（材料学专业论文）sic颗粒增强az81镁合金基复合材料的制备及组织与力学性能.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 捅要 本文以镁合金a z 8 1 为基体，并以平均颗粒尺寸为2 p m 、5t u n 和1 0 邺1 的s i c 颗 粒为增强相，采用熔体搅拌法制各了颗粒增强镁基复合材料s i c p a z s i 。通过测定所制 备的复合材料的拉伸力学性能，观察其显微组织，研究了基体晶粒大小的变化、析出相 的形态以及增强相颗粒在基体中的分布，并通过扫描电镜( s e m ) 对复合材料进行了断 口分析，探讨了其强化机制；最后对平均颗粒尺寸为5j i m 和1 0 岬1 颗粒增强镁基复合 材料的耐磨性进行了测量，并讨论了其磨损机制。 研究结果表明，应用熔体搅拌法制备的s i c # a z s l 镁合金基复合材料具有s i c 颗粒 分布均匀、与基体结合紧密的特点，加入微米尺度的s i c 增强颗粒明显细化了a z 8 1 基 体合金的晶粒尺寸：在所研究的s i c a z 8 1 镁基复合材料中，当s i c 颗粒尺寸为1 0 ”m 时，更有利于增强楣的均匀弥散分布，抑制1 3 - m s ：1 7 a 1 1 2 相的形成；固溶处理后s i c j a z s t 镁基复合材料的抗拉强度得到较大幅度的提升，但其屈服强度则有所下降；颗粒尺寸越 大的镁基复合材料的力学性能越稳定，且颗粒分布也较均匀，1 0 岬s i c ，a z 8 1 的力学 性能较稳定和良好，尤其是s i 0 0p m ) a z 8 1 经过固溶处理后，抗拉强度升高更为明显， 其中固溶处理态的s i c p o oi t m ) a z s l 的室温抗拉强度可达2 6 5 9 5m p a ，提高了近3 1 9 。 对镁基复合材料的摩擦磨损性能研究表明，磨损表面存在犁沟和塑性变形，且有少量剥 落坑，其磨损机制主要以犁沟和塑性变形为主，并且可以观察到犁沟槽，s i c 颗粒的加 入能使a z 8 1 镁基复合材料的耐磨性提高1 5 4 - , 1 8 3 。 断口形貌显示，s i c 颗粒与基体合金的结合良好。室温断裂断口主要由解理面和撕 裂棱组成，具有明显的脆性沿晶断裂的特征；随着温度升高，断口韧性特征增强，脆性 特征减弱，直至解理特征基本消失，取而代之的是大量均匀分布的韧窝。 关键词：s i c 颗粒增强，镁基复合材料，力学性能，显微组织，耐磨性 s i c 颗粒增强a z s i 镁合金基复合材料的制备及组织与力学性能 f a b r i c a t i o n ，m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa z s l m a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e sr e i n f o r c e dw i t hs i cp a r t i c l e s a b s t r a c t t h em a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e s ，a z s lm a g n e s i u ma l l o yr e i n f o r c e dw i t hs i cp a r t i c l e s ( a v e r a g es i z e sa r e2t i m ，5t i ma n d1 0t i m ，r e s p e c t i v e l y ) ，h a v eb e e nf a b r i c a t e db ym e l ts t i r t e c h n i q u e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs i c a z s lc o m p o s i t e sa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dh e a t t r e a t m e n tc o n d i t i o n sw e r ed e t e r m i n e d m i c r o s t r u c t u r cw a so b s e r v e dt oi n v e s t i g a t ec h a n g e si n m a t r i xg r a i ns i z e ，m o r p h o l o g yo fp r e c i p i t a t e sa n dd i s t r i b u t i o no fr e i n f o r c i n gp a r t i c l e si n m a t r i x b ym e a n so fs e m ，s o m ea n a l y s i so nf r a c t u r es u r f a c ea n dp h a s ec o n s t i t u e n tw a s c a r r i e do u t a n dr e i n f o r c i n gm e c h a n i s mi nm