镁基复合材料制备方法的研究进展

镁基复合材料制备方法的研究进展＊

陈　可

（南京农业大学工学院，南京２１００３１）

摘要 综述了近年来国内外镁基复合材料制备方法的研究进展。分类阐述了各种外加增强体法与原位自生法

的原理、适用体系、工艺特点与研究现状；对比了各种制备方法的优缺点，并提出了镁基复合材料制备研发存在的问题，

分析了其发展趋势。

关键词 镁基复合材料　外加增强体制备法　原位自生法

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｎ　Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ　Ｍａｔｒｉｘ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ

ＣＨＥＮ　Ｋｅ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００３１）

Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ　ｏｎ　ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍａｇｎｅｓｉｕｍ　ｍａｔｒｉｘ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ　ａｒｅ　ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｘ－ｔｅｒｎａｌ　ａｄｄｉｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｎｄ　ｉｎ－ｓｉｔｕ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｒｅ　ｃｌａｓｓｉｆｉｅｄ　ｔｏ　ｅｌａｂｏｒａｔｉｎｇ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，ａｐ－

ｐｌｉｅｄ　ｓｙｓｔｅｍｓ，ｐｒｏｃｅｓｓ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｅｒｉｔｓ　ａｎｄ

ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅｓｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｎｅｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　ｒｅｓｏｌｖｅｄ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄｓ　ｏｆ　ｍａｇｎｅｓｉｕｍ　ｍａ－ｔｒｉｘ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　ｈａｖｅ　ｂｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ Ｍｇ　ｍａｔｒｉｘ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ｅｘｔｅｒｎａｌ　ａｄｄｉｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ｉｎ－ｓｉｔｕ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ｍｅｔｈｏｄｓ

　＊南京农业大学青年科技创新基金（ＫＪ２０１００３０）

　陈可：女，博士，从事金属材料及金属基复合材料研究　Ｔｅｌ：０２５－５８６０６５８０　Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｋｙｆ＠ｎｊａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ０　引言

