镁钛合金及其制备方法、应用

1.本发明涉及合金材料技术领域，具体而言，涉及一种镁钛合金及其制备方法、应用。


背景技术：

2.随着汽车、航空航天等领域的快速发展，人们对轻量化、高性能的多功能材料需求越来越高，则镁合金、钛合金等轻量的高性能原料就受到了人们的广泛关注。
3.镁合金密度小，比强度和比刚度高，若能在工业制造以及交通运输等行业得到广泛应用，不仅可以大幅降低工业机械以及交通工具的重量，提高其操控性，还能实现节能减排。然而镁合金的强度相对于钢铁材料偏低，且塑性较差，极大降低了镁钛合金的机械性能，从而限制了镁合金在轻量化、高性能的多功能材料领域的发展。
4.鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种镁钛合金及其制备方法、应用。
6.本发明是这样实现的：
7.第一方面，本发明提供一种镁钛合金的制备方法，包括将镁合金和纳米钛合金混合得到的混合粉末进行放电等离子烧结，再将烧结成型的镁钛合金预制体进行热挤压。
8.在可选的实施方式中，放电等离子烧结的参数包括：烧结温度为500～560℃，烧结的保温时间为3～10mim，烧结压力为30～50mpa，烧结速率为80～120℃/min。
9.优选地，烧结温度为520～540℃，烧结的保温时间为4～6mim，烧结压力为35～45mpa，烧结速率为90～110℃/min。
10.优选地，烧结温度为530℃，烧结的保温时间为5min，烧结压力为40mpa，烧结速率为100℃/min。
11.在可选的实施方式中，放电等离子烧结在真空条件下进行，真空度≤1
×
10-2
pa。
12.优选地，烧结前还包括将混合粉末装入模具中，再进行放电等离子烧结。
13.优选地，每次装入模具的混合粉末的量为80～100g。
14.优选地，模具的材质为石墨。
15.在可选的实施方式中，热挤压的参数包括：挤压温度为300～400℃，挤压比为25:1～4:1，挤压速率为4～8mm/s。
16.优选地，挤压温度为340～360℃，挤压比为20:1～12:1，挤压速率为5～7mm/s。
17.优选地，挤压温度为350℃，挤压比为16：1，挤压速率为6mm/s。
18.在可选的实施方式中，在热挤压前还包括将预制体置于电阻炉中加热并保温。
19.优选地，加热温度为300～400℃，保温时间为15～30min；
20.优选地，电阻炉中的气氛为惰性气氛，惰性气氛包括氮气或氩气。
21.在可选的实施方式中，镁合金包括az31、az80m以及az91d中的任一种，纳米钛合金
包括tc4、tc6以及tc17中的任一种；优选地，镁合金为az31，纳米钛合金为tc4。
22.优选地，az31和tc4的质量比为98.5～99.8：0.2～1.5。
23.优选地，镁合金的粒径为30～70μm，纳米钛合金的粒径为40～80nm。
24.在可选的实施方式中，混合粉末的制备包括将镁合金和铝合金置于分散溶剂中超声混合，然后干燥制得。
25.优选地，超声的参数包括：超声功率为100～300w，超声频率为10k～20khz，超声时长为5～20min。
26.优选地，超声的参数包括：超声功率为100～150w，超声频率为15k～20khz，超声时长为8～12min。
27.更优选地，超声的参数包括：超声功率为100w，超声频率为20khz，超声时长为10min。
28.优选地，干燥时的干燥箱温度为40～60℃，干燥时间为40～60mim。
29.优选地，分散溶剂包括丙酮、乙醇以及甲醇中的任一种。
30.第二方面，本发明提供一种镁钛合金，由前述实施方式任一项的制备方法制得。
31.在可选的实施方式中，镁钛合金的抗拉强度≥285mpa，延伸率≥7.0％，晶粒尺寸为2～6μm。
32.第三方面，本发明提供一种如前述实施方式任一项的制备方法制得的镁钛合金或如前述实施方式的镁钛合金在机械设备材料领域的应用。
33.本发明具有以下有益效果：
