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镁基复合材料的研究应用发展现状与展望
镁基复合材料研究发呈现状与展望
——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：
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班级：
日期：
/12/26
镁基复合材料研究发呈现状与展望
——颗粒增强镁基复合材料
摘要：
镁基复合材料具备很高比强度、比刚度以及优良阻尼减震性能，是汽车制造、航空航天等领域抱负材料之一。
本文综述了颗粒增强镁基复合材料研究概况，镁基复合材料惯用基体合金和惯用增强相。
着重简介了其制备办法、力学以及阻尼性能，并对它发展趋势进行了展望。
核心词：
镁基复合材料；制备办法；基体镁合金；颗粒增强体；性能
1.前言
与老式金属材料相比，金属基复合材料具备高比强度、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秀性能。
金属基复合材料增强体重要有长纤维、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朴、成本较低微观组织均匀、材料性能各向同性且可以采用老式金属加工工艺进行二次加工等长处，已经成为金属基复合材料领域最重要研究方向，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重要基体有铝、镁钛、铜和铁等，其中铝基复合材料发展最快；由于镁密度更低（1.74g／cm3），仅为铝2／3，具备更高比强度、比刚度，并且具备良好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又一具备竞争力轻金属基复合材料。
镁基复合材料因其密度小，且比镁合金具备更高比强度、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注重．自20世纪8O年代至当前，镁基复合材料已成为金属基复合材料研究热点之一。
颗粒增强镁基复合材料与持续纤维增强、非持续（短纤维、晶须等）纤维增强镁基复合材料相比，具备力学性能呈各向同性、制备工艺简朴、增强体价格低廉、易近终成型、易机械加工等特点，是当前最有也许实现低成本、规模化商业生产镁基复合材料。
2．制备办法
2．1粉末冶金法
粉末冶金法是把微细纯净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办法。
粉末冶金特点：
可控制增颗粒体积分数，增强体在基体中分布均匀；制备温度较低，普通不会发生过量界面反映。
该法工艺设备较复杂，成本较高，不易制备形状复杂零件。
2.2熔体浸渗法
涉及压力浸渗、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不润湿状况，气孔、疏松等锻造缺陷也可以得到较好弥补。
无压浸渗是指熔镁合金在惰性气体保护下，不施加任何压力对增强颗粒预制件进行浸渗。
该工艺设备简朴、成本低，但预制件制备费用较高，因而不利于大规模生产。
增强颗粒与基体润湿性是无压浸渗技术核心。
负压浸渗是通过预制件导致真空负压环境使熔融镁合金渗入到预制件中。
由负压浸渗制备SiC／Mg颗粒在基体中分布均匀。
2.3全液态搅拌法
在保护氛围下，将增强颗粒加入熔融镁合金基体中，再进行机械搅拌，最后浇铸成型。
此办法设备以及工序简朴，成本也较低，但在搅拌过程中容易产气愤孔，此外由于增强颗粒与基体密度不同易发生颗粒沉积和团聚现象：
铸锭凝固后可以进行热挤压，可以改进基体和增强颗粒间界面完整性以及增强相在基体中均匀分布，并且在挤压过程中发生了动态再结晶，复合材料发生了明显晶粒细化现象。
2.4半固态搅熔锻造法
半固态搅熔锻造法是指将增强颗粒加入由机械搅拌半固态基体中，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办法。
此办法可以避免全液态搅拌法易产气愤孔和发生颗粒沉积及团聚现象。
该工艺较有助于大规模工业生产。
2.5喷射沉积法