镁基轻质材料作为最轻的工程结构材料，对于节能环保

及人类的可持续发展具有重要的应用价值，其具有密度低、

比强度高、阻尼减震性好、电磁屏蔽性好以及绿色环保等优

点，可应用于交通工具、航空航天、通讯电子等领域［１，２］。其

中，镁基复合材料具备镁合金的一系列优点，并克服了镁合

金的一些缺点，比强度、比刚度更高，耐磨性能、抗拉强度、高

温强度和阻尼减振性能较好。因此，镁基复合材料的开发成

为工程材料研究的热点与重点［２－７］。

相比于其他金属基复合材料，镁基复合材料的研发历史

较短。传统的复合材料制备技术基本上可适用于镁基复合

材料。镁化学性质活泼，制备环境要求真空或者惰性气体保

护以防止氧化，而这一特性也发展出一些独特的新型制备方

法，并且这些方法也在不断地创新完善中。其制备方法通常

可分为外加增强体法和原位自生增强体法两类。

１　外加增强体法

外加增强体法可制备颗粒、晶须及长纤维增强的多种镁

基复合材料，主要包括搅拌铸造、挤压铸造、粉末冶金、熔体

浸渗等，其中大部分是比较传统的制备方法。

１．１　搅拌铸造法（Ｓｔｉｒ　ｃａｓｔｉｎｇ）

搅拌铸造是最常用的制备复合材料的方法，它通过搅拌

在液态金属中产生涡流，引入增强颗粒并使其均匀分布。根据铸造时金属形态的不同可分为全液态搅拌铸造、半固态搅

拌铸造和搅熔铸造３种，并且常与其他方法相结合来制备复

合材料。２００６年Ｈｕ等［３］采用熔体浸渗＋半固态搅拌挤出

法制备了２０％（体积分数）ＳｉＣｗ／ＺＫ５１Ａ复合材料，并检测了

其微观组织和力学性能。结果显示半固态挤出的复合材料

中，ＳｉＣ晶须排列整齐，并且清除了铸造缺陷，ＳｉＣ晶须的损

坏明显降低，获得了更好的晶须增强效果，弹性模量、σ０．２、抗

拉强度均较高。

按搅拌发生机理，搅拌铸造又可分为机械搅拌、电磁搅

拌、高能超声搅拌等。２００７年印度的Ｐｏｄｄａｒ等［４］通过机械

搅拌法铸造了１５％（体积分数）ＳｉＣ颗粒（尺寸为１５μｍ及

１５０μｍ）增强ＡＺ９１Ｄ基体的复合材料。研究显示，材料中

ＳｉＣ分布均匀，基体晶粒平均尺寸因ＳｉＣ的加入变小，并且随

着ＳｉＣ颗粒尺寸的减小而减小；与基体合金相比，复合材料

的硬度和弹性模量均有所增加，抗拉强度及延伸率降低。

机械搅拌铸造法因工艺简单、成本低，对熔体及增强颗

粒的种类几乎没有限制而具有广泛的适应性。

１．２　挤压铸造法（Ｓｑｕｅｅｚｅ　ｃａｓｔｉｎｇ）

挤压铸造法是目前制备非连续增强金属基复合材料较

成功的方法，其原理是通过压力将熔融的镁合金渗入到陶瓷

纤维中并充型成形。２００４年韩国的Ｐａｒｋ等［５］采用挤压铸造

法制备了陶瓷短纤维Ａｌ２Ｏ３及Ｓｉ／ＳｉＣｐ颗粒混杂增强的

ＡＺ９１基复合材料，得到的材料增强体分布均匀、几乎无铸造

缺陷，且强度和耐磨性提高。２０１２年，Ｊｉａｎｇｕｏ　Ｌｉ等［６］采用挤·８７３·材料导报 ２０１２年１１月第２６卷专辑２０压铸造法制备出Ｍｇ２Ｂ２Ｏ５ｗ／ＡＺ９１Ｄ与（Ｍｇ２Ｂ２Ｏ５ｗ＋Ｂ４Ｃｐ）／

