（有色金属冶金专业论文）原位自生mg2siaz91d复合材料组织与性能的研究.pdf

， 学位论文版权使用授权书 l i l l l t l t l l l l l l t l l l t l l t l t l l l t l l t t l l ll l t l t l l l l l l t l l 18 9 5 3 0 5 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电 子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被 查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数 据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论文编入中 国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布( 包括刊登) 授 权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密 学位论文作者签名：荔莒 纠f 年加署日 指导教师签名： ) 口，f 年 原位自生m 9 2 s i a z 9 1 d 复合材料组织与性 能的研究 s t u d yo nm i c r o s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so f m 9 2 s i a z 9 1 dc o m p o s i t ef a b r i c a t e db y i n - s i t us y n t h e s i sm e t h o d 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 本文利用原位自生反应制备了m g e s i a z 9 1 d 复合材料，研究了p 、s r 、c e 复 合变喷，高能超声以及热处理对复合材料的组织及其力学性能的影响。通过光学 显微镜( o m ) 、扫描电镜( s e m ) 、能量散射光谱( e d s ) 、x 射线衍射( x r d ) 等方法分 析不同工艺制备的m g e s i a z 9 1 d 复合材料的显微组织与相组成。 直接向a z 9 1 d 合金熔体中加入s i o ：( s i 含量为熔体质量的1 5 w t 1 粉末后， 制备的m 9 2 s i a z 9 1 d 复合材料的组织由m g 基体、不连续网状的f - m 9 1 7 a 1 1 2 相和 汉字状的m g e s i 相组成，m 9 2 s i 相平均尺寸为1 0 - 3 0 m 。添加p 、s r 、c e 对m 9 2 s i 相的彤貌、尺寸有明显的改善，当添加0 0 5w t p 、0 1 叭s r 、0 3 埘c e 变质 处理后m g e s i 形貌全部变为多边形状，且在基体上弥散分布，平均尺寸约0 5 5 m 。 此时复合材料的抗拉强度和伸长率分别为2 1 2 7 m p a 和2 3 7 。 对熔体施加高能超声，研究了不同的超声处理工艺对m 9 2 s i a z 9 1 d 复合材料 组织与性能的影响。结果表明：当超声处理工艺为1 2 k w ，6 m i n 时，m g e s i 相和 1 3 - m g l 7 a 1 1 2 相最为细小，且分布均匀，复合材料的抗拉强度o b 和伸长率6 分别达 到了2 2 0 5 m p a 和2 6 ，较未施加超声处理的试样提高了2 2 3 和3 8 9 。拉伸断 口上解理面变小，出现韧窝，复合材料的塑性得到提高。对变质后的复合材料施 加高能超声，发现多边形m g e s i 颗粒变得圆整，尺寸更细小，分散更均匀。此时， 其抗拉强度吼和伸长率6 分别为2 2 7 3 m p a 和2 8 2 。 对m g e s i a z 9 1 d 复合材料进行热处理，研究了t 4 处理( 4 2 0 c 不同保温时间的 固溶处理) 及t 6 处理( 固溶+ 1 8 0 。c 1 2 h 的时效处理) 对复合材料组织与性能的影响。 研究发现：t 4 处理能显著改善复合材料中m 9 2 s i 相的形貌与分布，随着保温时间 的延长，汉字状的m 9 2 s i 相逐渐熔断、球化，在4 2 0 ，1 6 h 固溶处理时，球化的 m g e s i 相最为细小、弥散且分布均匀；而d - m 9 1 7 a 1 1 2 相溶入基体中，形成过饱和固 溶体。固溶后的时效处理对m 9 2 s i 相的形貌和分布基本上没有影响， 3 - m 9 1 7 a 1 1 2 相则重新析出。t 4 处理时，在4 2 0 保温1 6 h 时，抗拉强度o b 和伸长率6 达到最 高，较未t 4 处理的复合材料抗拉强度和伸长率分别增加了1 4 5 和2 6 9 ，复合 材料的拉伸断口为准解理断裂。