化、均匀化和细化。搅拌摩擦加工可以消除铸造产品中的疏松、气孔等缺陷，还可以细化晶粒，进而提高材料性能。例如，中国发明专利CN101560617A公开了一种铝基复合材料的搅拌摩擦制备方法，中国发明专利CN102717182A公开了一种原位反应制备铝基复合材料的方法，这两种方法的机理相同，通过在一个纯铝板表面开槽或开孔，然后填充Ti粉，利用搅拌摩擦加工法，制备铝-钛复合材料。由于上述两个方法均采用一个纯铝板为基体，不仅生产效率低，而且得到的复合材料中各物相分布不均匀。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种生产效率高且使各物相分布均匀的材料制备方法，还要提供应用该方法来对提升镁合金抗蠕变性能的方法，该方法制备得到的镁合金中强化相分布均匀。
[0006]材料的制备方法，包括以下步骤:
[0007]1)分别获取第一基体和第二基体，所述第一基体的表面具有间隔排列的第一凸起和位于相邻第一凸起之间的第一凹槽，所述第二基体的表面具有间隔排列的第二凸起和位于相邻第二凸起之间的第二凹槽；
[0008]2)将第一基体与第二基体相结合使第一凸起分别嵌入对应的第二凹槽、第二凸起分别嵌入对应的第一凹槽，并确保在各第一凸起与第二凹槽之间形成的空腔以及各第二凸起与第一凹槽之间形成的空腔内填充改性粉末；
[0009]3)对相结合的第一基体与第二基体进行搅拌摩擦加工，使所述第一基体、第二基体以及位于第一基体与第二基体之间的改性粉末融合为一体并转化为最终材料。
[0010]作为本发明的进一步改进，所述凹槽和凸起的形状为条形、圆形或波浪形。凹槽和凸起的形状可以根据需求确定，但是无论何种形状的凹槽和凸起，都需要使两个基体能够相互嵌合为一体。可以在制备镁合金基体时，使用模具来制备具有凹槽和凸起的镁合金基体；也可以在镁合金基体制备好之后，利用开槽工具在基体表面加工出凹槽和凸起。
[0011]所述材料的制备方法中，两个基体结合为一体并在形成的空腔中添加改性粉末，不仅大大增加了基体与改性粉末接触的面积，而且是两个基体同时与改性粉末反应，使得生产效率显著提升。在搅拌摩擦加工的作用下，可以同时使两个基体与改性粉末充分地融合，使晶粒在强烈搅拌作用下被细化，有利于反应充分。
[0012]将该材料的制备方法应用于提升镁合金的抗蠕变性能时，第一基体和第二基体即为镁合金基体，搅拌摩擦加工后，改性粉末与两个镁合金基体融为一体并且转化为均匀分散于融合后的镁合金基体中的强化相。两个镁合金基体结合为一体并在形成的空腔中添加改性粉末，大大增加了镁合金基体与改性粉末接触的面积。采用搅拌摩擦加工处理，可以在搅拌针的强烈搅拌作用下，一方面可以使两个镁合金基体与改性粉末充分地融合，使各个组分分布均勾、反应充分，使生产效率显著提升；另一方面可以使强化相分布均勾，并且使晶粒发生明显的细化，使得镁合金的抗蠕变性能显著提升。该改性方法不仅工艺简单、成本低，而且可以有效的避免在镁合金中产生的疏松、夹渣、裂纹、气孔等缺陷，所得镁合金的成分易控制。所述镁合金基体可以选用现有的镁合金，如AZ型、AM型、AS型、AE型等镁合金，其获取方便快捷，可以提升生产效率。
[0013]作为本发明的进一步改性，所述改性粉末包含单质粉和/或化合物粉；所述强化相为分散后的改性粉末和/或由改性粉末与基体反应生成，即改性粉末可以是可直接作为强化相的物质，也可以是能与镁合金基体反应生成强化相的物质。
[0014]所述单质粉为Si粉、Ca粉、稀土粉、Sn粉、Zr粉、Sr粉、Ti粉、Zn粉、Ce粉、Ga粉、Ni粉、Μη粉中的一种或任意几种；所述化合物为Mg2S1、Al2Ca、Mg2Ca、Mg2Sn、Mg3Zn6RE、Mg2Zn3RE3中的一种或任意几种。在搅拌摩擦加工的作用下，镁合金基体发生重结晶现象，与这些粉末反应形成强化相，阻碍晶界滑移，从而提高镁合金的抗蠕变性能。或者是，在搅拌摩擦加工的作用下，改性粉末在镁合金基体内部分布均匀后直接作为强化相。所述改性粉末的质量占两个镁合金基体的总质量的0.1-5%。
[0015]作为本发明的进一步改性，所述改性粉末为纳米材料，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(l-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料。纳米材料的比表面积大，表面能高，采用纳米尺寸的改性粉末一来可以促进传热，缩短搅拌摩擦加工的时间，二来可以增大改性粉末与镁合金基体的接触面积，使反应更加充分。
[0016]作为本发明的进一步改性，搅拌摩擦加工之前将基体表面的氧化物清理去除，以避免表面氧化物影响搅拌摩擦加工过程，从而影响产品的性能。
[0017]搅拌摩擦加工过程中，搅拌针的前进速度为60-250mm/min，旋转速度为400-1500rpm。在以上参数条件下，采用搅拌摩擦加工所得改性镁合金中强化相分布均匀，所得改性镁合金的抗蠕变性能较其对应的镁合金基体的抗蠕变性能有很大的提升。
[0018]作为本发明的进一步改性，搅拌摩擦加工过程至少重复进行1次