a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e sw a sd i s c u s s e d f i n a l l y ，t h ew e a rr e s i s t a n c eo fa z s lm a g n e s i u mm a r xc o m p o s i t e sr e i n f o r c e dw i t hs i c p a r t i c l e s ( a v e r a g es i z e sa r e5p ma n d1 0p m ，r e s p e c t i v e l ”w a sm e a s l 】r e dw h i l ei t sw e a l m e c h a n i s mi nm a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e sw a sd i s c u s s e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a ts i cp a r t i c l e sa r ed i f f u s e du n i f o r m l ya n dm i x e dw i t h m a t r i xt i g h t l yb ym e l ts t i rt e c h n i q u e a f t e ra d d i n gs i cp a r t i c l e sw h i c hh o m o g e n e o u s l y d i s t r i b u t ea l o n gt h eg r a i nb o u n d a r i e s t h em a r xg r a i n sa 聆o b v i o u s l yr e f m e d a m o n gt h e t h r e ek i n d so fa z 8 1m a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e sr e i n f o r c e dw i t l ld i f f e r e n ts i z e so fs i c p a r t i c l e s , s i cp a r t i c l e sw i t ht h e s i z eo f1 0 删1i so fg r e a ta d v a n t a g et ob ed i f f u s e d h o m o g e n e o u s l y ，a n dw h i c hr e s t r a i n st h e1 3 - m g i 7 a 1 1 2p h a s ef o r m i n g ；a n ds o l u t i o nt r e a t m e n t c o u l de 1 1 h a n c eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ho f c o m p o s i t e s ；o nt h ec o n l r a r y , r e d u c et h ey i e l dt e n s i l e s t r e n g t h t h em a g n e s i u mm a r xc o m p o s i t e s ，r e i n f o r c e dw i t hr e l a t i v e l yl a r g es i z eo fs i c p a r t i c l e s 。w h i c hl l a ss t e a d ym e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；a n ds i cp a r t i c l e sa r ed i f f u s e dm o r c u n i f o r m l y ；t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f1 0t t ms i c p a z 8 1c o m p o s i t e sa r es t e a d ya n d e x c e l l e n t e s p e c i a l l ya f t e rs o l u t i o nt r e a t m e n t , t h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ho fa ss o l u t i o n s i 昂( 1 0d m ) a z 8 1i si n c r e a s e do b v i o u s l y 1 1 1 eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ho fa ss o l u t i o n s i c p ( 1 0p m ) a z 8 1a tr o o mt e m p e r a t u r ei s2 6 5 9 5m p a , a n di n c r c a