t 6 处理后，复合材料的抗拉强度o b 达到2 1 6 7 m p a ， 较未热处理和t 4 处理分别提高了2 0 2 和5 ；但是其伸长率6 为2 2 7 ，较t 4 原位自生m g e s i a z 9 1 d 复合材料组织与性能的研究 处理下降了1 0 9 ，复合材料的断裂机制主要为解理断裂。固溶处理过程中在 m 9 2 s i m g 界面间的表面张力作用下，m g e s i 相不同曲率处的s i 原子发生扩散，使 得m 9 2 s i 相不断熔断、扩散、析出，最终获得球化的m 9 2 s i 相。 热处理对变质后的m 9 2 s i a z 9 1 d 复合材料的m 9 2 s i 相的形貌基本没有影响， 仅棱角边缘处有钝化现象；f l - m 9 1 斛1 2 相在固溶过程中先溶入基体中，在随后的时 效处理过程中呈球状或短棒状重新析出。此时，复合材料的抗拉强度o b 为 2 2 5 6 m p a ，伸长率6 为2 7 8 ，断口特征为准解理断裂。 关键词：原位自生，m 9 2 s i a z 9 1 d ，变质处理，高能超声，热处理，力学性能 u 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , m 9 2 s i a z 9 1 dc o m p o s i t ew a sp r e p a r e db yi n s i t us y n t h e s i sm e t h o d t h ee f f e c t so fe l e m e n t sp ，s r , c e ，h i g h - i n t e n s i t yu l t r a s o n i ca n dh e a tt r e a t m e n to n m i c r o s t r u c t u r e s ，p h a s e sc o m p o s i t i o na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o m p o s i t e sw e r e s t u d i e db yu s i n go p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ， e n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o m e t e r ( e d s ) a n dx - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e m 9 2 s i a z 9 1 dc o m p o s i t e m a i n l yc o m p o s e do f m a g n e s i u mm a t r i x ，d i s c o n t i n u i t yn e t s h a p ep - m 9 1 7 a l ：2p h a s e sa n dt h ec o a r s ec h i n e s e s c r i p ts h a p em 9 2 s ip h a s e s ，w h i c hw a so b t a i n e db ya d d i n gs i 0 2p o w d e r si n t oa z 9 1 d m a g n e s i u ma l l o ym e l tw i t hs it o o ku p1 5 w t a n dt h ea v e r a g es i z eo fm 9 2 s ip h a s ei s b e t w e e n1 0a n d3 0 i t m t h ea d d i t i o no fes r , a n dc ec a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h e m o r p h o l o g ya n dd e c r e a s et h es i z eo fm 9 2 s ip h a s e w h e na d d i n g0 0 5 w t e0 1 w t s r , a n d0 3 w t c e ，a l lt h em 9 2 s ip a r t i c l e sc h a n g et om u l t i l a t e r a ls h a p e ，a n dt h ea v e r a g e s i z ei sb e t w e e n0 5a n d5 1 x m a tt h es a m et i m e ，t h et e n s i l es t r e n g t ha n dt h ee l o n g a t i o no f t h ec o m p o s i t ei s2 1 2 7m p aa n d2 3 7 ，r e s p e c t i v e l y t h ei n f l u e n c eo