颗粒增强镁锂基复合材料文献综述

1、颗粒增强镁锂基复合材料文献综述前言镁锂合金具有高比强度、比刚度、优异的塑性加工性能、比重小等特性以及良好的电磁屏蔽性、阻尼性能，在航空航天、电子信息、汽车工业及现代兵器制造等领域具有十分广泛的应用前景1-4。但镁锂合金存在着绝对强度偏低，易发生室温过时效，尺寸稳定性(抗蠕变性能)和耐蚀性、耐磨性较差等问题，极大限制了合金的使用范围。而复合强化是提高镁锂合金强度并防止强度衰退的可能途径5-7。Mg-Li基复合材料研究中所涉强化相主要包括硼纤维、碳纤维、不锈钢丝、SiC晶须、Ti合金丝以及 B4C、B、Al2O3 、YAl2颗粒等。本文结合近几年国内外关于Mg-Li基复合材料的研究情况，对颗粒Mg

2、-Li基复合材料的增强机制、增强相种类和制备方法进行了综述。 摘要镁锂基合金及其复合材料具有高比刚度、高比强度和比模量等特性，是一种很有发展前景的材料。本文综述了颗粒增强镁基复合材料的研究概况，论述了颗粒增强镁锂基复合材料的增强机制和常用的增强体种类，并讨论了各种增强剂与镁锂基体的界面反应及机械性能。介绍了颗粒增强镁基复合材料的常用制备方法, 并比较了这几种制备方法的优缺点。最后，结合目前发展中所面临的机遇和问题，展望了颗粒增强Mg-Li基复合材料的未来方向及发展趋势。关键词：颗粒；镁锂基复合材料；增强机制；制备方法ABSTRACTMagnesium and magnesium-lithium

3、 matrix composites，have been expected to be widely used in aerospace and civil fields，such as transportation，and sports industry for their high specific strength and specific stiffnessThe research situation of the particle reinforced magnesium matrix composites both at home and abroad has been summa

4、rizedThe strengthening mechanism，fabrication method，mechanical properties have been analyzed and introducedThe interfacial reaction between the different reinforcing particle and matrix has been introduced as wellThe fabrication methods and their advantages and disadvantages are reviewed. Finally，th

5、e prospects on the research direction and development tendency of particles reinforced Mg-Li matrix composites were expected based on the opportunities and problems in futureKEY WORDS：particle；magnesium-lithium matrix composite；strengthening mechanism；fabrication technology一、颗粒增强镁基复合材料的增强机制 镁基复合材料的强

6、化机制涉及材料的组织设计问题，近年来一直是材料学的研究热点。镁基复合材料尤其是颗粒增强镁基复合材料的强化机制极其复杂，虽然提出了很多强化模型，如: “混合定律8”、“剪滞模型9”、“球化模型10”、“Eshelby 连续介质力学模型11” 以及运用有限元软件分析数学模型等来进行分析，但迄今为止缺乏一个完善的理论。一般认为强化原因有如下几种: (1) 载荷传递引起的强化 颗粒增强镁基复合材料由基体、增强颗粒和界面组成。镁基复合材料的主要强化机制是应力转移，即载荷从基体向增强体的传递，增强体是载荷的主要承担者12，所以载荷传递是很重要的强化因素。 (2) 细晶强化 由于在镁合金中存在增强体，增加了

7、材料内部的界面面积，加强了晶界的强化作用且细化了-Mg基体晶粒。超细的亚晶粒尺寸会导致复合材料的增强13 。 (3) 弥散强化 弥散强化是指在均匀基体中加入不溶于基体金属的硬质颗粒(增强相) 的一种强化手段。为了使增强相在基体金属中分布均匀，通常用粉末冶金方法制造。第二相一般为高熔点的氧化物或碳化物、氮化物，其强化作用可保持到较高温度。强化相弥散强化的实质是利用弥散的超细微粒阻碍位错的运动，从而提高材料在高温下的力学性能。为此，对弥散强化微粒有如下要求: 微粒尺寸要尽可能小( 0.01 m 0.05 m)，微粒的间距要达到最佳程度( 0.1 m 0.5 m)，在基体中分布要均匀;此外，微粒与基

8、体金属不相互作用，在高温下微粒相互集聚的倾向性要小。这样就能使材料在接近熔点的高温下，即采用合金化和热处理已难起强化作用的情况下，仍能保持一定强度。弥散强化相含量一般小于10%。( 4) 固溶强化 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多; 另一组元为溶质,含量较少。固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度， 而塑性和韧性没有明显降低。稀土元素一般具有显著的固溶强化作用。 (5) 位错强化 在镁基复合材料中，由于基体的热膨胀系数一般要比增强相的热膨胀系数大，因此在制备