34.本发明提供了一种镁钛合金及其制备方法、应用，通过在镁合金中加入纳米钛合金，配合放电等离子烧结的方法，使得制备出来的镁钛合金具有更为细小均匀的晶粒，达到了抑制晶粒长大，细化晶粒的效果。然后再将烧结得到的预制体进行热挤压，经过热挤压变形的材料组织更加均匀，减少了材料的微观缺陷，提高了镁钛合金的强度。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
36.图1为本发明实施例1提供的镁钛合金的扫描电子显微镜图；
37.图2为本发明对比例1提供的镁钛合金的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
38.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
39.以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
40.第一方面，本发明提供一种镁钛合金的制备方法，包括将镁合金和纳米钛合金混
合得到的混合粉末进行放电等离子烧结，再将烧结成型的镁钛合金预制体进行热挤压。
41.镁合金密度小，比强度和比刚度高，若能在工业制造以及交通运输等行业得到广泛应用，不仅可以大幅降低工业机械以及交通工具的重量，提高其操控性，还能实现节能减排。然而镁合金的强度相对于钢铁材料偏低，且塑性较差，极大降低了镁合金的机械性能。因此，发明人创造性得提出采用纳米钛合金与镁合金混合，制备镁钛合金，通过在镁合金中加入纳米钛合金，配合放电等离子烧结的方法，使得制备出来的镁钛合金具有更为细小均匀的晶粒，达到了抑制晶粒长大，细化晶粒的效果。然后再将烧结得到的预制体进行热挤压，经过热挤压变形的材料组织更加均匀，减少了材料的微观缺陷，提高了镁钛合金的强度。
42.在可选的实施方式中，放电等离子烧结的参数包括：烧结温度为500～560℃，烧结的保温时间为3～10mim，烧结压力为30～50mpa，烧结速率为80～120℃/min。通过控制上述烧结参数能够更好地控制镁钛合金的机械性能，当烧结的温度过低，会导致烧结得到的预制体不能完全致密，有一些较大、较明显的孔隙和孔洞，影响最终产品的力学性能；当烧结温度较高，能耗增加，且无法进一步提高产品的力学性能，因此将烧结温度控制在上述范围内更合适。当烧结保温时间过短，会导致预制体组织分布不均匀，且热稳定性较差；当烧结压力过低，会导致烧结得到的预制体不能完全致密，存在较多孔隙等缺陷；当烧结速率过高，会导致升温过程中的温度控制不精确；当烧结速率过低，增加烧结过程耗费的时间，无法进一步提高产品的力学性能，因此将烧结速率在上述范围内更合适。
43.优选地，烧结温度为520～540℃，烧结的保温时间为4～6mim，烧结压力为35～45mpa，烧结速率为90～110℃/min。
44.优选地，烧结温度为530℃，烧结的保温时间为5min，烧结压力为40mpa，烧结速率为100℃/min。
45.优选地，烧结结束后将预制体随炉冷却至室温。
46.在可选的实施方式中，放电等离子烧结在真空条件下进行，真空度≤1
×
10-2
pa。将烧结过程中的真空度控制在上述范围内，不仅能避免纳米钛合金在烧结过程中发生氧化，也能有效地保证烧结工作的正常进行，保证烧结效率和烧结得到的产物的质量。
47.优选地，烧结前还包括将混合粉末装入模具中，再进行放电等离子烧结。
48.优选地，每次装入模具的混合粉末的量为80～100g。为了保证模具中的混合粉末分布均匀，无空隙，可以分次加入混合粉末，每次加入的量根据模具不同可以稍加调整。
49.优选地，为了保证镁钛合金烧结的过程稳定、安全，且无杂质，模具的材质为石墨。
50.在可选的实施方式中，热挤压的参数包括：挤压温度为300～400℃，挤压比为25:1～4:1，挤压速率为4～8mm/s。通过控制挤压参数在上述范围内，能够获得微观结构更均匀的镁钛合金，降低合金中的缺陷，提高合金的力学性能。
51.优选地，挤压温度为340～360℃，挤压比为20:1～12:1，挤压速率为5～7mm/s。
52.优选地，挤压温度为350℃，挤压比为16：1，挤压速率为6mm/s。