s e db y3 1 9 c o m p a r e d w i t ht h a to ft h em a t r i xa l l o y f r i c t i o n a lw e a ra n a l y s e ss h o wt h a tf u r r o w p l a s t i cd e f o r m a t i o n a n df e ws p a l l i n gp i ta r ca p p e a r e di nw e a rs u r f a c e t h em a i nw , a rm e c h a n i s m sa r ef u r r o wa n d p l a s t i cd e f o r m a t i o n ；b e s i d e s ，f u r r o wt r o u g h sa r eo b s e r v e d t h ew e a rr e s i s t a n c eo fs i c p a z s l i i 沈阳工业大学硕士学位论文 i se x c e l l e n t , a n dd u et ot h ea d d i t i o no fs i cp a r t i c l e s w h i c hi n c r e a s e db y15 畅a n d1 8 3 c o m p a r e dw i t ht h a to f t h em a t r i xa l l o y f r a c t u r es u r f a c ea n a l y s i sr e v e a l st h a tc o m b i n a t i o nb e t w e e nm a 埘xa l l o ya n ds i cp a r t i c l e s i sg o o d a tl o wt e m p e r a t u r e ，t h ec l e a v a g es u r f a c ea n dt e a r i n gr i d g e ，w h i c hi st a k e na st y p i c a l b r i t t l ef r a c t u r ef e a t u r e s ，c o u l db es e e i lo i lf r a c t u r es u r f a c e s w i n li n c r e a s i n gt e s tt e m p e r a t u r e ， b r i t t l ef e a t u r e sd e c r e a s e d , w h i l ed u c t i l eo n e si n c r e a s e d a te l e v a t e dt e m p e r a t u r e s ，c l e a v a g e s u r f a c ei sr e p l a c e db yl a r g ea m o u n to f h o m o g e n e o u s l yd i s t r i b u t e dd i m p l e s k e yw o r d s ：s i cp a r t i c u l a t er e i n f o r c i n g , m a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e ，m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s , m i e r o s t r u c t u r e ，w e a rr e s i s t a n c e - 1 1 1 - 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：l 鸪日期：2 正l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 日期：进华 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 镁及镁合金 镁是常用金属中最轻的一种【1 1 ，是地壳中含量最丰富的元素之一，约占地壳总重量 的2 。熔点6 5 1 ，密度1 7 4 c m 3 ，仅为铝的2 3 ，钢的1 4 2 一4 1 。镁的化合物不仅广 泛的分布于陆地上，还大量的蕴藏在海水，盐泉和湖泊中。镁的电化学活性很强，电动 序在常用金属中占最低一位。所以，镁的抗蚀性很差。镁在潮气、淡水、海水及绝大多 数酸、盐溶液中易受腐蚀，而与其他金属接触时，会发生接触腐蚀。固态镁易发生氧化， 熔镁则易发生燃烧。 镁的切削性能十分良好。但纯镁的机械性能低，不能做结构材料使用。在工业上， 纯镁除了少部分用于化学工业，仪表制造及军事工作外，主要用于制造镁合金，及生产 镁铝合金的合金元烈5 1 。目前世界上的原镁产量约有5 0 用于制造镁合金，3 3 用于制 造铝合金，其余得用做生产某些呵金的还原剂，脱氧剂及变质剂等镁合金具有远大于其 他合金的减震能力。例如镁合金k i a ( 含o 7 锆) 在2 0 时的减震能量不仅远高于铝 合金，而且还是灰口铸铁的4 6 倍。