镁基复合材料的研究发展现状与展望

——颗粒增强镁基复合材料课程名称：金属基复合材料学生姓名：学号:班级：日期：2010/12/26——颗粒增强镁基复合材料摘要：镁基复合材料具有很高的比强度、比刚度以及优良的阻尼减震性能，是汽车制造、航空航天等领域的理想材料之一。

本文综述了颗粒增强镁基复合材料的研究概况，镁基复合材料常用的基体合金和常用的增强相。

着重介绍了其制备方法、力学以及阻尼性能，并对它的发展趋势进行了展望。

关键词：镁基复合材料；制备方法；基体镁合金；颗粒增强体；性能1.前言与传统的金属材料相比，金属基复合材料具有高的比强度、比刚度、耐高温、耐磨损耐疲劳、热膨胀系数小、化学稳定性和尺寸稳定性好等优异性能。

金属基复合材料的增强体主要有长纤维、短纤维、颗粒和晶须等，其中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，正在向工业规模化生产和应用发展。

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；由于镁的密度更低(1.74 g／cm3)，仅为铝的2／3，具有更高的比强度、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．自20世纪8O年代至现在，镁基复合材料已成为金属基复合材料的研究热点之一。

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、易近终成型、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。

2．制备方法2．1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。

2.2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中。

由负压浸渗制备的SiC／Mg颗粒在基体中分布均匀。

2.3全液态搅拌法在保护气氛下，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。

2.4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。

2.5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。

3.镁基复合材料常用的基体镁合金和颗粒增强体3.1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，对侧重铸造性能的镁基复合材料可选择不含Zr的铸造镁合金为基体；侧重挤压性能的则一般选用变形镁合金。

这些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，添加少量AI、Mn、Zn、Zr、Be等可以提高强度；Mn可提高耐蚀性；Zr可细化晶粒和提高抗热裂倾向；稀土元素除具有类似zr的作用外，还可以改善铸造性能、焊接性能、耐热性以及消除应力腐蚀倾向；Li除可在很大程度上降低复合材料的密度外，还可以大大改善基体镁合金的塑性。

3.2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．采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，是保证复合材料具有良好性能的关键之一。

制备方法可分为外加颗粒和原位内生颗粒法两种。

外加颗粒法制备镁基复合材料的优点是工艺简单，但易造成颗粒表面的污染，基体和颗粒表面润湿困难，导致界面强度的降低。

原位内生法是增强颗粒在金属基体中通过原位反应形成的，因而热力学上稳定，颗粒表面无污染，增强体与基体润湿性良好故界面结合强度高。

原位增强体颗粒细小(通常为亚微米至微米级)，因而与外加颗粒(通常为几十个微米)法相比，原位颗粒增强作用更显著。

但原位反应法的缺点是反应过程往往不彻底，反应过程中的中间相(亚稳相)有时会作为有害相残留在基体中(如Mg—Al—Ti—C体系中会生成脆性相TiAl3)。

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。

SiC具有α－SiC、β－SiC两种晶体结构，α－SiC为密排六方结构，但α－SiC有许多变体结构(即c值不同)，β－SiC为面心立方结构。

SiC颗粒增强镁基复合材料是目前研究最多的镁基复合材料之一，其制备方式主要是外加方式。

常用的制备方法除搅拌铸造法外，还有挤压铸造法、粉末冶金法、喷射沉积法、复合铸造法以及机械合金化法。

其中搅拌铸造法是制备SiC 颗粒增强镁基复合材料的一种典型工艺，已有几家公司采用搅拌铸造法成功地开发出SiC颗粒增强镁基复合材料。

1986年美国Dow Chemical公司采用搅拌铸造法制备出SiC P／AZ91，并制备出皮带轮等样品零件。

其优异的性能引起人们的普遍关注。

而挤压铸造法是目前制备颗粒增强镁基复合材料最成功的工艺之一。

其中，预制块中增强体的分布，预制块和模具的预热温度，浸渗压力大小均对复合材料的微观结构和性能有重要影响。

表1给出的是采用搅拌铸造法制备的铸态AZ91和铸态AZ91+10 vo1．％SiC 颗粒增强镁基复合材料的常温力学性能。

从表1可以看出与基体合金相比，复合材料的抗拉强度、延伸率下降，但弹性模量、屈服强度提高。

复合材料抗拉强度减小是因为铸态复合材料颗粒团聚，并带有一定量的气孔。

在拉应力作用下此处优先形成微裂纹，从而使强度降低。

表 1 铸态 AZ91、铸态 SiC／Mg复合材料的室温性能表 2给出的是采用挤压铸造法制备的铸态AZ91和 AZ91+20 vo1．％SiC镁基复合材料的力学性能。

由表2可以看出，小颗粒(15μm)增强的复合材料的屈服强度和抗拉强度均比大颗粒(52μm)增强的复合材料要好。

这是因为当体积分数相同时，增强相颗粒越小，粒子间距就越小。

表 2 挤压铸造法制备的AZ91、SiC／Mg复合材料的室温性能镁对 SiC具有良好的润湿性，并且SiC／Mg复合材料界面光滑，无界面反应。

P采用铸造法制备颗粒增强镁基复合材料时，凝固过程对界面微观结构有着很大的影响，进而影响到复合材料的性能。

然而到目前为止，关于颗粒增强镁基复合材料的凝固过程，尤其是关于形核过程的研究较少。

镁不易形成稳定的碳化物，所以碳化物陶瓷颗粒在纯镁中是稳定的。

然而，在含有铝的镁合金(如AZ91)中。

如果接触时间足够长，则会在这镁合金中发生反应形成碳化物。

如 SiC与Al会发生如下反应：4Al+3SiC→Al4C3+3Si该反应生成的Al4C3溶于水，因而降低镁基复合材料的耐蚀-性能。

Al4C3的形成同时伴随Si的析出(与镁反应生成 Mg2Si)，这就改变了基体合金的化学成分。

尽管 SiC颗粒增强镁基复合材料的研究很多，但多集中于制备方法、组织和性能。

关于基础理论的研究较少。

应进一步开展对SiC颗粒增强镁基复合材料的凝固理论研究。

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，是密度最低的陶瓷材料，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。

TiC颗粒增强镁基复合材料的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。

镁的晶格常数为a＝0.320936nm，c=0.52112nm，c／a =1．6238；TiB2的晶格常数为a＝0.303034nm，c =0.322953nm,c／a =1．066。

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增强镁基复台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。