9、和热处理过程中，在基体材料中产生塑性变形，从而形成高密度位错，导致强化。 以上介绍了几种常见的强化原因，但是由于材料的强度、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。二颗粒增强镁锂基复合材料的增强体 Mg-Li基复合材料研究中所涉强化相主要包括硼纤维、碳纤维、不锈钢丝、SiC晶须、Ti合金丝以及 B4C、B、Al2O3 、YAl2颗粒等。以下对这些增强相进行分别阐述：（1） SiC颗粒 上海交通大学

10、马春江14等采用真空浸渍法制备了SiC晶须增强 Mg-Li复合材料，其抗拉强度与弹性模量分别为 241MPa和60GPa，分别比基体合金分别提高13%和30%，但SiC晶须增强的Mg-Li复合材料存在增强体受侵蚀的现象，添加 5%vol 的增强体后复合材料塑性降低至5.8%。 （2）B4C颗粒哈尔滨工程大学吴利斌15等采用热挤压固态复合技术制B4Cp/Mg-8Li-1Zn和B4Cp/Mg-8Li-1Al-1Y复合材料,研究复合材料的显微组织和力学性能。结果表明:随着参数的优化,材料的变形效果和相的移动性得到提高,而复合薄层的数量和间距尺寸减小;界面结合力得到提高的同时降低了界面的氧化程度。拉伸

11、测试结果表明,通过固态热挤压复合强化,B4Cp/Mg-8Li-1Zn和B4Cp/Mg-8Li-1Al-1Y复合材料的强度得到明显提高,分别为238MPa和257.23MPa; B4Cp/Mg-8Li-1Al-1Y复合材料的比强度最高。更多还原美国斯坦福大学的Gonzalez等16用薄膜冶金成型技术获得了B4C颗粒增强的 Mg-Li复合材料，在冷轧后可以获得细小的晶粒组织，室温下拉伸延展性很好，屈服强度比铸态组织高50%，比刚度较商业铝合金和钛合金高22%（3）金属间化合物YAl2颗粒北京航空航天大学吴国清等17,18选择金属间化合物YAl2颗粒作为增强体，采用搅拌铸造法成功制备出性能稳定的YA

12、l2颗粒增强Mg-Li基复合材料，增强体尺寸在537.5m范围內，添加比例为 5%30%，制备出的复合材料界面结合良好且稳定性较高，未见界面化学反应和新相生成。添加 20vol.%YAl2 颗粒的复合材料，其抗拉强度、屈服强度分别达到了225MPa和161MPa，较基体提高了95%和70%，而其延伸率仍保持9%左右，表现出良好的塑性加工性能。 YAl2/MgLiAl复合材料高温抗拉强度和屈服强度明显优于基体合金，表现出良好的高温拉伸性能。另外，该研究小组提出了先利用球磨混粉法制备超细复合颗粒，改善复合颗粒中增强体颗粒的界面状态，进而通过搅拌铸造法制备超细颗粒增强金属基复合材料的新工艺，并使用改

13、进工艺成功制备了超细YAl2 颗粒（0.1m4.5m）增强镁锂基复合材料19。在该种材料中，YAl2 颗粒分布均匀，很少发现团聚现象，超细 YAl2 颗粒的加入有效改善了复合材料的组织，从而提高了其力学性能，5vol.% YAl2/MgLiAl 复合材料的抗拉强度达到了220 MPa，延伸率保持在7% 。（4） 其他增强体 C纤维虽然密度低，但其与 Mg-Li 基体易发生反应而生成 Li2C2 化合物，所产生的增强效果不理想。钢丝和Ti合金丝所带来的强化效果虽好，但由于密度较大，弱化了Mg-Li的超轻优势。 将几种典型的 Mg-Li 基复合材料的力学性能综合成表，如表1所示。表 1 几种典型

14、Mg-Li 基复合材料的力学性能20综上可知，相对Mg-Li基合金而言，Mg-Li基复合材料在强度方面更具优越性，但由于陶瓷增强体与 Mg-Li 基体的化学和物理兼容性弱，其塑性在复合强化后显著降低，限制了其在工程方面的应用。因此，需要从增强体与基体合金的化学和物理兼容性入手，对 Mg-Li基复合材料体系进行整体考虑和设计，才能获得更好的综合力学性能。三颗粒增强镁锂基复合材料的制备技术Mg - Li基复合材料的制备方法主要有搅拌铸造法、压力浸渗法、粉末冶金法、薄膜冶金法以及原位合成法等，这几种制备方法的适用增强体和优缺点见表2。表2 Mg-Li基复合材料制备方法的适用增强体和优缺点20（1）搅

15、拌铸造法搅拌铸造是指将陶瓷颗粒等增强物加入高速搅拌的基体金属熔体中，使其形成复合材料的方法。这种方法的关键是增强体必须均匀分布在基体中，并且基体和增强相之间有良好的界面结合。搅拌铸造法的优点是工艺相对简单, 设备投资少, 生产成本低, 可实现规模化生产。缺点是增强体体积分数有限 (一般不超过20%) , 颗粒一般不可能小于10m。且该方法存在高温界面反应的缺点，仍需气氛或覆盖剂保护，而且由于Mg-Li合金密度很小，若增强体密度较大则难以分布均匀。（2）熔体浸渗法压力浸渗法是将增强体制成一定的预制件，放入模具中预热到一定温度， 在足够的压力下，利用压头将熔化的Mg - Li合金压入预制件中。因M