fv a r i e du l t r a s o n i ct r e a t i n gt i m ea n dp o w e r so nm i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e s o fm g e s i a z 9 1 d c o m p o s i t e a s h i g h i n t e n s i t y u l t r a s o n i cw a v e sw e r e i n t r o d u c e di n t ot h em e l tw a sa l s oi n v e s t i g a t e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h eb e s t u l t r a s o n i ce f f e c t sw e r eo b t a i n e dw i t hap o w e ro f1 2 k wa n dat r e a t i n gt i m eo f6 m i n t h e r ee x i s tt h ew e l l d i s t r i b u t e dc o s hs h a p em 9 2 s ip h a s ea n ds p h e r i c a lb - m 9 1 7 a i l 2 p h a s e m e a n w h i l e ，t h et e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o nr e a c h2 2 0 5 m p aa n d2 6 ，i n c r e a s eb y 2 2 3 a n d3 8 9 t h a nt h o s ew i t h o u tu l t r a s o n i ca s s i s t a n c e t h et e n s i l ef r a c t u r es u r f a c e s p o s s e s st h ec h a r a c t e r i s t i co ft h es m a l l e rc l e a v a g ep l a n ea n dt o u g hd i m p l ee x i s t e n c e i ti s f o u n dt h a tt h em u l t i l a t e r a ls h a p em 9 2 s ip a r t i c l e sb e c o m ef i n e r ，m o r ed u l la n g u l a ra n d d i s t r i b u t em o r eu n i f o r m l y ，w h i l et h em o d i f i c a t i o n c o m p o s i t eu n d e rh i g h i n t e n s i t y u l t r a s o n i ct r e a t m e n t a n dt h et e n s i l es t r e n g t ha n dt h ee l o n g a t i o na r e2 2 7 3 m p aa n d 2 8 2 ，r e s p e c t i v e l y t h ee f f e c t so fh e a tt r e a t m e n t ，w i t ht 4t r e a t m e n t ( i e s o l u t i o nt r e a t m e n ta t4 2 0 c f o rd i f f e r e n th o l d i n gt i m e ) a n dt 6t r e a t m e n t ( i e a g i n gt r e a t m e n ta t1 8 0 cf o r1 2 ha f t e r s o l u t i o nt r e a t m e n t ) ，o nm i c r o s t m c t u r e sa n d p r o p e r t i e s o fc o m p o s i t ew e r et h e n r e s e a r c h e d t h er e s u l t sr e v e a lt h a td u r i n gs o l u t i o nt r e a t m e n t ，t h em o r p h o l o g ya n d i i ! 