此工艺一方面用高压惰性气体流将液态镁合金雾化，形成熔融状态镁合金喷射流，同步将增强颗粒喷入镁合金喷射流中，使颗粒和基体混合体沉积到衬底上，凝固后得到镁基复合材料：
该工艺所制备复合材料颗粒在基体中分布均匀、凝固快、界面反映较少。
3.镁基复合材料惯用基体镁合金和颗粒增强体
3.1惯用基体镁合金
镁基复合材料规定基体组织细小、均匀，基体合金使用性能良好．依照镁基复合材料使用性能，对侧重锻造性能镁基复合材料可选取不含Zr锻造镁合金为基体；侧重挤压性能则普通选用变形镁合金。
这些基体镁合金重要有镁铝锌系（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。
纯镁强度较低，不适合伙为基体，普通需要添加合金元素以合金化。
重要合金元素有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备固溶强化、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；稀土元素除具备类似zr作用外，还可以改进锻造性能、焊接性能、耐热性以及消除应力腐蚀倾向；Li除可在很大限度上减少复合材料密度外，还可以大大改进基体镁合金塑性。
3.2惯用颗粒增强体
依照镁基复合材料使用性能、基体镁合金种类和成分来选取所需颗粒增强体．规定增强体与基体物理、化学相容性好，应尽量避免增强体与基体合金之间有害界面反映，并使其与基体润湿性良好，载荷承受能力强等．采用恰当工艺办法使颗粒在基体内分布均匀，减少颗粒间团聚，以改进材料受载时内部应力分布，是保证复合材料具备良好性能核心之一。
制备办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长处是工艺简朴，但易导致颗粒表面污染，基体和颗粒表面润湿困难，导致界面强度减少。
原位内生法是增强颗粒在金属基体中通过原位反映形成，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（普通为亚微米至微米级），因而与外加颗粒（普通为几十个微米）法相比，原位颗粒增强作用更明显。
但原位反映法缺陷是反映过程往往不彻底，反映过程中中间相（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硬度高，耐磨性能好，并具备抗热冲击、抗氧化等性能。
镁没有稳定碳化物，SiC在镁中热力学上是稳定，因而，SiC惯用作镁基复合材料增强相，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备工业化生产前景。
SiC具备α－SiC、β－SiC两种晶体构造，α－SiC为密排六方构造，但α－SiC有许多变体构造（即c值不同），β－SiC为面心立方构造。
SiC颗粒增强镁基复合材料是当前研究最多镁基复合材料之一，其制备方式重要是外加方式。
惯用制备办法除搅拌锻造法外，尚有挤压锻造法、粉末冶金法、喷射沉积法、复合锻造法以及机械合金化法。
其中搅拌锻造法是制备SiC颗粒增强镁基复合材料一种典型工艺，已有几家公司采用搅拌锻造法成功地开发出SiC颗粒增强镁基复合材料。
1986年美国DowChemical公司采用搅拌锻造法制备出SiCP／AZ91，并制备出皮带轮等样品零件。
其优秀性能引起人们普遍关注。
而挤压锻造法是当前制备颗粒增强镁基复合材料最成功工艺之一。
其中，预制块中增强体分布，预制块和模具预热温度，浸渗压力大小均对复合材料微观构造和性能有重要影响。
表1给出是采用搅拌锻造法制备铸态AZ91和铸态AZ91+10vo1．％SiC颗粒增强镁基复合材料常温力学性能。
从表1可以看出与基体合金相比，复合材料抗拉强度、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由于铸态复合材料颗粒团聚，并带有一定量气孔。
在拉应力作用下此处优先形成微裂纹，从而使强度减少。
表1铸态AZ91、铸态SiC／Mg复合材料室温性能
表2给出是采用挤压锻造法制备铸态AZ91和AZ91+20vo1．％SiC镁基复合材料力学性能。
由表2可以看出，小颗粒（15μm）增强复合材料屈服强度和抗拉强度均比大颗粒（52μm）增强复合材料要好。
这是由于当体积分数相似时，增强相颗粒越小，粒子间距就越小。
