颗粒增强镁基复合材料概述

0 颗粒增强镁基复合材料 颗粒增强金属基复合材料由于制备工艺简单、成本较低微观组织均匀、材料性能各向同性且可以采用传统的金属加工工艺进行二次加工等优点，已经成为金属基复合材料领域最重要的研究方向。颗粒增强金属基复合材料的主要基体有铝、镁钛、铜和铁等，其中铝基复合材料发展最快；而镁的密度更低，有更高的比强度、比刚度，而且具有良好的阻尼性能和电磁屏蔽等性能，镁基复合材料正成为继铝基之后的又一具有竞争力的轻金属基复合材料。镁基复合材料因其密度小，且比镁合金具有更高的比强度、比刚度、耐磨性和耐高温性能，受到航空航天、汽车、机械及电子等高技术领域的重视。颗粒增强镁基复合材料与连续纤维增强、非连续 (短纤维、晶须等)纤维增强镁基复合材料相比，具有力学性能呈各向同性、制备工艺简单、增强体价格低廉、易成型、易机械加工等特点，是目前最有可能实现低成本、规模化商业生产的镁基复合材料。 一、制备方法 1、粉末冶金法 粉末冶金法是把微细纯净的镁合金粉末和增颗粒均匀混合后在模具中冷压，然后在真空中将合体加热至合金两相区进行热压，最后加工成型得复合材料的方法。 粉末冶金的特点：可控制增颗粒的体积分数，增强体在基体中分布均匀；制备温度较低，一般不会发生过量的界面反应。该法工艺设备较复杂，成本较高，不易制备形状复杂的零件。 2、熔体浸渗法 熔体浸渗法包括压力浸渗、无压浸渗和负压浸渗。 压力浸渗是先将增强颗粒做成预制件，加入液态镁合金后加压使熔融的镁合金浸渗到预制件中，制成复合材料采用高压浸渗，可克服增强颗粒与基体的不润湿情况，气孔、疏松等铸造缺陷也可以得到很好的弥补。 无压浸渗是指熔的镁合金在惰性气体的保护下，不施加任何压力对增强颗粒预制件进行浸渗。该工艺设备简单、成本低，但预制件的制备费用较高，因此不利于大规模生产。增强颗粒与基体的润湿性是无压浸渗技术的关键。 负压浸渗是通过预制件造成真空的负压环境使熔融的镁合金渗入到预制件 1

中。由负压浸渗制备的SiC／Mg颗粒在基体中分布均匀。 3、全液态搅拌法 全液态搅拌法是在保护气氛下，将增强颗粒加入熔融的镁合金基体中，再进行机械搅拌，最后浇铸成型。 此方法设备以及工序简单，成本也较低，但在搅拌的过程中容易产生气孔，另外由于增强颗粒与基体的密度不同易发生颗粒沉积和团聚的现象：铸锭凝固后可以进行热挤压，可以改善基体和增强颗粒间的界面完整性以及增强相在基体中的均匀分布，并且在挤压的过程中发生了动态再结晶，复合材料发生了明显的晶粒细化现象。 4、半固态搅熔铸造法 半固态搅熔铸造法是指将增强颗粒加入由机械搅拌的半固态基体中，待混合均匀后升至熔点温度浇铸，凝固后得到镁基复合材料的方法。此方法可以避免全液态搅拌法易产生气孔和发生颗粒沉积及团聚的现象。该工艺较有利于大规模工业生产。 5、喷射沉积法 此工艺首先用高压的惰性气体流将液态镁合金雾化，形成熔融状态的镁合金喷射流，同时将增强颗粒喷入镁合金喷射流中，使颗粒和基体的混合体沉积到衬底上，凝固后得到镁基复合材料：该工艺所制备的复合材料颗粒在基体中分布均匀、凝固快、界面反应较少。 二、镁基复合材料常用的基体镁合金和颗粒增强体 1、常用的基体镁合金 镁基复合材料要求基体组织细小、均匀，基体合金使用性能良好．根据镁基复合材料的使用性能，基体镁合金主要有镁铝锌系(A731、AZ61、AZ91)、镁锌锆系、镁锂系、镁锌铜系(ZC71)镁锰系、镁稀土锆系、镁钍锆系和镁钕银系等。纯镁的强度较低，不适合作为基体，一般需要添加合金元素以合金化。主要合金元素有 A1、Mn、Zn、Li、AS、Zr、Th、Ni和稀土元素等。这些合金元素在镁合金中具有固溶强化、沉淀强化和细晶强化等作用。 2、常用的颗粒增强体 根据镁基复合材料的使用性能、基体镁合金的种类和成分来选择所需的颗粒 2