16、g - Li合金液在大气下极易氧化燃烧，复合材料的整个制备过程需要在真空下或保护性气氛中进行。为了保证镁锂合金熔液能够充分地与预制件结合，压入前必须将合金液加热到一定的过热温度。压力浸渗法的优点是工艺简单、成熟，由于采用压力浸渗, 可以克服增强体与基体不润湿的现象, 组织细密, 无气孔。缺点是较难制备形状复杂件，增强相体积分数及均匀分布不易控制，界面结合较差，高温下基体对增强相侵蚀而使性能降低等。（3）粉末冶金法粉末冶金法是指通过对混合的合金与增强相粉末进行研磨、热压、固结来制造颗粒增强型Mg-Li基复合材料的方法.Whalen21用粉末冶金法制备了Mg-14Li-B复合材料，Mg-Li合金颗

17、粒与硼粉末(75m)球磨混合均匀后，经过冷、热压紧成型，压实件再经三道工序后得到细小增强体(5m)均匀分布的复合材料。由于Mg-Li合金易氧化的特性使得所有操作均需在保护性气氛下进行，因此Mg-Li合金制备极为困难，而且复合材料制备过程中需要进行重复压制和挤压，制造工艺复杂。其优点是:增强体的选择余地较大,可以方便地改变增强体与基体的配比, 制得高体积数增强相的镁基复合材料; 制备过程中基体镁不必经过全熔的高温状态,因而界面反应大大减弱,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。（4）薄膜冶金法22薄膜冶金法是指首先将基体合金经多次冷压变形和低温中间均匀化退火或低温热

18、轧后制成薄膜，然后将增强体均匀涂到Mg - Li合金薄膜上，最后把薄膜重叠挤压成复合材料的方法。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、塑性提高较大，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。薄膜冶金法存在制备工艺复杂、所有操作均需在惰性气体保护下进行、设备条件要求高、成本高的缺点。（5）原位合成法23原位合成法是近年发展起来制备金属基复合材料的一种新方法。该方法通过基体合金与反应物发生一定化学反应， 在基体中原位生成所需的增强体。R.T suzuki等24在原位合成反应中

19、首次运用冷轧和多次压塑成型工艺，并引入Mg2Si粉末作为增强体，结果表明，增强体不但沿着挤压方向均匀地分散在基体合金中，所得复合材料的机械性能也比传统的模具铸造提高很多，而且降低了合成温度。原位合成法制备复合材料的不足在于颗粒的添加比例受反应合成的限制，增强效果也相应受限，并且制备成本较高。四结论Mg - Li基复合材料具有诸多优点，如高的比强度、比刚度、优异的塑性加工性能、比重小、良好的阻尼减震及电磁屏蔽性等。但其仍存在着不足部分，如绝对强度偏低、耐腐蚀性差、耐磨性差、室温过时效、低蠕变强度等。目前，颗粒增强Mg-Li基复合材料仍存在以下问题：（1） 制备工艺复杂、成本高。一些先进的镁基复合

20、材料的制备加工技术仅限于实验室或小规模人工生产环境中，尚不能应用于实际生产，限制了镁基复合材料的实际应用。（2） 对于增强颗粒和基体的界面问题、复合机制等基础理论研究不足，不能有效控制增强颗粒和基体的界面行为，也不能很好地采用计算机模拟技术来优化材料设计。（3） 镁材料的腐蚀问题严重，关于杂质元素、晶粒细化及热处理等对镁基复合材料腐蚀性能的影响，有待进一步研究。 （4） 镁基复合材料的可回收性尚未解决，这是制约其应用的一大屏障。针对以上问题，提出以下解决办法：（1） 采用先进制造技术与材料的生产相结合，完善现有制备工艺、开发新工艺，以降低M g - L i基合金及其复合材料制备成本。与设备厂商

21、横向联合，开发出合适的镁合金生产设备，促进实验室研究向大规模生产的转化。（2） 开拓思路,选择合适的基体与增强体；对增强体进行表面改性来改善基体合金与增强体的界面结合，提高界面结合强度及界面稳定性。加强基础研究并结合计算材料科学,利用计算机模拟技术优化材料设计,定量描述材料界面结合、界面行为等诸多问题，优化界面结构，提高“界面”对材料性能的贡献。（3） 开发相应的表面防护技术，如等离子喷涂、微弧氧化、化学转化、液相沉积等。改善Mg-Li基合金及其复合材料的耐腐蚀性差的问题。（4） 加速Mg - Li基合金及其复合材料的再生及回收研究，提高材料利用率。开发镁基复合材料的废料回收与重熔技术，降低成

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