表2挤压锻造法制备AZ91、SiC／Mg复合材料室温性能
镁对SiC具备良好润湿性，并且SiCP／Mg复合材料界面光滑，无界面反映。
采用锻造法制备颗粒增强镁基复合材料时，凝固过程对界面微观构造有着很大影响，进而影响到复合材料性能。
然而到当前为止，关于颗粒增强镁基复合材料凝固过程，特别是关于形核过程研究较少。
镁不易形成稳定碳化物，因此碳化物陶瓷颗粒在纯镁中是稳定。
然而，在具有铝镁合金（如AZ91）中。
如果接触时间足够长，则会在这镁合金中发生反映形成碳化物。
如SiC与Al会发生如下反映：
4Al+3SiC→Al4C3+3Si
该反映生成Al4C3溶于水，因而减少镁基复合材料耐蚀-性能。
Al4C3形成同步随着Si析出（与镁反映生成Mg2Si），这就变化了基体合金化学成分。
尽管SiC颗粒增强镁基复合材料研究诸多，但多集中于制备办法、组织和性能。
关于基本理论研究较少。
应进一步开展对SiC颗粒增强镁基复合材料凝固理论研究。
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，是密度最低陶瓷材料，热膨胀系数相称低，价格也较便宜。
B4C颗粒增强镁基复台材料制备办法有挤压锻造法、粉末冶金法、压力浸渗法、和只合用于Mg—Li基体台金箔冶金扩散焊接法。
B4C颗粒增强镁基复合材料具备很大应用潜力。
TiC颗粒
TiC为面心立方晶格，具备高熔点、高硬度及高温稳定性好等长处。
TiC与镁润湿性好于与铝润湿性。
且不和镁发生界面反映。
因而，TiC是作为镁增强相较佳选取。
TiC颗粒增强镁基复合材料制备办法有搅拌锻造法、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是一种新型工业陶瓷原料。
具备硬度大，耐磨损，耐酸碱，导电性与稳定性好等优秀特性，TiB2／Al复合材料得到了广泛研究。
镁晶格常数为a＝0.320936nm，c=0.52112nm，c／a=1．6238；TiB2晶格常数为a＝0.303034nm，c=0.322953nm,c／a=1．066。
TiB2晶格排列方式与镁排列方式极其相似，均为密排六方构造。
因而，作为增强相来说，TiB2在与镁结合上有很大有利之处。
TiB颗粒
TiB具备高硬度、高熔点、良好导电性、抗熔融腐蚀性等，是作为镁基复合材料增强相较佳选取。
但是，遗憾是对于TiB颗粒增强镁基复合材料研究报道很少。
关于TiB颗粒增强镁基复合材料研究还应继续开展。
③氧化物颗粒
氧化物弥散强化机制日益受到研究者注重，过去研究者只限于制备小体积分数MgO增强镁基复台材料当前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，微观组织分析表白：
Y2O3在基体中分布均匀，颗粒细小（约0.88μm），并且力学性能得到很大提高。
④金属间化合物
Mg2Si具备低密度（1.99cm）、高硬度、高屈服强度、低热膨胀系数和相对较高熔点普通采用原位内生法制备Mg2Si颗粒增强镁基复合材料。
制备办法涉及机械合金化法（MA）、迅速凝固法（RS）、锻造法和热挤压法等。
与镁合金相比，Mg2Si具备较高熔点和较好抗高温氧化能力。
Mg2Si颗粒增强镁基复合材料也许代替镁台金作耐热构造材料，但由于Mg2Si较脆，因而又限制了该复合材料应用。
采用MA法制备镁基复合材料，Mg2Si颗粒尺寸最大为22nm，并且Mg2Si在390℃时也处在稳定态。
具备良好高温性能，克服了普通纳米材料不稳定缺陷，但该办法制备工艺复杂。
Rs法制备Mg2Si颗粒增强镁基复合材料具备良好室温强度和高温超塑性。
采用锻造法制备镁基复合材料Mg2Si颗粒粗大，力学性能较差，而通过热挤压镁基复合材料Mg2Si晶粒细小，力学性能得到很大提高。
4.组织和性能
4.1基体和增强颗粒选取
纯镁不适于直接作为镁基复合材料基体，普通需要添加合金元素。
惯用合金元素依次有铝锌、硅、锂、银、锆、锰和稀土元素等，普通依照镁基复合材料使用性能选取基体合金。
用作镁基复合材料增强颗粒重要是各种碳化物（如SiC）、氧化物（如Al2O3）、硼化物（如TiB2）以及石墨等。
选取时重要考虑颗粒形状与尺寸、颗粒与基体物理、化学相容性等因素，尽量避免增强颗粒与基体合金之间界面反映，同步还要考虑增强颗粒各项力学性能、物理性能以及制备成本。