一 一 原位自生m 9 2 s i a z 9 1 d 复合材料组织与性能的研究 d i s t r i b u t i o no ft h ec o a r s ec h i n e s es c r i p ts h a p em 9 2 s ip h a s e sa r em o d i f i e d w i t h i n c r e a s i n gh o l d i n gt i m e ，t h ec o a r s em 9 2 s ip h a s e st e n dt ob ed i s s o l v e d ，b r o k e na n d s p h e r o i d i z e d m e a n w h i l e ，t h ep - m 9 1 7 a 1 1 2p h a s e i sd i s s o l v e di n t ot h em a g n e s i u mm a t r i x a f t e ra g i n gt r e a t m e n t ，t h em o r p h o l o g yo ft h es p h e r o i d i z e dm 9 2 s ip a r t i c l e sa r eh a r d l y c h a n g e d ，m e a n w h i l et h ep - m g l 7 a 1 1 2p h a s ed i r e c t l yp r e c i p i t a t e sf r o mt h es u p e r s a t u r a t e d s o l i ds o l u t i o na g a i n a f t e rs o l u t i o nt r e a t m e n ta t4 2 0 f o r1 6h o u r s t h et e n s i l es t r e n g t h a n de l o n g a t i o no fc o m p o s i t ea r ei n c r e a s e db y1 4 5 a n d2 6 9 ，r e s p e c t i v e l y a n dt h e f r a c t u r ef e a t u r eo fc o m p o s i t e sc h a n g e sf r o mc l e a v a g ep a t t e r n st oq u a s i - c l e a v a g ef r a c t u r e a f t e ra g i n gt r e a t m e n t ，t h et e n s i l es t r e n g t ho fc o m p o s i t er e a c h e s2 1 6 7 m p a ，2 0 2 a n d 5 h i g h e rt h a nt h ea s - c a s ta n da f t e rs o l u t i o nt r e a t m e n t h o w e v e r t h ee l o n g a t i o ni s 2 2 7 ，w h i c h 积】9 9 l o w e rt h a ns o l u t i o nt r e a t m e n tc o m p o s i t e s a n dt h e f r a c t u r e m e c h a n i s mi st h e c l e a v a g e f r a c t u r e i ti sb e l i e v e dt h a tt h em 9 2 s ip h a s e sw e r e c o n t i n u o u s l yd i s s o l v e da n db r o k e n ，a n df i n a l l yt h es p h e r o i d i z e dm g l 2 s ip a r t i c l e sw e r e o b t a i n e dd u et ot h ei n t e r f a c et e n s i o no fm 9 2 s i m gi n t e r f a c e t h em o d i f i c a t i o nc o m p o s i t ea f t e rh e a tt r e a t m e n t ，t h em o r p h o l o g ya n ds i z eo ft h e m u l t i l a t e r a ls h a p em g a s ip a r t i c a l sa r e c h a n g e ds l i g h y a t t h es a m et i m e ，t h e d - m 9 1 7 a 1 1 2p h a s ef i r s t d i s s o l v e si n t ot h em a t r i x ，a n dt h e np r e c i p i t a t e s f r o mt h e s u p e r s a t u r a t e ds o l i ds o l u t i o n ，w h i c hm o r p h o l o g yi ss h o r t b a ra n ds p