ＡＺ９１Ｄ混杂复合材料，研究发现Ｍｇ２Ｂ２Ｏ５晶须与Ｂ４Ｃ颗粒

提高了材料的抗弯性能，这是由于增强相与基体的结合良好

所致。

１．３　熔体浸渗法（Ｍｅｌｔ　ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）

熔体浸渗法又称液态浸渗法（Ｌｉｑｕｉｄ　ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ），包括

压力浸渗、无压浸渗和负压浸渗。压力浸渗是利用压力媒介

将金属熔体浸渍渗透进多孔的陶瓷预制块中；无压浸渗是在

保护气氛下不需压力合金熔体就能良好地浸透陶瓷粉末预

制块；负压浸渗是造成真空、产生负压实现熔融镁合金对陶

瓷颗粒预制块的浸渗。２００２年Ｘｉｅ等［７］采用液态金属浸渗

法制备了木材陶瓷（ＷＣＭ）／ＺＫ６０Ａ复合材料。结果显示，

ＺＫ６０Ａ镁合金液浸渗入了绝大部分的预制坯空隙中，复合材

料具有明显的３Ｄ贯通网格结构，复合材料的强度和杨氏弹

性模量较基体大大提高，在试验温度范围内的阻尼值也有所

提高。２００４年斯洛文尼亚的Ｋｅｖｏｒｋｉｊａｎ［８］采用无压、低压

（过压０．３ＭＰａ）、中压（过压０．８ＭＰａ）浸渗法制备了ＡＺ８０／

ＳｉＣ复合材料，制得的复合材料微观组织均匀、力学性能良

好。

１．４　粉末冶金法（Ｐｏｗｄｅｒ　ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ）

粉末冶金法简称ＰＭ，是最早开发用于制备颗粒增强金

属基复合材料的工艺方法之一。粉末冶金法是把均匀混合

的陶瓷颗粒或者增强纤维与镁合金粉末进行机械混合以后

压制，加热至合金两相区进行烧结，使之聚集一体形成复合

材料的方法。２０１１年张敏等［９］用浆料－粉末冶金法制备出羟

基磷灰石晶须／镁金属基复合材料（ＨＡＷ／Ｍｇ），其中晶须分

散性良好，并且不会加剧Ｍｇ在烧结过程中的氧化。唐炜

等［１０］采用粉末冶金和热压烧结的方法制备出以ＭｇＯ陶瓷

粉末为增强相的镁基生物复合材料，用ＸＲＤ和ＳＥＭ表征其

显微组织结构并测试其性能，结果表明，ＭｇＯ在镁基体中的

均匀连续分布，可以提高复合材料的耐腐蚀性能。

粉末冶金法制备镁基复合材料的优点是制备过程中基

体镁合金不必全熔，避免了镁合金强烈氧化、基体与增强物

界面反应过量等问题，并且增强体颗粒分布均匀，使镁基复

合材料具有更好的综合性能。

１．５　喷射沉积法（Ｓｐｒａｙ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）

喷射沉积法最初是由Ｓｉｎｇｅｒ开发并由Ｏｓｐｒｅｙ　Ｍｅｔａｌ公

司投入生产应用的，所以又称ＯｓｐｒｅｙＴＭ沉积技术。该工艺

首先是在雾化器内将陶瓷颗粒与金属熔体相混合，随后被雾

化喷射到水冷基底上，形成激冷复合颗粒，经固结后制成大

块镁基复合材料。２００８年Ｃｈａｎｇ等［１１］采用喷射成型制备了

厚１２ｍｍ、质量５１０ｇ的Ｍｇ－Ｃｕ－Ｇｄ层状复合材料板。喷射

沉积法制备的复合材料颗粒在基体中分布均匀，凝固迅速，

无界面反应。

１．６　薄膜冶金法（Ｆｏｉｌ　ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ）

薄膜冶金法是一种表面处理方法。首先制备镁基体薄

膜，一般是将基体合金多次冷压变形和低温均匀化退火或低

温热轧后制成薄膜，然后在薄膜表面涂覆一层增强体，最后

把薄膜重叠进行挤压变形和热处理，使增强体和基体紧密结合在一起形成镁基复合材料。１９９０年Ｇｏｎｚａｌｅｚ等［１２］用该法制备了Ｍｇ－９Ｌｉ－５Ｂ４Ｃ复合材料。该法的特点是整个制备过

程温度不超过２３０℃，增强体与基体之间几乎没有高温界面

反应，而且工艺中的冷变形和回复再结晶过程使得组织晶粒

细化、塑性较大提高，甚至可获得超塑性。但增强体与基体

之间的界面结合强度很低，主要是机械粘合，并且成本高，因

此进一步的研发很少。

２　原位反应合成法（Ｉｎ－ｓｉｔｕ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ）

原位反应合成法又称原位内生法或原位自生法，这种较

新的制备方法与传统外加方法的区别在于：增强颗粒不是外

加的，而是在制备过程中合金元素之间或与化合物之间发生

化学反应，生成一种或几种增强相；然后通过成型方法获得

原位反应产物增强的金属基复合材料。镁基体的活泼化学

性质正有利于这种方法的应用。

由于增强颗粒在基体内原位生成，省去了增强颗粒单独

合成和预处理工序，避免了颗粒表面的污染，改善了增强体

与基体的润湿性；增强体与基体近似处于平衡稳定状态，增

强体与基体界面结合良好，而且可以更好地控制原位生成的

增强颗粒的形貌［１３，１４］。

２．１　反应铸造法（Ｒｅａｃｔｉｏｎ　ｃａｓｔｉｎｇ）

反应铸造法是在一定成分的液态合金中，利用合金液的

高温发生充分的化学反应生成高性能增强相，然后通过铸造

成型获得金属基复合材料。２００５年卢庆亮等［１５］通过液态原位反应合成制备ＭｇＯ／Ｍｇ２Ｓｉ增强的Ｍｇ－Ｌｉ基复合材料，并

对增强相形态及界面结构进行了观察。结果表明，复合材料

中增强粒子与基体界面结合良好；ＭｇＯ与基体α相、β相存

在一定的晶体学位相关系。

反应铸造工艺简便、成本低，现在有相当大一部分的金

属基复合材料是使用这种方法制备的。

２．２　反应烧结法（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）

反应烧结法即将金属粉末与陶瓷或其他反应原料混合，

压制成反应坯，然后在高温下进行烧结使其反应生成增强

体。２００５年香港大学的Ｄｅｎｇ等［１６］制备了ＭｇＯ陶瓷相与

Ｍｇ－Ｚｎ金属间化合物增强的镁基复合材料：将Ｍｇ与ＺｎＯ的

粉末制成型坯，然后在低于Ｍｇ的熔点温度下烧结。并且他

们基于体系中各反应的吉布斯自由能，提出了这种复合材料

形成的模型，但是他们的研究实际应用价值不大，因为增强

Ｍｇ合金的Ｍｇ－Ｚｎ化合物可以通过经济方便的传统熔炼铸

造方法获得。２００８年江苏大学的Ｙａｎｇ等［１７］采用反应烧结制备了Ｍｇ－Ａｌ－Ｔｉ合金，即Ａｌ３Ｔｉ／Ｍｇ复合材料。首先采用

Ｍｉｅｄｅｍａ模型进行热力学分析，预测了Ａｌ３Ｔｉ是Ｍｇ－Ａｌ－Ｔｉ体系中的主要平衡相，然后进行烧结反应，原位生成２～４μｍ的Ａｌ３Ｔｉ颗粒，复合材料基体与颗粒之间的结合良好，材料

的硬度、抗压强度、耐磨性较纯镁或ＡＺ３１合金大大提高。

反应烧结法工艺简单，易于实现，但是制备的复合材料

中可能存在一些孔隙，不利于最终成型。

２．３　自蔓延高温合成法（Ｓｅｌｆ－ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ　ｈｉｇｈ－ｔｅｍ－