近几年有研究者尝试采用金属或合金颗粒作为镁基复合材料增强体，获得了较好效果。
某些金属颗粒（如钛、镍和铜等）具备较高模量和强度，且塑性较好，用作镁基复合材料增强体，不但可以提高材料强度等指标，并且可以保持与基体镁相称塑性。
4.2增强颗粒对基体组织构造影响
颗粒增强镁基复合材料晶粒与基体相比发生了明显细化现象。
颗粒对基体细化机制也许是初生α-Mg相在颗粒表面非匀质形核及颗粒制止α-Mg相生长共同作用成果。
在相似体积分数颗粒下，颗粒越细，则能满足α-Mg相非匀质形核所规定界面特性、错配度和温度条件，可成为初生α-Mg相形核衬底颗粒数量就越多，从而对基体细化作用也越强。
由于增强颗粒与基体在力学和热力学上不匹配，将会在界面及近界面处产生热错配残存应力，引起基体发生塑性流变，在基体中形成了高密度位错。
4.3颗粒增强镁合金力学性能
当前，对于颗粒增强金属基涉及镁基复合材料强化机制还没有一种统一而完善理论。
普遍以为，颗粒增强复合材料强化机制重要有如下几点：
由于基体与增强体热膨胀系数不同导致材料内产生热残存应力以及由于热残存应力释放导致基体中产生高密度位错；增强体加入对基体变形约束以及对基体中位错运动阻碍产生了强化；基体向增强体载荷传递以及晶粒细化强化等。
然而由于材料强度、韧性和断裂等力学性能与材料原位特性关于，对材料中界面、缺陷等局部缺陷很敏感，属高阶性能，往往浮现协同效应，即当几种因素同步在材料中起作用时，材料某些特性也许发生急剧变化。
因而，不能简朴以为复合材料高强度是上述强化因素简朴叠加效应。
由于在制备工艺、增强相种类、参数和体积分数以及基体合金等方面不同，镁基复合材料力学性能有一定差别。
普通来说，加入增强颗粒后材料硬度、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复合材料，可获得较好塑性，这重要是由于金属颗粒自身具备较好塑性，并且与基体镁相容性良好。
与强度等力学性能相比，弹性模量属于低阶性能，对材料中界面、缺陷等不敏感。
按照简朴混合定律，由于所加入陶瓷或金属颗粒增强体弹性模量都远高于镁基体，因而所得到镁基复合材料弹性模量均高于基体镁或镁合金。
增强体弹性模量越大，复合材料弹性模量也越大，并且随着着增强体体积分数增大，上述趋势更加明显。
4.4颗粒增强镁合金阻尼性能
阻尼性能普通又称为减振性能，是一种由时间决定与弹性有关物理性能，通惯用内耗值Q来表征。
在所有金属构造材料中，镁阻尼性能最佳，其Q值约为0.01～0.02，而铝合金、钛合金、钢等阻尼值远远不大于0.01。
因而，采用高阻尼镁合金为基体，选取适当增强体，通过合理设计，可望使复合材料最大Q值达到0.01以上，获得高阻尼、高强度和低密度减振材料。
当温度在75℃如下，纯镁阻尼性能要优于SiCp增强镁基复合材料；而高于75℃时，复合材料阻尼性能要好于纯镁。
以为在温度较低时，镁和SiC本征阻尼在起作用，镁和SiC颗粒阻尼为0.02和0.002，依照混合定律，复合材料阻能性能将不大于纯镁基体；而当温度高于75℃，界面阻尼机制起主导作用，使复合材料阻尼性能高于纯镁。
4.5耐磨性
镁合金基体中分布着强度、硬度都较高陶瓷增强体时，增强颗粒在磨损过程中将起到支撑载荷作用，减少镁合金基体粘着磨损，使镁基复合材料具备优良耐磨性。
5.颗粒增强镁基复合材料发展趋势
5.1由于在金属基体内原位生成高硬度高弹性模量陶瓷颗粒增强相具备表面无污染与基体相容性良好，界面结合强度高等老式复合工艺无法比拟长处，因而，借鉴当前原位内生颗粒增强铝基复合材料较成熟制备技术，摸索高性能、低成本、容易大规模生产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；
5.2颗粒增强镁基复合材料热力学及动力学计算机模仿技术将成为研究热点之一；
5.3控制陶瓷颗粒增强相与镁合金基体界面行为以获得界面结合良好镁基复合材料；
5.4开发镁基复合材料再生与回用技术；
5.5在汽车工业中，镁压铸件加工、循环再生和锻造方面较铝有很大技术优势，并且用镁可以代替汽车上特种塑料，因而，原位颗粒增强镁基复合材料在汽车工业具备潜在应用前景和辽阔市场。
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