h e r i c i t y a n dt h e t e n s i l es t r e n g t hi s2 2 5 6 m p a ，t h ee l o n g a t i o ni s2 7 8 k e yw o r d s ：i n s i t u s y n t h e s i s ，m 9 2 s i a z 9 1 dc o m p o s i t e ，m o d i f i c a t i o n , h i g h - i n t e n s i t yu l t r a s o n i c ，h e a tt r e a t m e n t ，m e c h a n i c a lp r o p e r t y i v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 1 2 1 3 1 5 第二章 目录 弓l 言1 原位自生颗粒增强镁基复合材料的概述2 原位自生颗粒增强镁基复合材料的制备方法及组成选择3 1 3 1 原位自生颗粒增强镁基复合材料的制备方法3 1 3 2 原位自生颗粒增强镁基复合材料及组成的选择7 工艺因素对m 9 2 s i 增强镁基复合材料的影响1 1 1 4 1 变质处理对m 9 2 s i 增强镁基复合材料的影响1 1 1 4 2 机械搅拌对m 9 2 s i 增强镁基复合材料的影响1 4 1 4 3 高能超声对m 9 2 s i 增强镁基复合材料的影响1 4 1 4 4 热处理对m 9 2 s i 增强镁基复合材料的影响1 5 选题意义及研究内容1 6 实验原材料及方法 2 1 实验原材料1 7 2 2 试验设备1 7 2 2 1 熔炼设备1 7 2 2 2 超声设备1 8 2 2 3 热处理设备1 9 2 3 制备工艺1 9 2 3 1 m g e s i a z 9 1 d 复合材料制备工艺1 9 2 3 2 施加超声的复合材料制备工艺。2 0 2 3 2 热处理工艺2 0 2 4 复合材料的分析测试方法2 1 2 4 1 金相组织观察2 1 2 4 2x 射线衍射分析2 1 2 4 3 扫描电镜和能谱分析2 1 2 4 4 力学性能测试2 2 第三章变质处理对m 9 2 s v a z 9 1 d 复合材料的影响 3 1 s i 0 2 与a z 9 1 d 合金的热力学计算以及动力学模拟2 3 3 1 1 s i 0 2 与a z 9 1 d 镁合金的热力学计算2 3 3 1 2 s i 0 2 与a z 9 1 d 镁合金反应动力学分析2 5 v 原位自生m 9 2 s i a z 9 1 d 复合材料组织与性能的研究 3 2 3 3 3 4 3 5 第四章 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 第五章 5 1 5 2 5 3 第六章 m g a s i a z 9 1 d 复合材料铸态组织特征2 6 p 、s r 、c e 复合变质对m 9 2 s i a z 9 1 d 复合材料的影响2 8 3 3 1 变质处理对m 9 2 s i a z 9 1 d 复合材料铸态组织的影响2 8 3 3 2 p 、s r 、c e 对m 9 2 s i a z 9 1 d 复合材料的变质机理讨论3 1 p 、s r 、c e 复合变质的m 9 2 s i a z 9 1 d 复合材料的性能测试3 2 3 4 1 变质处理对m 9 2 s i a z 9 1 d 复合材料力学性能的影响3 2 3 4 2 变质处理对m 9 2 s i a z 9 1 d 复合材料的断裂行为分析3 3 本章小结。3 4 高能超声对m 9 2 s i a z 9 1 d 复合材料的影响。 3 5 高能超声的特点和作用机理3 5 不同超声处理工艺对m 9 2 s i a z 9 1 d 复合材料铸态组织的影响3 7 4 2 1 不同超声处理时间对复合材料铸态组织的影响。3 7 4 2 2 不同超声处理功率对复合材料铸态组织的影响3 8 不同超声处理工艺对m 9 2 s i a z 9 1 d 复合材料性能的影响3 9 4 3 1 不同超声处理时间对复合材料力学性能的影响。3 9 4 3 2 不同超声处理功率对复合材料力学性能的影响4 1 4 3 - 3 高能超声对m 9 2 s i a z 9 1 d 复合材料的影响分析4 3 高能超声对变质处理的m 9 2 s i a z 9 1 d 复合材料的影响4 4 本章小结4 6 热处理对m 9 2 s i a z 9 1 d 复合材料的影响 热处理对m 9 2 s i a z 9 1 d 复合材料组织与性能的影响4 8 5 1 1 t 4 、t 6 处理对m 9 2 s i a z 9 1 d 复合材料显微组织的影响4 8 5 1 2 t 4 、t 6 处理对m 9 2 s i a z 9 1 d 复合材料力学性能的影响。5 2 5 1 3 热处理对m 9 2 s i a z 9 1 d 复合材料的影响原因探讨。