增强体．要求增强体与基体物理、化学相容性好，应尽量避免增强体与基体合金之间的有害界面反应，并使其与基体润湿性良好，载荷承受能力强等。取适当的工艺措施使颗粒在基体内分布均匀，减少颗粒间的团聚，以改善材料受载时内部的应力分布，也保证复合材料具有良好性能的关键之一。 （1）碳化物 SiC颗粒 SiC的硬度高，耐磨性能好，并具有抗热冲击、抗氧化等性能。镁没有稳定的碳化物，SiC在镁中热力学上是稳定的，因此，SiC常用作镁基复合材料的增强相，并且来源广泛，价格便宜，用其作为增强颗粒制备镁基复合材料具有工业化生产前景。 B4C颗粒 B4C为菱面体站构，高熔点、高硬度，硬度仅次于金刚石与立方氮化硼，热膨胀系数相当低，价格也较便宜。B4C颗粒增强镁基复台材料的制备方法有挤压铸造法、粉末冶金法、压力浸渗法、和只适用于Mg—Li基体台金的箔冶金扩散焊接法。B4C颗粒增强镁基复合材料具有很大的应用潜力。 TiC颗粒 TiC为面心立方晶格，具有高熔点、高硬度及高温稳定性好等优点。TiC与镁的润湿性好于与铝的润湿性。且不和镁发生界面反应。因此，TiC是作为镁的增强相的较佳选择。制备方法有搅拌铸造法、机械合金化、中问台金法和高温自蔓延法等。 （2）硼化物 TiB2颗粒 TiB2是一种新型的工业陶瓷原料。具有硬度大，耐磨损，耐酸碱，导电性与稳定性好等优异特性，TiB2／Al复合材料得到了广泛的研究。TiB2晶格排列方式与镁的排列方式极其相似，均为密排六方结构。因此，作为增强相来说，TiB2在与镁的结合上有很大的有利之处。 TiB颗粒 TiB具有高硬度、高熔点、良好的导电性、抗熔融腐蚀性等，是作为镁基复合材料增强相的较佳选择。但是，遗憾的是对于TiB颗粒增强镁基复合材料的研究报道很少。有关TiB颗粒增强镁基复合材料的研究还应继续开展。 （3）氧化物颗粒 氧化物弥散强化机制日益受到研究者的重视，过去研究者只限于制备小体积分数的MgO增强镁基复合材料，现在已有研究者制备出大体积分数MgO增强镁基复台材料。采用熔体浸渗法制备出30vo1％Y2O3／Mg复合材料，微观组织 3