此外，镁合金具有比强度高，阻尼性，铸造性能好 等优点。因此，镁合金很适宜于作为结构材料应用，并且被认为是当前应用中最轻的金 属结构材料。 由于镁合金密度小、比强度和比刚度高、导热导电性好、兼有良好的阻尼减震和电 磁屏蔽性能：同时易于加工成型，废料容易回收：作为电子装置，如移动通信、手提电 脑等的壳体结构件，可以代替塑料以满足产品的轻、薄、小型化，高集成度等要求。因 此，镁和镁合金成为现代汽车、电子、通信等行业的首选材料，被人誉为2 l 世纪的绿 色工程材料，1 3 7 1 。 1 2 目前镁合金的研究方向 镁合金具有较低的密度，是一种很有前途的新型金属材料【8 】。镁合金具有良好的充 型能力，充型后凝固速度较快，对压铸型的热冲击较小，可用于压铸薄壁件而不会出现 热裂和欠铸等缺陷 9 1 。它已成为一种更有潜力的替代压铸铝合金和其它压铸材料的工程 材料【1 0 1 。 s i c 颗粒增强a z g l 镁合金基复合材料的制备及组织与力学性能 目前镁合金的研究热点大部分主要集中在以下五个方面：1 ) 耐高温性能的改善；2 ) 抗腐蚀性能的提高；3 ) 塑性变形能力的改善：4 ) 韧性及阻燃性的改善；5 ) 镁基复合 材料【7 1 ”。 舢在固态镁中具有较大的固溶度，主要用于改善镁合金压铸件的可铸造性，并提 高铸件强度；z n 主要用于提高铸件的抗蠕变性能，但z n 含量大于2 1 5w t 时则对合金 的防腐性能有负面影响，因此原则上z n 含量一般控制在2w t 以下tm n 在镁合金中加 入1w t - , 2 1 5w t m n 的主要目的是提高合金的抗应力腐蚀倾向，从而提高耐腐蚀性能 和改善合金的焊接性能，同时m n 可略微提高合金的熔点；s i 主要用于改善压铸件的热 稳定性与抗蠕变性能；z r 主要起细化晶粒，提高机械性能和耐蚀性的作用，在镁合金中 加入o 1 5w t 1 8 讯的z r ，其细化晶粒效果最好，而且它也是阻燃镁合金的主要添 加元素；c a 可细化组织，使蠕变抗力有所提高，并进一步降低了成本，也可在熔炼时 起阻燃作用：“起固溶强化作用，降低密度，提高延伸率，但它强烈地降低耐腐蚀性【1 2 1 。 镁合金高温力学性能的提高对拓宽其应用领域，尤其是在航空航天、汽车工业等领 域进一步增加镁合金的应用范围，具有十分重要的意义i l 孔。 但是对镁及镁合金而言，自身仍有许多缺点，镁合金的发展受限制的原因之一是性 能差，并且由于缺乏发展研究而造成的迸一步落后。镁合金在室温和高温时表现出较低 的抗拉强度、低的弹性模量及低抗疲劳性，这阻碍了镁合金在工程材料中的应用。而镁 基复合材料是克服镁的性能弱点的有效方法，镁基复合材料具有更高的比强度、比刚度， 同时还具有较好的耐磨性、耐高温性能【1 4 l 。所以，相比镁合金，镁基复合材料具有更大 的潜在的应用前景。 1 3 镁基复合材料 为了改善镁合金强度低、力学性能差的缺点，科技人员向镁合金中加入高强、高模 量的碳纤维、碳化硅纤维等制成复合材料，连续纤维增强复合材料获得了非常高的比强 度和比刚度，成为航空、航天用重要的结构材料。镁基复合材料具有高比强度、比刚度 和优良的铸造性能使其在航空、汽车等领域得到广泛应用【”1 。为了使镁基复合材料在民 用方面推广，必须研究低成本的镁基复合材料，因此人们又开始研究非连续增强镁基复 合材料，非连续增强镁基复合材料是继铝基复合材料之后的又一具有竞争力的轻金属基 2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 复合材料【l6 j 。目前制备的非连续增强镁基复合材料，增强物用得较多的是s i c 、b 4 c 、 a 1 2 0 3 等的颗粒与晶须【1 7 】。一般常用镁基复合材料的基体采用常用的铸造镁合金 a z 9 1 d 、变形镁合金m b l 5 等。自2 0 世纪8 0 年代末，镁基复合材料已成为金属基复 合材料领域的研究热点之一。过去对该材料的大量研究工作主要针对国防和航天应用的 需要，随着新型制造工艺的研究发展，镁基复合材料在航天航空、汽车、核工业、运动 娱乐以及其他先进的工程方面得到了更广泛的应用。目前关于镁基复合材料的研究工作 主要集中于材料组成及界面反应、制各及合成工艺、材料组织及性能和熔炼技术等方面。 1 3 1 镁基复合材料的基体合金 常用基体合金目前主要有：m g m _ n ，m g - a l ，m g - z n ，m g z r ，m g - l i 和m g - r e ， 此外，还有在较高温度下工作的2 个合金系m g a g 和m g y 。镁基复合材料根据其使 用性能选择基体合金，侧重铸造性能的可选择铸造镁合金为基体；侧重挤压性能的则一 般选用变形镁合金。因纯镁强度低，不适于作为镁基复合材料的基体，一般需要添加合 金元素进行合金化。主要合金元素有a l 、办、l i 、a g 、z r 、t h 、m n 、b e 和稀土金属 等i l 踟。这些合金元素在镁合金中具有固溶强化、沉淀强化、细晶强化等作用，添加少量 a 1 、m n 、z n 、z r 、b e 等可以提高强度；m n 可提高耐蚀性；z r 可细化晶粒和提高抗热 裂倾向；稀土金属除具有类似z r 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；l i 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【s j 。 