53.在可选的实施方式中，在热挤压前还包括将预制体置于电阻炉中加热并保温。由于烧结得到的预制体需要冷却至室温再对预制体进行处理，因此为了保证热挤压过程中镁钛合金微观结构的完整性，需要在热挤压前预加热，使预制体具有一定的挤压韧性，避免发生脆断等现象，影响最终的产品质量。
54.优选地，加热温度为300～400℃，保温时间为15～30min；
55.优选地，为了避免钛合金氧化，电阻炉中的气氛为惰性气氛，惰性气氛包括氮气或氩气。
56.在可选的实施方式中，镁合金包括az31、az80m以及az91d中的任一种，纳米钛合金包括tc4、tc6以及tc17中的任一种；优选地，镁合金为az31，纳米钛合金为tc4。
57.优选地，az31和tc4的质量比为98.5～99.8：0.2～1.5。将az31镁合金和纳米tc4钛合金的用量控制在上述范围内，可以有效的保证镁钛合金的晶粒尺寸细化以及良好的力学性能。
58.优选地，镁合金的粒径为30～70μm，纳米钛合金的粒径为40～80nm。通过将纳米钛合金的粒径控制在上述范围内，配合放电等离子烧结的方法，能够抑制晶粒生长，提高产品的力学性能。
59.在可选的实施方式中，混合粉末的制备包括将镁合金和铝合金置于分散溶剂中超声混合，然后干燥制得。
60.优选地，超声的参数包括：超声功率为100～300w，超声频率为10k～20khz，超声时长为5～20min。
61.优选地，超声的参数包括：超声功率为100～150w，超声频率为15k～20khz，超声时长为8～12min。
62.更优选地，超声的参数包括：超声功率为100w，超声频率为20khz，超声时长为10min。
63.优选地，干燥时的干燥箱温度为40～60℃，干燥时间为40～60mim。
64.优选地，分散溶剂包括丙酮、乙醇以及甲醇中的任一种。
65.第二方面，本发明提供一种镁钛合金，由前述实施方式任一项的制备方法制得。
66.在可选的实施方式中，镁钛合金的抗拉强度≥285mpa，延伸率≥7.0％，晶粒尺寸为2～6μm。本发明提供的一种镁钛合金具有力学性能好、晶粒尺寸细小等优点，同时还具有硬度高、强度高、韧性好、致密度好、缺陷少等优点。
67.第三方面，本发明提供一种如前述实施方式任一项的制备方法制得的镁钛合金或如前述实施方式的镁钛合金在机械设备材料领域的应用。
68.实施例1
69.本实施例提供了一种镁钛合金的制备方法，包括如下步骤：
70.s01、将az31粉末和纳米tc4粉末按照质量比为99：1进行混合，将混合均匀的粉末加入到500ml烧杯中并添加100ml丙酮，然后进行超声分散。超声功率为100w，超声频率为20khz，超声时长为10min。超声结束后放入干燥箱中风干，干燥箱温度为50℃，干燥时间为60mim，制得混合粉末。
71.其中，az31粉末的粒径为55μm，纳米tc4粉末的粒径为60nm。
72.s02、称取s01步骤制得的混合粉末90g置于石墨模具中，并放入放电等离子烧结炉中，抽真空至1
×
10-2
pa以下，进行烧结处理。
73.烧结的升温速率为100℃/min，烧结压力为40mpa，烧结温度为520℃，并保温5min，然后随炉冷却至室温，得到烧结成型的镁钛合金预制体。
74.s03、将s02步骤制得的预制体放入电阻炉中，炉中冲入高纯氩气(纯度≥99.99％)
以形成保护气氛，加热至350℃并保温30min。
75.然后将预制体从电阻炉中取出，放入挤压机中进行热挤压，其中，挤压温度为350℃，挤压比16：1，挤压速率为6mm/s，热挤压完成即制得镁钛合金。
76.将实施例制得的镁钛合金置于扫描电子显微镜下观察，得到如图1所示结果，由图1可知，本实施例制得的镁钛合金晶粒细小，致密度高，因此能够获得更佳的力学性能。
77.实施例2
78.本实施例提供了一种镁钛合金的制备方法，包括如下步骤：
79.s01、将az31粉末和纳米tc4粉末按照质量比为99.5：0.5进行混合，将混合均匀的粉末加入到500ml烧杯中并添加100ml丙酮，然后进行超声分散。超声功率为100w，超声频率为20khz，超声时长为5min。超声结束后放入干燥箱中风干，干燥箱温度为50℃，干燥时间为60mim，制得混合粉末。