5 4 热处理对变质后的m 9 2 s i a z 9 1 d 复合材料的影响5 6 5 2 1 热处理对变质处理的m 9 2 s i a z 9 1 d 复合材料铸态组织的影响5 6 5 2 2 热处理对变质处理的m 9 2 s i a z 9 1 d 复合材料力学性能的影响5 8 本章小结。5 8 参考文献 致谢 主要结论 攻读硕士期间发表的论文 v i 6 0 6 2 6 8 6 9 江苏大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 近年来，随着航空航天、汽车、机械以及电子产业的迅速发展，为了降低能耗 和减少污染( 如汽车尾气、废弃塑料等) ，材料的轻量化和回收再利用问题，越来越 受到人们的重视。而在实用工程金属材料中，镁合金的密度最小( 纯镁的密度为 1 7 4 9 c m 3 ，常规镁合金的密度为1 3 1 9 9 c m 3 ) ，约占铝合金的2 届，钢的1 4 ，是 工程应用中最轻的金属结构材料。同时，镁及镁合金还具有比强度和比刚度高、 阻尼减震性和切削加工性好等优点，特别是利于回收利用而具有环保特性，而且 镁在地壳中储存量十分丰富。因此，镁被誉为“2 1 世纪的绿色工程材料，被公认 为是2 1 世纪高新技术产业中最有希望大量应用的金属材料之一【蚴。 虽然，镁及其合金得到了广泛的应用，但是仍有很多缺点限制了镁合金的发展 和应用，不足之处主要表现在：( 1 ) 弹性模量较低；( 2 ) 凝固时收缩率低；( 3 ) 化 学反应活性高：( 4 ) 有限的冷加工能力和韧性；( 5 ) 高温性能较差以及( 6 ) 耐蚀性 较差等【3 一。于是，自2 0 世纪8 0 年代起，镁基复合材料开始发展，并且越来越受 到人们的关注，现已成为材料领域的研究热点之一。镁基复合材料的研究在世界 各国迅速发展起来，现已制备出多种增强体( 长纤维、短纤维、晶须和颗粒) 增强的 镁基复合材料。与镁合金相比，镁基复合材料具有更高的比强度和比刚度，良好 的耐磨性、耐高温性、耐冲击性、优良的减震性能及良好的尺寸稳定性和铸造性 能等。由于这些优良性能，镁基复合材料成为继铝基复合材料之后又一具有竞争 力的轻金属基复合材料，在航空航天、军工产品制造、汽车以及电子封装等领域 中具有巨大的应用前景【5 ，6 】。 镁基复合材料的增强体的种类繁多、形态多样。按照增强体形态，镁基复合材 料一般可以划分为纤维( 如c 纤维、a 1 2 0 3 纤维等) 增强镁基复合材料与晶须( 如s i c 晶须) 和颗粒( 如s i c 颗粒、t i b 2 颗粒和m 9 2 s i 颗粒等) 增强镁基复合材料。据研究， 纤维增强镁基复合材料具有工艺复杂、成本高、不易最终成形、机械加工困难且 复合材料的力学性能具有各向异性等不足，进而限制了其应用。颗粒增强镁基复 合材料与纤维、晶须增强镁基复合材料相比，则具有制备工艺简单、成本低廉、 可进行二次加工等优点而备受关注，是目前最有可能实现工业规模化生产和应用 原位自生m 9 2 s i a z 9 1 d 复合材料组织与性能的研究 的镁基复合材料同。 目前，颗粒增强镁基复合材料制备方法主要为外加复合法和原位自生复合法 i s , 9 。外加法中增强颗粒需单独合成，在随后的工艺过程中以混料方式加入到基体 中或通过搅拌方式直接加入金属熔体中。由于颗粒以外加的方式与基体复合，导 致颗粒表面有污染，界面结合差且易生成脆弱性副产物等缺点，虽然对增强颗粒 进行表面处理、表面改性，但工艺繁杂，且效果不能令人满意。而原位自生法的 增强颗粒是在制备过程中，于基体内通过加入反应物质或通入反应气体，在液态 盒属内部反应而生成生长的相对均匀分布的增强相，增强相与基体近似处于平衡 状态，且在复合材料内部可以实现对原位自生的增强颗粒形貌进行更好的控制。 因此，近年来原位颗粒增强镁基复合材料的研究倍受重视。随着研究的不断深入， 相信不久的将来，原位自生颗粒增强镁基复合材料如同铝基复合材料一样将广泛 应用与航天航空、电子、汽车等各个行业【1 0 1 。 1 2 原位自生颗粒增强镁基复合材料的概述 原位复合材料1 1 1 】的概念是前苏联m e r z h a n o vag 等人在自蔓延高温合成法 f s h s ) n 备t i b 2 c u 功能梯度材料时首先提出的，但当时尚未引起人们的重视，直 到8 0 年代后期，美国的l a n x i d e 公司和i t y od r e x e l 大学的k o c z a km j 等人先后报 到了各自研发的a 1 2 0 3 a 1 和，n c 脚复合材料及其相应的制备工艺后，才正式在世 界范围内拉开了原位复合材料研究工作的序幕。 近年来，开发的原位自生颗粒增强镁基复合材料的特点是利用混合体中成分 之间的化学反应，生成一种或多种高硬度和高熔点增强相，其均匀分布于镁合金 基体上，达到强化基体的作用。增强相是反应合成的，内生于基体之中。由热力 学原理知，保证生成增强体的反应的自由能变化为比较大的负值，使生成有害相 的自由能变化为较小的负值或正值，这样不仅在理论上保证了增强相形成的可能， f i 刁时也可以最大限度地抑制有害相的形成。