1 3 2 镁基复合材料中的增强相 镁合金材料常用增强体镁合金材料选择增强体要求物理、化学相容性好，尽量避免 增强体与基体合金之间的界面反应，润湿性良好，载荷承受能力强等。常用的增强体主 要有c 纤维、啊纤维、b 纤维，a 1 2 0 3 短纤维，s i c 晶须，b 4 c 颗粒、s i c 颗粒和a h 0 3 颗粒等【j 9 】。但镁及镁合金较铝和铝合金化学性质更活泼，考虑到增强体与基体之间的润 湿性、界面反应等情况，镁基复合材料所用的增强体与铝基复合材料不尽相同。如a 1 2 0 3 是铝基复合材料常用的增强体，但其与m g 会发生3 m g + a 1 2 0 3 = 2a i + 3 m g o 的反应， 降低其与基体之间的结合强度；而且常用a 1 2 0 3 是s a f f i l a l 2 0 3 ，其中含5 的s i 0 2 ， s i 0 2 与m g 发生强烈反应：2 m g + s i 0 2 = s i + 2 m g o ，余量的m g 则与反应生成的产物s i s i c 颗粒增强a z 8 1 镁合金基复合材料的制各及组织与力学性能 经反应2 m g + s i = m g z s i 产生危害界面结合强度的m 9 2 s i 沉淀，所以镁基复合材料中较 少采用a 1 2 0 3 短纤维、晶须或颗粒作为增强体。c 纤维高强、低密度的特性使其理应是 镁基复合材料最理想的增强体之一。虽然c 与纯镁不反应，但却与镁合金中的a l 、l i 等 反应，可生成a 1 4 c 3 、l i 2 c 2 化合物，严重损伤碳纤维。因此，要制造出超轻质的增强 的镁基复合材料的当务之急是研制出有效的碳纤维表面涂层。为进一步提高增强体与基 体合金的润湿性，增加界面结合强度，保护增强体免受基体合金液侵蚀，有必要寻找合 适的增强体涂层，或采用原位反应合成方法产生增强体，这对于特别活泼的m g - l i 基复 合材料显得尤为迫切【2 们。 1 3 3 界面反应 镁基复合材料主要由镁合金基体及增强相组成，但还应注意在基体及增强相间的独 特界面区中间层。目前使用的增强相主要有碳纤维、碳化硅、氧化铝及碳化硼颗粒 等。研究采用的基体合金主要是镁铝锌合金、镁铝硅合金、镁铝锰合金、镁锂合金及镁 铝稀土合金。界面是指基体与增强相之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的能起 载荷传递作用的微小区域。界面虽然很小，约几个纳米到几个微米，但对复合材料性能 影响是极为重要的。在镁基复合材料中往往由于基体与增强相发生相互作用、生成化合 物，基体与增强相相互扩散、形成扩散层，增强相的表面预处理涂层，使界面的开头尺 寸、成分结构等变得非常复杂。它可以通过化学腐蚀、界面脆化相的形成以及基体成分 的改变而潜在地削弱界面相，最终影响复合材料性能 2 0 1 。此外，由于基体同增强相间存 在热膨胀系数的差异，在某些特定应用领域也可能会造成材料形成内应力、产生高密度 位错而影响材料的性能。界面反应程度对形成合适的界面结构和性能有很大的影响，按 界面反应程度的不同，可将其分为以下类型： ( 1 ) 有利于基体与增强体浸润、复合和形成最佳界面结合，如在a l l 8 8 4 0 3 3 增强 a z 9 1 d 镁合金中，t e m 分析观察a l l 8 8 4 0 3 3 纤维与镁基界面结合紧密，没有发生界面化 学反应，且基体与a l l 8 8 4 0 3 3 之间的力学性能好，热稳定性高，粘结强度大，通过热挤 压工艺，结合力进一步提高。 ( 2 ) 有界面反应，增强体性能不下降，形成强界面结合，这类反应对颗粒增强的镁基 复合材料是有利的，如在a 1 2 0 3 颗粒增强镁基复合材料内，有不连续的m 9 0 形成，在 - 4 - 沈阳工业大学硕士学位论文 界面上还可看到少量粗大的共晶m g l 7 a 1 1 2 析出相，m g o 、a 1 2 0 3 这两种尖晶相可以提高 金属与陶瓷增强体之间的结合力，改善了液体金属与陶瓷增强体的浸润性。 ( 3 ) 有界面反应，生成大量反应产物，材料的性能急剧下降，制备镁基复合材料过程 中应严格避免此类反应的发生，如a 1 1 8 8 4 0 3 3 增强z k 6 0 镁合金中，就要尽量减少界面 反应【1 纠。 1 4 镁基复合材料的制备及合成工艺 总体而言，金属基复合材料的发展时间虽然较短，但处在一个蓬勃发展的新阶段。 其中，金属基复合材料制造方法及工艺是研究比较多的一个领域，因为金属基复合材料 的性能、应用、制造成本等在很大程度上取决于其制造工艺和方法。目前金属基复合材 料的制备方法虽已有很多，并在制备铁基、铜基、铝基、钛基等金属基复合材料中取得 了比较大的成功，但由于镁具有熔点比较低、化学活性高、易燃、易氧化等特点【2 l 】，原 有的许多金属基复合材料的制备工艺都无法直接应用于镁基复合材料的制备。根据镁基 复合材料的特点，结合原有的金属基复合材料的制备工艺，材料工作者进行了大量的试 验工作，尝试了许多新的适合制备镁基复合材料的工艺方法，对研制、开发镁基复合材 料起到了很好的促进作用。