80.其中，az31粉末的粒径为55μm，纳米tc4粉末的粒径为60nm。
81.s02、称取s01步骤制得的混合粉末85g置于石墨模具中，并放入放电等离子烧结炉中，抽真空至1
×
10-2
pa以下，进行烧结处理。
82.烧结的升温速率为100℃/min，烧结压力为30mpa，烧结温度为500℃，并保温3min，然后随炉冷却至室温，得到烧结成型的镁钛合金预制体。
83.s03、将s02步骤制得的预制体放入电阻炉中，炉中冲入高纯氩气(纯度≥99.99％)以形成保护气氛，加热至350℃并保温30min。
84.然后将预制体从电阻炉中取出，放入挤压机中进行热挤压，其中，挤压温度为350℃，挤压比16：1，挤压速率为6mm/s，热挤压完成即制得镁钛合金。
85.实施例3
86.本实施例提供了一种镁钛合金的制备方法，包括如下步骤：
87.s01、将az31粉末和纳米tc4粉末按照质量比为98.5：1.5进行混合，将混合均匀的粉末加入到500ml烧杯中并添加100ml丙酮，然后进行超声分散。超声功率为100w，超声频率为20khz，超声时长为15min。超声结束后放入干燥箱中风干，干燥箱温度为50℃，干燥时间为60mim，制得混合粉末。
88.其中，az31粉末的粒径为55μm，纳米tc4粉末的粒径为60nm。
89.s02、称取s01步骤制得的混合粉末95g置于石墨模具中，并放入放电等离子烧结炉中，抽真空至1
×
10-2
pa以下，进行烧结处理。
90.烧结的升温速率为100℃/min，烧结压力为35mpa，烧结温度为550℃，并保温7min，然后随炉冷却至室温，得到烧结成型的镁钛合金预制体。
91.s03、将s02步骤制得的预制体放入电阻炉中，炉中冲入高纯氩气(纯度≥99.99％)以形成保护气氛，加热至350℃并保温30min。
92.然后将预制体从电阻炉中取出，放入挤压机中进行热挤压，其中，挤压温度为350℃，挤压比16：1，挤压速率为6mm/s，热挤压完成即制得镁钛合金。
93.对比例1
94.本对比例提供了一种镁钛合金的制备方法，其步骤与实施例1相似，区别仅在于az31粉末和纳米tc4粉末的质量比为100：0。
95.将本对比例制得的镁钛合金置于扫描电子显微镜下观察，得到如图2所示结果，由
图2可知，与本发明实施例1相比，图2的镁钛合金晶粒较大，致密度差，力学性能较差。
96.对比例2
97.本对比例提供了一种镁钛合金的制备方法，其步骤与实施例1相似，区别仅在于az31粉末和纳米tc4粉末的质量比为100：0，且不包括s03步骤，直接烧结成型镁钛合金。
98.对比例3
99.本对比例提供了一种镁钛合金的制备方法，其步骤与实施例1相似，区别仅在于：不包括s03步骤，直接烧结成型镁钛合金。
100.对比例4
101.本对比例提供了一种镁钛合金的制备方法，其步骤与实施例1相似，区别仅在于：tc4粉末的粒径为1μm。
102.对比例5
103.本对比例提供了一种镁钛合金的制备方法，其步骤与实施例1相似，区别仅在于：az31粉末和纳米tc4粉末的质量比为95：5。
104.对比例6
105.本对比例提供了一种镁钛合金的制备方法，其步骤与实施例1相似，区别仅在于：s02步骤中的烧结温度为480℃。
106.试验例1
107.将实施例1～3和对比例1～6制备得到的镁钛合金进行检测，利用排水法测试镁钛合金的密度，通过金属材料室温拉伸实验方法测试镁钛合金的抗拉强度和延伸率，得到如表1所示结果。
108.表1镁钛合金的性能
[0109][0110][0111]
由表1可知，采用本发明的方法和配方所制备得到的高性能镁钛合金的抗拉强度
和延伸率得到了明显提高，晶粒尺寸得到了明显细化，同时具有较高的致密度。本发明制备的高性能镁钛合金的成分分布均匀，且无更多的缺陷产生，可用于小型精密机器的制备。