其主要优点有1 7 , 8 , 9 4 2 , 1 3 】： ( 1 ) 增强体在镁基体上原位形核、长大，具有强界面结合、良好的相容性； ( 2 ) 通过选择反应物来控制增强相种类、大小和数量，并可以通过工艺来控制其 人小和分布，不易出现增强相的团聚； ( 3 ) 省去了增强物的预处理，简化了工艺流程，成本也相对降低； ( 4 ) 增强相颗粒细小，尺寸往往处于微米级或微米以下，能保证镁基复合材料 2 江苏大学硕士学位论文 不但有良好的韧性和高温性能，而且有很高的强度和弹性模量； ( 5 ) 能与铸造工艺结合，直接制造出形状复杂、尺寸变化大的产品。 因此，原位自生反应合成法是一种很有前途的合成技术，具有明显的技术与 经济优势。原位自生颗粒增强镁基复合材料具有良好的应用前景，与铝基和钛基 复合材料相比，适用于镁基复合材料的制备技术和增强体有限，若使其能够进行 大规模地工业应用，掌握能制备出高质量的原位自生颗粒增强镁基复合材料的制 备方法是其关键所在。 1 3 原位自生颗粒增强镁基复合材料的制备方法及组成选择 1 3 1原位自生颗粒增强镁基复合材料的制备方法 按照制备原理的主要特点或特征，原位颗粒增强镁基复合材料的制备方法可 概括为【5 6 ，1 4 1 ；固液反应法；固固反应法；液液反应法；气液反应法；气固反应 法；以及利用传统铸造和凝固过程中析出的初生相和或共晶相作为增强体的铸造 冶金法。考虑到镁的反应体系主要包括【1 0 l ：m g t i c ，m g m 9 2 s i ，m g m g o ， m g - t i b 2 t i b 。因此，主要介绍下面几种用于制备原位颗粒增强镁基复合材料的方 法。 1 3 1 1 机械合金化技术( 撇法) 机械合金化技术( m e c h a n i c a la l l o y i n g ，m a 法) 是b e n j a m i n js 【蚓于2 0 世纪7 0 年代在i n t e r n a t i o n a ln i c k e l 公司制备氧化物弥散强化高温合金时首次提出的。其基 本原理是将不同的粉末置于高能球磨机中球磨，粉末经磨球的碰撞、挤压、重复 地变形、断裂、冷焊、原子间相互反应在基体内部生成增强相，并于基体原位复 合【1 。然后将此粉末真空脱气，热压或冷处理固结成型。hl 等人【1 6 ，1 7 】用m g 、 砧、s i 粉末制得m 9 2 s i 增强镁基复合材料。研究发现m 9 2 s i 的尺寸较传统铸造法制 备的m 9 2 s i 尺寸细小，且和m g 在球磨中形成固溶体和m g l t a l l 2 相，该相在后 续烧结成型过程中液化，能够促进颗粒之间的结合。他们【1 8 】还采用m a 法制备了 m g 5 w t a 1 1 0 3 w t t i - 4 7 w t b 粉料，发现经过热挤压后固态析出的非平衡相 t i 3 8 4 可以起到弥散强化作用，使得材料的强度有了明显提高，其抗弯强度达 9 0 0 m p a ，大大超过普通镁合金。l a im 0 等人1 1 9 】利用m g 粉、越粉、n 粉、b 粉和 聚乙烯7 , - - 醇的机械合金化技术和退火处理原位合成了t f l - 1 2 纳米颗粒增强m g a l 3 原位自生m g e s i a z 9 1 d 复合材料组织与性能的研究 基复合材料，其屈服强度和伸长率较传统的不进行球磨的材料高。此外，y a m a d a 等人【刎采用此方法由m g - t i c 系统也制备出了t i c 颗粒增强镁基复合材料。 1 3 1 2 自蔓延高温合成法( s h s 法) 自蔓延高温合成法( s e l f - p r o p a g a t i n gh i g ht e m p e r a t u r es y n t h e s i s ，s h s 法) 是前 苏联科学家agm e r z h a n o v 等人发明的，是苏联解体后美国从俄罗斯最先引进的 两项技术之一。自蔓延高温合成技术基本原理是将增强相的组分原料与金属粉末 混合，压坯成型，在真空或惰性气氛中利用外部的能量预热引燃局部，临近物质 利用放出的热量不断发生反应，直至蔓延整个试样即得所需的复合材料。反应生 成物即为增强相弥散分布于基体中，颗粒尺寸可达亚微米级。 目前，自蔓延高温合成工艺已用于制备颗粒增强镁基复合材料。姜启川等人【2 1 】 采用s h s 工艺成功的制备了t i c 颗粒增强a z 9 1 z m 5 基复合材料。马宝霞【2 2 】应用 此工艺制备的( t i b 2 t i c ) v a z 9 1 复合材料，t i b 2 和t i c 颗粒在基体中分布均匀，t i b 2 呈六边形片状，t i c 呈近球形，尺寸均在5 岬以下。增强体和基体界面纯净，没 有明显的界面反应物，复合材料的硬度和耐磨性较a z 9 1 合金都有显著地提高。 w a n ghy 等人【2 3 。