镁基复合材料的制备工艺与铝基复合材料基本相似，但因镁 合金基体化学性质很活泼，制备过程中的高温阶段都需要真空、惰性气氛、c 0 2 + s f 6 混 合气体保护，以防止氧化。其制备方法主要有粉末冶金法，熔体浸渗法、搅拌铸造法、 半固态搅熔铸造法、液态反应法、喷射沉积法以及目前仅用于m g l i 基复合材料的薄膜 冶金法等 2 2 2 3 1 。 1 4 1 粉末冶金法 目前，采用铸造法制备颗粒增强镁基复合材料的研究已有很多报道1 2 4 一绷。铸造法的 主要优点是可生产形状比较复杂的复合材料零件，并且容易实现批量生产。但是，由于 制备温度高，加之镁的化学活性很强，制备过程中容易发生过量的界面反应。同时，如 果工艺不合适时增强颗粒容易偏聚。粉末冶金法是把均匀混合的陶瓷颗粒或者增强纤维 与微细纯净的镁合金粉末进行机械混合，排列以后在模中压制，然后加热至合金两相区 进行烧结，使增强物与镁基体聚集成一体形成镁基复合材料的方法。该方法与常规粉末 冶金法差别不大，只是镁合金的制粉过程需要防氧化保护。通过不同的粉末冶金条件制 s i c 颗粒增强a z 8 1 镁合金基复合材料的制备及组织与力学性能 备的镁基复合材料的结构与性能也是不同的。采用粉末冶金法制备颗粒增强镁基复合材 料时工艺温度较低，一般不会发生过量的界面反应，因此有利于制备高性能的颗粒增强 镁基复合材料1 2 6 1 。权高峰 2 7 1 用粉末冶金法制各了s i c 颗粒增强镁基复合材料，材料的强 度稍优于铝基复合材料；而且当金属粉末尺寸与增强陶瓷颗粒尺寸之比较小时，颗粒分 布较均匀，复合材料的力学性能得到改善。郗雨林等1 2 8 1 用粉末冶金法制备了s i c 颗粒及 晶须增强m b l 5 基复合材料，s i c 颗粒和晶须能显著提高m b l 5 镁合金的室温强度和弹 性模量，相比之下，s i c 晶须的作用比颗粒更明显。一般情况下，增强相颗粒尺寸增大， 复合材料的屈服强度和抗拉强度降低。机械合金化工艺也能用于制备镁基复合材料，工 艺原理同粉末冶金方法有些类似。这种工艺方法所制备得到的镁基复合材料，颗粒增强 相能够在镁基体中均匀弥散分布1 2 0 1 。利用粉末冶金工艺和机械合金化工艺都可以制备出 具有优良储氢性能的镁基复合材料。 粉末冶金法制备镁基复合材料的优点主要在于制各过程中基体纯镁或者镁合金不 必经过全熔的高温状态，因而能避免铸造法带来的诸如镁合金强烈氧化，基体与增强物 界面处发生过量反应等问题，且增强体颗粒在基体内分布均匀，从而赋予镁基复合材料 更高的综合性能。而且粉末冶金法对增强体类型没有限制，可以任意改变增强物与基体 的配比，制得高体积分数增强相的镁基复合材料。但是粉末冶金工艺设备复杂，成本较 高，不易制备形状复杂的零件，而且在生产过程中存在粉末燃烧、爆炸等危险，不易大 规模工业化生产。因此粉末冶金法主要应用于实验室研究，没有得到推广。 1 4 2 熔体浸渗法 其原理是通过压力，将熔融的镁合金渗入到陶瓷纤维中。它包括挤压铸造法和真空 浸渗法。氧化铝纤维、s i c 晶须以及碳纤维等增强的镁基复合材料，均可用熔体浸渗技 术方法进行制备【2 9 】。熔体浸渗法工艺分为预制块制备和压力浸渗两个阶段，使镁合金液 在压力下渗入预制块中凝固后形成复合材料。预制块制备的过程是，首先将增强相分散 均匀，然后模压成型，最后经烘干或烧结处理使之具有一定的耐压强度。大部分晶须或 短纤维增强相的预制块中需要添加粘结剂，以承受预制块压制过程中的较大应力而不开 裂，粘结剂的含量为3 r 5 ，多为含s i 0 2 的硅胶粘结剂，或硅胶粘结剂+ 有机胶混合 粘结剂。利用挤压铸造方法制备连续纤维复合材料，可以发现在压力冲击过程中存在着 一6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 纤维移动现象【3 0 】。为避免预制块在加压过程中受损开裂产生铸造缺陷以及减少增强相纤 维在压力下的损伤，有研究者探讨了两步加压挤压铸造工艺，该法的加压过程是在浸渗 阶段压力较低( o 4 o 5m p a ) ，凝固过程的压力较大( 1 0 0m p a ) 。真空浸渗法【3 1 1 的预制块一 般处于真空状态，基体合金液在真空造成的负压下渗入预制块中。熔体浸渗法工艺简单， 成本低、易于批量生产；界面结合良好，复合材料力学性能较高，但难于直接制备形状 复杂的零件；增强体体积分数有一定限制。陈煜等【3 2 】用真空压力浸渍法制备了c r m g 复合材料，当纤维体积分数达到5 5 时，复合材料的弯曲强度可达1 2 0 0m p a 。透射电 镜分析发现，界面结合良好，基体与纤维问无化学反应，但是存在着大小形状不同的 7 - m g l 7 a l l 2 相析出物，同时界面附近存在大量位错和孪晶等晶体缺陷。张坤等【3 3 1 选用 m g - a l - z n 合金为基体，用s i 0 2 涂敷的石墨短纤维做增强体，制备了复合材料。s i 0 2 涂层的存在，改善了石墨纤维与镁液的润湿性，而且s i 0 2 会与m g 发生化学反应，生 成m g 和m 9 2 s i ，提高了复合材料的减振性能。覃继宁等【3 4 】用s i c 晶须和b 4 c 颗粒作 为增强相，用真空反应浸渍法制备了非连续增强镁基复合材料，复合材料的抗拉强度达 到了4 1 6m p a ，弹性模量达到了8 0g p a ，显示了良好的力学性能。