分析表明：Y2O3在基体中分布均匀，颗粒细小，并且力学性能得到很大的提高。 （4）金属间化合物 Mg2Si具有低的密度、高的硬度、高的屈服强度、低的热膨胀系数和相对较高的熔点一般采用原位内生法制备Mg2Si颗粒增强镁基复合材料。制备方法包括机械合金化法、快速凝固法、铸造法和热挤压法等。 与镁合金相比，Mg2Si具有较高的熔点和较好的抗高温氧化能力。Mg2Si颗粒增强镁基复合材料可能替代镁合金作耐热结构材料，但由于Mg2Si较脆，因而又限制了该复合材料的应用。 三．组织和性能 1、增强颗粒对基体组织结构的影响 颗粒增强镁基复合材料的晶粒与基体相比发生了明显的细化现象。颗粒对基体的细化机制可能是初生α-Mg相在颗粒表面非匀质形核及颗粒阻止α-Mg相生长共同作用的结果。在相同的体积分数的颗粒下，颗粒越细，则能满足α-Mg相非匀质形核所要求的界面特征、错配度和温度条件，可成为初生α-Mg相形核衬底的颗粒数量就越多，从而对基体的细化作用也越强。由于增强颗粒与基体在力学和热力学上的不匹配，将会在界面及近界面处产生热错配残余应力，引起基体发生塑性流变，在基体中形成了高密度的位错。 2、颗粒增强镁合金的力学性能 目前普遍认为，颗粒增强复合材料强化机制主要有以下几点：由于基体与增强体热膨胀系数不同导致材料内产生热残余应力以及由于热残余应力释放导致基体中产生高密度位错；增强体的加入对基体变形的约束以及对基体中位错运动的阻碍产生了强化；基体向增强体的载荷传递以及晶粒细化强化等。 然而由于材料的强度、韧性和断裂等力学性能与材料的原位特性有关 ，对材料中的界面、缺陷等局部缺陷很敏感，属高阶性能，往往出现协同效应，即当几个因素同时在材料中起作用时，材料的某些特性可能发生急剧变化。因此，不能简单认为复合材料的高强度是上述强化因素简单的叠加效应。 一般来说，加入增强颗粒后材料的硬度、屈服强度和抗拉强度提高，而伸长率则有所下降。如以陶瓷颗粒作为增强体，可以获得更高的硬度、屈服强度和抗拉强度，但伸长率下降较快；而以金属颗粒作为增强体，可获得较好的塑性，这 4

主要是因为金属颗粒本身具有较好的塑性，而且与基体镁的相容性良好。与强度等力学性能相比，弹性模量属于低阶性能，对材料中的界面、缺陷等不敏感。按照简单的混合定律，由于所加入的陶瓷或金属颗粒增强体的弹性模量都远高于镁基体，因此所得到的镁基复合材料的弹性模量均高于基体镁或镁合金。增强体的弹性模量越大，复合材料的弹性模量也越大，而且伴随着增强体体积分数的增大，上述趋势愈加明显。 3、颗粒增强镁合金的阻尼性能 阻尼性能通常又称为减振性能，是一个由时间决定的与弹性相关的物理性能，通常用内耗值Q来表征。在所有的金属结构材料中，镁的阻尼性能最好，因此，采用高阻尼镁合金为基体，选择合适的增强体，通过合理的设计，可望使复合材料最大Q值达到0.01以上，获得高阻尼、高强度和低密度的减振材料。 4、耐磨性能 镁合金基体中分布着强度、硬度都较高的陶瓷增强体时，增强颗粒在磨损过程中将起到支撑载荷的作用，减少镁合金基体的粘着磨损，使镁基复合材料具有优良的耐磨性。 四、颗粒增强镁基复合材料的发展趋势 1. 由于在金属基体内原位生成的高硬度高弹性模量的陶瓷颗粒增强相具有表面无污染与基体相容性良好，界面结合强度高等传统复合工艺无法比拟的优点，因此，借鉴目前原位内生颗粒增强铝基复合材料较成熟的制备技术，探索高性能、低成本、容易大规模生产的原位颗粒内生半固态镁基复合材料制备技术将成为研究热点之一; 2. 颗粒增强镁基复合材料热力学及动力学的计算机模拟技术将成为研究热点之一; 3. 控制陶瓷颗粒增强相与镁合金基体的界面行为以获得界面结合良好的镁基复合材料 ; 4. 在汽车工业中，镁压铸件的加工、循环再生和铸造方面有很大的技术优势，而且用镁可以代替汽车上的特种塑料，因此，颗粒增强镁基复合材料在汽车工业具有潜在的应用前景和广阔的市场。