2 5 】在t i b 体系在高温自蔓延反应中通过添加t i b 2 - a i 合金及搅 拌铸造制备了t i b 2 l v l g 复合材料，在该复合材料中存在少量的、难以去除的a 1 3 t i 脆性相。研究又发现，在灿t i b 体系中加入适量的c ，可以最大限度的消除脆性 相砧3 t i ，制备出了t i 9 2 t i c m g 复合材料。 1 3 1 3 反应浸渗法( r ls 法) 反应浸渗法( r e a c t i o ni n f i l t r a t i o np r o c e s s ，r i s 法漠似s h s 法，它是将原料粉 末压制成坯后置于镁锭下方，一起加热至镁熔点以上的某个温度，镁熔液浸渗到 多孔的预制块中，同时发生原位反应，冷却后即制得致密的原位内生复合材料。 该工艺是目前比较适合制备高体积百分比( 5 0 ) 金属基复合材料的方法，并具有 合成的颗粒细小且呈球形的特点。d o n gq 等人【2 6 】用( n + c ) 体系制备了原位内生 f n c p 增强镁基复合材料。陈礼清等人田；2 s l 利用t d c 元素粉末间的原位放热反应合 成了t i c 颗粒，同时结合镁熔体的自发渗透技术制备了t i c p m g 复合材料。该材 料组织细密，增强相呈细小颗粒状和互穿网片状存在，且分布均匀。 1 3 1 4 混合盐反应法( l s n 法) 混合盐反应法( m i x e ds a l tr e a c t i o n ，l s m 法) 是由l o n d o ns c a n d i n a v i a n 4 江苏大学硕士学位论文 m e t a l l u r g y 公司提出的一种生产复合材料的新工艺，最初应用于原位合成铝基复合 材料【捌。其工艺是指将盐类( 如k 2 t i f 6 和k b f 4 f a 搅拌方式引入高温金属熔体中， 反应后生成增强体t i b 2 ，除去不必要的副产物后浇铸，即得到原位自生t i b 2 颗粒 增强的镁基复合材料。它的特点是基于现有的冶炼工艺，制备过程容易控制，有 着良好的应用前景。m a t i nma 等【3 0 1 人将此法用于镁基复合材料的制备，将k b f 4 和k 2 t i f 6 两种混合盐加入镁熔体中制备( t i b 2 + t i b ) m g 复合材料，并从热力学角度 证实了该原位反应的可行性，同时还否定了混合盐之间自发反应生成t i b 2 的可能。 混合盐反应法工艺简单，周期短，无需真空和惰性气体保护系统；可直接浇注成 型，易于批量生产和推广；原材料为盐类，来源广泛且成本低的优点。该方法是 基于现有的冶炼工艺，制备过程容易控制，因此，有着良好的应用前景。 1 3 1 5 熔体直接反应法( d m r 法) 熔体直接反应法( d i r e c tm e l tr e a c t i o n ，d m r 法) ，亦称铸造冶金法：包括增强 颗粒的原位合成和铸造成型两个过程。其典型工艺为：将固态元素粉末、中间合 金粉末或者固态不稳定化合物加入到镁熔液中，与m g 或熔液中其它元素发生反应 而生成所需的增强相，从而制备内生颗粒增强的镁基复合材料【3 1 - 3 3 1 。该法制各工 艺简便，并且制各温度与常规熔炼温度很接近，便于与传统工艺相结合。 王连登等人【蚓在镁合金熔体中加入s i 粉，制备了m 9 2 s i 颗粒增强镁基复合材? 料。本课题组的徐云龙p 5 】通过在a z 9 1 d 镁合金熔体中加入s i 中间合金，制备 了m 9 2 s i a z 9 1 d 复合材料。研究表明，s i 加入量对m 9 2 s i 形态的影响规律为：当 s i j i ) k 量较少时( 3 0 5 0m s ) ， 液态合金与辊面紧密接触，连续地凝固为一条薄带，在离心力的作用下飞离辊面。 显然，辊面的线速度愈高，合金液喷射的流量愈小，则所获得合金条带就愈薄， 冷却速度就愈高。 ( 2 ) 放热弥散 法( x d t m ) 放热弥散法( e x o t h e r m i cd i s p e r s i o n ，x d t m 法) 技术是美国b r u p b a c h e r 等人于 1 9 8 3 年发明并申请专利。该法是在s h s 法的基础上改进而来的，其基本原理是： 将增强相组分物料与金属基粉末按一定的比例混合均匀，冷压或热压成形制成坯 块，以一定的加热速率预热试样，在一定温度下，增强相各组分之间进行放热化 学反应，生成尺寸细小、弥散分布的增强相。目前，利用) 1 m 法已制备了t i c a 1 、 t i b 2 a i 、t i b 2 a 1 l i 等铝基复合材料【4 2 1 。 ( 3 ) 原位固态反应法( r h p 法) 原位固态反应法( m - i p ) 是将原料粉末与镁粉混合后，在一定温度和压力条件下 反复进行热锻压，使得粉末颗粒之间发生固固反应，原位生成增强相。该法制备 工艺复杂，但复合材料的性能有望获得较大的提高。k o n d o hk a t s u y o s h i 4 3 1 等人用 6 江苏大学硕士学位