材料断口分析表明， 增强剂的均匀分布及晶须与基体之间的牢固结合，是复合材料具有较高力学性能的原 因，而颗粒与基体界面间的开裂，以及基体共晶相的脆性开裂是复合材料塑性低的主要 原因。 1 4 3 搅拌铸造法 通过机械搅拌或电磁搅拌等方法，使增强相充分弥散到镁基熔体中，最终浇注或挤 压成形的工艺方法 3 5 】。根据铸造时金属形态不同可分为全液态搅拌铸造( 即在液态金属 中加入增强相：搅拌一定时间后冷却) 、半固态搅拌铸造( 在半固态金属熔体中加入增 强相搅拌一定时间后冷却) 和搅熔铸造( 在半固态金属中加入增强相，搅拌一定时间后 升温至基体合金液相线温度以上，并搅拌一定时间后冷却) 三种。该法制备的复合材料， 在颗粒分布和气孔率方面优于全液态铸造和半固态铸造方法。运用搅拌铸造法可以制备 出颗粒晶须增强镁基复合材料。这种制造技术以及随后的热挤压工艺生产出来的镁基 复合材料，所得到的材料晶粒尺寸要比常规铸造条件下小得多洲。在熔炼过程中，搅拌 叶片离液面的距离，叶片的转动速度和基体流动速度会影响气体的进, k 1 3 6 1 。搅拌铸造法 s i c 颗粒增强a z s i 镁合金基复合材料的制备及组织与力学性能 设备简单；生产效率高，但铸造气孔较多，颗粒分布不均匀，易偏聚。 1 4 4 半固态搅熔铸造法 顾名思义，半固态搅熔铸造法【3 刀就是靠桨叶旋转产生的机械搅拌作用使半固态基体 合金熔体形成的涡流来强制引入增强颗粒，在增强颗粒与先凝固的金属晶粒混合均匀后 再升温浇铸，凝固后得到镁基复合材料的方法传统的搅拌铸造法是在液态下搅拌，使得 搅拌头后产生的负压使复合材料很容易吸气而形成气孔，另外增强颗粒与基体合金的密 度不同易造成颗粒沉积和微细颗粒的团聚现象。而半固态成型可以减少宏观偏析，降低 凝固收缩和成型温度，且陶瓷颗粒在基体内分布均匀由于该工艺在很大程度上降低了镁 在高温下的氧化烧损，且该工艺设备简单，成本低，最有希望用于大规模工业生产。 1 4 5 挤压铸造法 挤压铸造法【3 8 】通常包括两个阶段：( 1 ) 增强物经加压成型或抽吸成型制成预制件； ( 2 ) 将加热的预制件放入热态挤压模中，浇入液态镁合金后加压使熔融镁合金浸渗到 预制件中，保压一定时间使之凝固，脱模后即得镁基复合材料。挤压铸造法的特点：工 艺简单、成本低、产量高。由于采用高压浸渗，克服了增强体与基体不润滑的现象，保 证了基体与增强体的连接，且消除了气孔，缩孔等铸造缺陷。但不适合制备形状复杂的 零件。 1 4 6 液态反应法 液态反应法【3 刀就是先将基体合金熔化后，加入含有一定反应产物元素的反应原料， 进行搅拌，反应物原料与基体合金中某种或几种元素发生化学反应，原位生成增强相， 制备复合材料。 1 4 7 机械合金化法 机械合金化法1 3 9 】就是在球磨过程中由原料粉末发生化学或者物理反应合成增强相 来增强镁基体材料的制备方法。 h w a n g 等h o 】用机械球磨球磨m g 粉、面粉和c 粉，合成了不同体积分数的t i c 增 强m g 基纳米复合材料。通过球磨的m g - t i c 纳米复合材料的晶粒尺寸在2 5 - - 6 0 哪之 间，基体中分布着超细纳米尺寸的t i c 粒子( 3 7a m ) 。m g - t i c 纳米复合材料具有高的 韧性，同时还保持了与其他m g 复合材料相同的压缩强度。m g t i c 纳米复合材料的高 一8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 韧性是m g 基体和t i c 粒子的超细微观结构造成的。在晶粒内部的纳米粒子对形变影响 很小，但在晶界上的纳米粒子可以阻碍晶界的滑动从而提高复合材料的抗拉强度，而且 这些纳米粒子不会割裂镁基体，降低镁基复合材料的塑性，因为它们可以随着晶界的滑 动而移动。 机械合金化可以制备高强度的镁基复合材料，而且复合材料的晶粒大小、成分可控， 塑性也可以得到提高，所以机械合金化法制备镁基复合材料是研究热点之一，但是由于 镁的活性比较大，在球磨过程中存在镁粉燃烧、爆炸的危险，而且球磨生产效率低，制 备工艺长，成本高，不易制备形状复杂的工件。 1 4 8 其他几种制备工艺 喷射沉积法是将高压非活泼性气体与镁合金一起经喷嘴射出雾化，同时将增强相喷 入雾化的镁合金液中，沉积到底板上迅速凝固，还可以经压力加工制成块状复合材料。 薄膜冶金法目前仅见于m g l i 基复合材料的制备，它是将增强相颗粒涂在薄膜状的基 体合金上，然后热压成型。反应自生法是通过在镁合金熔体中加入合金元素或化合物反 应形成一种或几种增强相来增强镁合金的复合材料制备方法，由于增强相是在熔体中反 应生成，因而与基体的化学相容性好，界面无污染，增强相尺寸细小，且省去了增强相 单独合成的工序，工艺相对简单，是一种比较有发展前景的制备方法，其难点是反应物 的选择和反应工艺的控制。上述镁合金的制备工艺总结如表1 1 所示【怫4 。 表1 1 几种主要镁合金材料制备方法 t a b 1 1f o u r p r i m a r y p r e p a r a t i o n s o f m a g n e s i u m a l l o y s i c 颗粒增强a z 8 1 镁合金基复合材料的制备及组织与力学性能 1 5 镁基复合材料的组织与性能 相对于传统金属材料和铝基复合材料，有关镁基复合材料的组织与性能的研究目前 虽然已经取得了一定的成果，但还不够全面深入，力学性能数据分散性也比较大，仍处 于探索性研究阶段。 