[0112]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种镁钛合金的制备方法，其特征在于，包括将镁合金和纳米钛合金混合得到的混合粉末进行放电等离子烧结，再将烧结成型的镁钛合金预制体进行热挤压。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述放电等离子烧结的参数包括：烧结温度为500～560℃，烧结的保温时间为3～10mim，烧结压力为30～50mpa，烧结速率为80～120℃/min；优选地，烧结温度为520～540℃，烧结的保温时间为4～6mim，烧结压力为35～45mpa，烧结速率为90～110℃/min；优选地，烧结温度为530℃，烧结的保温时间为5min，烧结压力为40mpa，烧结速率为100℃/min。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述放电等离子烧结在真空条件下进行，真空度≤1
×
10-2
pa；优选地，所述烧结前还包括将所述混合粉末装入模具中，再进行放电等离子烧结；优选地，每次装入模具的混合粉末的量为80～100g；优选地，所述模具的材质为石墨。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热挤压的参数包括：挤压温度为300～400℃，挤压比为25:1～4:1，挤压速率为4～8mm/s；优选地，挤压温度为340～360℃，挤压比为20:1～12:1，挤压速率为5～7mm/s；优选地，挤压温度为350℃，挤压比为16：1，挤压速率为6mm/s。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在热挤压前还包括将所述预制体置于电阻炉中加热并保温；优选地，所述加热温度为300～400℃，保温时间为15～30min；优选地，所述电阻炉中的气氛为惰性气氛，所述惰性气氛包括氮气或氩气。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述镁合金包括az31、az80m以及az91d中的任一种，所述纳米钛合金包括tc4、tc6以及tc17中的任一种；优选地，所述镁合金为az31，所述纳米钛合金为tc4；优选地，所述az31和tc4的质量比为98.5～99.8：0.2～1.5；优选地，所述镁合金的粒径为30～70μm，所述纳米钛合金的粒径为40～80nm。7.根据权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于，所述混合粉末的制备包括将镁合金和铝合金置于分散溶剂中超声混合，然后干燥制得；优选地，超声的参数包括：超声功率为100～300w，超声频率为10k～20khz，超声时长为5～20min；优选地，超声的参数包括：超声功率为100～150w，超声频率为15k～20khz，超声时长为8～12min；更优选地，超声的参数包括：超声功率为100w，超声频率为20khz，超声时长为10min；优选地，干燥时的干燥箱温度为40～60℃，干燥时间为40～60mim；优选地，所述分散溶剂包括丙酮、乙醇以及甲醇中的任一种。8.一种镁钛合金，其特征在于，由权利要求1～7任一项所述的制备方法制得。9.根据权利要求8所述的镁钛合金，其特征在于，所述镁钛合金的抗拉强度≥285mpa，延伸率≥7.0％，晶粒尺寸为2～6μm。
10.一种如权利要求1～7任一项所述的制备方法制得的所述镁钛合金或如权利要求8或9所述的镁钛合金在机械设备材料领域的应用。

技术总结
本发明公开了一种镁钛合金及其制备方法、应用，涉及合金材料技术领域。包括将镁合金和纳米钛合金混合得到的混合粉末进行放电等离子烧结，再将烧结成型的镁钛合金预制体进行热挤压。通过在镁合金中加入纳米钛合金，配合放电等离子烧结的方法，使得制备出来的镁钛合金具有更为细小均匀的晶粒，达到了抑制晶粒长大，细化晶粒的效果。然后再将烧结得到的预制体进行热挤压，经过热挤压变形的材料组织更加均匀，减少了材料的微观缺陷，提高了镁钛合金的强度。的强度。的强度。


技术研发人员：罗铁钢 韩胜利 冯晓伟 冯波 郑开宏
受保护的技术使用者：广东省科学院新材料研究所
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/8/9