[发明专利]一种镁铜复合铸造材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种镁铜复合铸造材料及其制备方法，属于合金材料领域。复合材料包括镁合金和铜合金两个组元，通过铸造冶金结合在一起，界面处形成两种层状组织，靠近铜侧的亚层组织厚度比较薄，大约为10‑50μm，主要为Mg₂Cu相，其上分布一些MgCu枝状相，靠近镁的附近的亚层结构组织大约为100‑200μm，呈均匀网状分布，其主要为Mg‑Mg₂Cu共晶相。本发明的镁铜复合材料，以铜合金棒作为铸芯，镁合金作为熔体浇注于铜芯后通循环水冷却制备，该材料保持铜合金和镁合金一些优良的导电导热性能和轻质高强性能的同时，在镁合金和铜合金之间形成大的电势差，成为电偶腐蚀，从而加速镁合金和铜合金更快地降解。本发明的镁铜复合材料将有望在航空航天、石油冶金等领域得到应用。

技术领域

本发明属于合金材料领域，具体涉及一种镁铜复合铸造材料及其制备方法。

技术背景

镁合金由于其降解速率快，受到了很多研究者的关注，尤其在生物医疗领域，镁合金作为一种可降解生物材料兴起了一股研究热潮。而且，利用镁合金极活泼的化学性质，镁合金可降解材料在一些特定的工程环境中也得到应用，例如石油压裂中的自分解压裂球。

在镁合金中添加一些能降低镁合金抗腐蚀性能的合金元素，从而加快镁合金降解是当前研究的一个主要方向。研究发现，Fe、Ni、Cu的浓度低于0.2％时就明显加速镁合金的腐蚀，Ni、Cu等在镁中的溶解度极小，常与镁形成Mg₂Ni、Mg₂Cu等金属间化合物，降低镁的耐腐蚀性能[Hanawalt J D,Nelson C E,Peloubet J A.Corrosion studies of magnesiumand its alloys.Trans.AIME,147(1942):273-299]。然而，杂质元素在镁合金中的溶解度非常有限，所以形成的金属间化合物虽然能降低其腐蚀性能，但镁合金的腐蚀速率仍是极其有限的。如果将两个电势差很大的合金连接在一起，其低电位的金属其腐蚀速率将大大加快。铜的标准电极电位为+0.34V，远高于镁的标准电极电位-2.37V。将镁和铜连接在一起做一种复合材料，在保证轻质高强的前提下，形成电偶腐蚀，从而大大提高镁合金的腐蚀速率。

对于Mg/Cu复合材料，目前研究还不是很多，而且主要研究其储氢性能。JiahongDai等人研究了Mg-Cu二元系的扩散动力学，在673K、703K和733K保温24-72h观察其固固界面反应，发现在Mg和Cu基体之间生成了两个中间层MgCu₂和Mg₂Cu，且Mg₂Cu中间层比MgCu₂中间层厚得多[Jiahong Dai,Bin Jiang,Jianyue Zhang,Qingshan Yang,Zhongtao Jiang,Hanwu Dong,and Fusheng Pan.Diffusion Kinetics in Mg-Cu Binary System.Journalof Phase Equilibria and Diffusion:36,6(2015)613-619]。Koji Tanaka等人通过20道次累积轧制制造出了一种Mg/Cu超级薄板的储氢材料[Koji Tanaka,Daiji Nishino,Kousei Hayashi,Shuki Ikeuchi,Ryota Kondo,Hiroyuki T.Takeshita.Formation ofMg2Cu at low temperature in Mg/Cu super-laminate composites during initialhydrogenation.International Journal of Hydrogen Energy:(2017)1-9]。但是由于Cu比Mg的延展性优异很多，轧制过程中极易造成开裂，每次的压下量必须严格控制，而且轧制道次太多，工艺繁琐。所以，本研究采用一种新型的固液复合铸造法，将铜作为铸芯，镁作为熔化基体，制造一种Mg/Cu铸造复合材料，使其材料既能达到轻质高强，同时还能够在电解质的环境中快速分解。这对于在一些前期需要一定结构强度，后期需要快速降解的工程领域具有重要应用价值。

发明内容