1 5 1 镁基复合材料的组织特征 镁基复合材料的典型组织为增强相分布在基体合金中，同时伴有大量界面、高密度 位错缠结。与基体合金相比，增强相的加入与基体形成了大量的界面，这是复合材料最 明显的组织特征。界面及近界面区对复合材料的各项性能有重要影响，也是研究的热点 之一，有关界面的研究主要集中在界面区形貌、成分偏聚、相组成与结构和取向、界面 反应等方面。有人分别研究了用a i ( p 0 3 ) 3 腐蚀过的被挤压s i c a z 9 1 镁基复合材料和未 采用a i ( p 0 3 ) 3 腐蚀过的被挤压s i c a z 9 1 镁基复合材料。同时也研究了其界面结构，拉 伸性能和复合材料的断裂行为。分析未经采用a i ( p 0 3 ) 3 腐蚀过的被挤压s i c a z 9 1 镁基 复合材料，由于复合材料没有结合剂的加入，s i c 。和a z 9 1 的界面很干净；但是随着磷 酸盐的加入，在界面上出现了细小的，一致的且离散的界面反应产物m 9 0 。用透射电 镜分析用a i ( p 0 3 ) 3 腐蚀过的被挤压s i c a z 9 1 镁基复合材料中s i c 晶须与镁合金的界 面。发现了细小离散的颗粒粘附在s i c 晶须上。它们是由于结合剂和熔化的镁反应形成 的。并且在m g o 和s i c 晶须界面处发现了一定的晶体原位关系。这种细小的离散的在 界面问的m g o 增加了晶须和基体粘结强度。它对负荷从基体向晶须转移是有好处的， 因此与未加入a i ( p 0 3 ) 3 的复合材料比较而言，提高了有a i ( p 0 3 ) 3 介入的复合材料的杨 氏模量和抗拉强度【1 4 4 2 1 。又如吴桢干等【4 3 1 采用真空压力浸渍法制备了碳化硅颗粒增强 铸造镁合金( z m s ) 复合材料，碳化硅颗粒的平均尺寸为4 t t m ，体积分数为4 5 。通过透 射电镜( t e m ) 、能量色散谱仪( e d s ) 研究了这种复合材料的s i c e m g 界面微结构。碳化 硅颗粒与镁基体的界面结合紧密，界面区域存在合金元素铝的偏聚，并形成块状和细针 状1 , ( m g l t a l l 2 ) 相，这种y 相提高了界面结合强度。在s i c p m g 界面区域存在高密度的位 错缠结，这将对复合材料整体强度的提高作出贡献。另外，在有些s i c p m g 界面上观察 到氧化镁微晶层以及较大的氧化镁颗粒。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 5 2 镁基复合材料的性能 目前已有研究者围绕镁基复合材料的力学性能及物理性能做了一些工作。力学性能 主要集中于复合材料的拉伸与压缩性能，时效特性，以及低温与高温超塑性等方面；物 理性能有阻尼性能和储氢性能等研究内容。同时材料工作者对镁基复合材料的耐磨性能 和疲劳断裂机理也进行了更深入的研究。 1 5 2 1 增强相对复合材料性能的影响 在镁基复合材料中，增强相对基体起强化作用，有助于提高基体合金的强度和弹性 模量，其增强效果与增强相的含量密切相关，m a n o h a r a n 等t 4 4 1 向含量为9 9 5 的高纯镁 中，加入平均直径为2 5i n n 的s i c 颗粒增强相，采用熔融破碎沉积的方法在7 5 0 c 时在 惰性气体的保护下用叶轮以4 5 0 - - 4 6 0 r m 的速度搅拌5 分钟后，在石墨坩埚底部中心口 进行浇注，这样避免了s i c 的在坩埚上的沉积，以及纯镁在空气被氧化。在周围环境中 对挤压m g 和m g s i c 试样的进行拉伸测试，发现随着s i c 在纯镁中质量百分含量的增 加，弹性模量也增加了，它并不影响屈服，抗拉强度和其韧性。还有研究【4 5 】表明，增 强相的引入还有细化晶粒的作用，使得镁基复合材料基体的晶粒小于合金的晶粒度，如 s i c p a z s 0 复合材料的基体晶粒尺寸约为a z 8 0 合金晶粒的1 3 。这预示着镁基复合材 料的力学性能比基体合金将有较大提高。郗雨林等 4 6 1 采用粉末冶金法制备了s i c 晶须增 强镁基复合材料( s i c w m b l 5 ) 试样。通过检测基体显微硬度探讨了s i c w 对镁合金时效规 律的影响，并借助扫描电镜( s e m ) 、透射电镜( t e m ) 和拉伸试验，研究了混粉方式对复 合材料室温力学性能、s i c 。分布及显微结构的影响。结果表明，m b l 5 及其复合材料的 时效硬化曲线上均存在双峰现象；s i c w 的加入既提高了m b l 5 的硬度，又加快了其时效 速度；混粉方式对晶须分布及s i c w m b l 5 复合材料的室温力学性能影响很大。 1 5 2 2 基体对复合材料性能的影响 基体作为复合材料的一个组成部分，对复合材料的最终性能也是具有重要影响的， 良好的基体合金有助于提高对应的复合材料性能。张小农等1 4 刀制备了以纯镁为基体，以 混杂碳化硅颗粒和硅酸铝短纤维为增强物的镁基复合材料，研究了其机械性能和阻尼性 能。结果表明，增强物的加入提高了