[发明专利]一种含三维网络石墨烯的镁合金增材制造丝材的制备方法和应用

说明书

一种含三维网络石墨烯的镁合金增材制造丝材的制备方法和应用，它涉及镁合金增材制造丝材的制备方法和应用。本发明为了解决镁及镁合金在增材制造过程由于镁合金黏度过低，造成熔池不稳定，从而影响成型能力的问题，首先将镁合金在坩埚中加热，利用原位制备工艺，或搅拌铸造方法在镁合金熔体中产生一定含量的石墨烯，当石墨烯体积分数足够高时，石墨烯在材料内部形成相互交联的三维网络结构。然后对复合材料铸锭进行挤压或拉拔成所需直径的增材制造丝材。本发明的方法是一种工艺简单、成本低廉，可应用于大规模工业化制造的新型镁合金的增材制造丝材。本发明应用于有色金属材料制造领域。

技术领域

本发明涉及有色金属材料制造领域，具体涉及镁合金增材制造用丝材的制备方法和应用。

背景技术

镁合金具有密度低、比强度高，良好的生物相容性等优势，在汽车，航空航天、医用行业有着广泛的应用前景。镁合金在面对复杂形状成型时，由于本身的密排六方晶体结构，室温下可独立开动的滑移系较少，导致镁合金塑形变形能力较差。而增材制造技术能够很好地解决此问题。但是由于镁活泼的化学性质，以及相对高的蒸气压，利用镁粉进行增材制造存在很高的安全事故风险。因此利用丝材进行增材制造是一个很好地选择。但是目前采用合金化的方法很难改变镁合金熔体的流动性，这导致了在增材制造期间熔池的稳定性差，同时镁元素的急剧蒸发。而采用石墨烯在镁合金中形成三维网络，能够有效的解决此问题。因此为了提高镁合金增材制造过程的成型能力，开发出一种新型镁合金增材制造丝材有巨大的实际意义。

发明内容

本发明通过在镁合金中形成三维网络，这种三维网络的存在能够改变镁合金熔体的流动特性，解决增材制造过程中熔池的稳定性差，保证复杂构件增材制造过程中的成型性；同时石墨烯的存在能够有效的限制晶粒长大，提高增材制造材料的机械性能。本发明提供一种能够解决上述问题镁合金增材制造丝材的制备方法，该方法是一种工艺简单、成本低廉，可应用于大规模工业化应用于镁合金增材制造的新型丝材。

本发明的一种含三维网络石墨烯的镁合金增材制造丝材的制备方法，它包括以下步骤：

一、选择镁合金体系，将合金在高于合金熔点30-100℃的温度下加热熔化；

二、镁熔体温度调整到640-700℃范围内，将流速为0.1-5L/min的CO₂气体引入到镁合金熔体中，此过程中保持温度稳定，将二氧化碳转化为石墨烯，并保证石墨烯在镁合金中的含量为1-10wt.％，得半固态复合熔体；

三、将步骤二中反应得到的具有半固态特征的复合熔体进行铸造，得到石墨烯三维连通的复合材料铸锭；

四、将步骤三得到的石墨烯三维连通的复合材料铸锭进行机加工，通过直接挤压或挤压+拉拔变形得到镁合金丝材。

本发明的三维网络石墨烯的镁合金增材制造丝材及其制备方法，所述的含三维网络石墨烯的增材制造丝材是采用上述的方法制备得到的，它用于在镁合金增材制造的原材料。

本发明主要有以下几点优势：

本发明的增材制造的丝材由于石墨烯在镁熔体中原位生成，当石墨烯含量在镁合金中达到逾渗阈值(在胶体学中，当溶液中的纳米相含量低于某一临界值时，溶液表现为溶胶特性，此时有流动性，当超过临界值时将转变为半固态无流动性的凝胶特性)，能够改变熔融态镁的性质，使其由具有高流动状态的液体转变成无流动性的半固态，当利用此种丝材进行3D打印时，能够避免因流动性过大而造成的熔池不稳定，这有助于3D打印过程的成型。同时由于石墨烯的存在，能够有效的抑制熔池凝固过程中的晶粒长大，从而能够获得具备良好机械性能的增材制造构件。除此之外，这种丝材可以利用传统的设备进行批量化生产，有巨大的实际意义。

本发明制备的关键在于必须利用镁热反应原位在镁中制备出具备三维网络的石墨烯网络结构，只有石墨烯含量超过某一特定值时，丝材在进行增材制造时熔池才会因其无流动性而成功成型。

附图说明