（材料物理与化学专业论文）sic颗粒增强镁基复合材料的制备与性能研究.pdf

摘要镁合金由于具有较高的比强度、比模量、电磁屏蔽性、较好的阻尼减震性、较好的抗老化能力和良好的导电和导热性的特点，正成为结构材料开发的热点之一。但是一般镁合金存在低的使用温度、有限的冷加工能力、低的韧性和高温强度、凝固时收缩率较高、高的化学反应活性和耐蚀性较差等不足。而颗粒增强镁基复合材料可减轻镁合金的某些不足，是克服镁合金性能弱点的有效方法之一。本文在充分分析本领域国内外研究现状的基础上，采用粉末冶金法制备颗粒增强镁基复合材料：首先通过高能球磨机对混合粉末进行球磨，然后冷压成型，最后在真空热压炉中烧结制备s i c a z 8 l 镁基复合材料。一方面达到利用s ；c 颗粒来增强a z 8 l 镁合金，改善其韧性的目的：另一方面对颗粒增强镁基复合材料的制备提供理论依据。采用粉末冶金法制各了a z 8 1 镁合金及s i c a z 8 1 镁基复合材料，对混合粉末的球磨时间和球磨转速进行了确定。通过真空热压烧结技术，研究了烧结工艺参数。s i c a z 8 1 镁基复合材料具有如下的组织结构特征：微米级的s i c 颗粒主要弥散分布在基体内，基体相主要为a m g 相。实验研究表明，与a z 8 1 基体相比，s i c a z 8 1 复合材料的拉伸强度、断裂韧性、硬度都有了较大提高，分别达到2 7 1 6 1 m p a 、5 9 6 m p a m “2 、2 ，5 2 g p a 。材料的拉伸强度和断裂韧性均随s i c 的加入量，先增加后降低，并在s i c 含量分别为2 0 v o l 和1 5 v o l 时达到最大值。适量s i c 颗粒的引入，不但可以提高材料的室温拉伸强度，而且对材料的室温断裂韧性也有一定的改善。s i c ，a z 8 1 镁基复合材料具有较好的综合力学性能，s i c a z 8 l 镁基复合材料的干滑动抗磨损性能较a z 8 l 镁合金也有了一定提高。复合材料强度的提高，一方面是s i c 颗粒与基体合金a z 8 l 的载荷分配，另一方面是位错强化和细晶强化共同作用的结果。复合材料韧性改变主要源于s i c 粒子对裂s i c 颗粒增强镁基复台材判的制前与胜能研究纹的偏转，其次存在一定的热失配问题，引发产生层错，从而提高了材料的断裂韧性。硬度和干滑动抗磨损性能的提高主要是由于s i c 颗粒自身的硬度( 2 8 g p a ) 高于a z 8 l合金的硬度( 约为o 9 7 g p a ) ；其次，作为第二相的s i c 颗粒能起到细化晶粒的作用，故复合材料的硬度和干滑动磨损性能显著提高。关键词：粉末冶金：镁基复合材料；s i c ；力学性能a b s t r a c tm a g n e s i u ma 1 i o yh a se x c e l l e n tp o t e n t i a lt ob e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta e r o s p a c em a t e r i a l sb e c a u s eo f i t sh i g hs p e c i f i cs t r e n g t h 、s p e c m cs t i 胁e s s 、e l e c t r o m a g n e t j cs h i e l dp r o p e r t y 、d a n l p i n gc h a r a c t e r i s t i c s 、a n t i a g i n gp r o p e r t y 、c o n d u c t i v i t ya n dt h e 衄a lc o n d u c t i v i t yb u tu s ei nl o wt e m p e r a t u r e 、1 j m i t e dc o l dw o r ka j l dt o u g h n e s s 、l i m i t e ds 仃e r 坞t ha th i 曲t e m 咿e r a t u r e 、h i 曲s 1 r i n k a g ei ns o i i d m c a t i o n 、h i 曲c h e m i s t 拶r e a c t i v j t ya 1 1 dl o wc o r r o s i o nr e s i s t a n c ei ns o m ep r a c t i c a lu s eo fm a g n e s i u ma l l o yp a r t i c u l a t er e i n f o r c e dm a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e sc a na v o i do ra b a t et h e s ei i m i t a t i o n s ，w h i c hi sa ne f f e c t i v em e m o dt oo v e r c o m ep r o p e r t yw e a k n e s so fm a g n e s i u ma l l o 弘t h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do nc u n - e n tr e s e a r c ho fd o m e s t i cc o u n t r ya n df o r e i g nc o u n 打ye n t i r e l ya n a l y z e d ，f i r s t l yd i 圩e r e n tp o w d e rw e r ct r e a ti nv a c u u md r y e r ，t h e nm i x e da n dg r o u n dt os t a t e df i n e s sb yh i g h e n e 唱yg r i n d i n gm a c h i n e ，a n dw e r es i n t e r e dt og e ts i c a z 8 1c o m p o s i t e sb yv a c u u mh o tp r e s ss i n t e r i n gs t o v ei nt h ee n da r e rm o l db yc o i dp r e s s o n es j d es i cp a r t i c l ec a ns t r e n 酣h e na n di m p r o v e 抒a c t u r et o u g h n e s so f a z 8 lt oe n h a l l c em a g n e s i u ma i i o yp m p e r t i e so nt h eo n eh a j l dm e c h a n i c sp r o p e r t i e si nf a b r i c a t i n gp a r t i c u l a t er e i n f o r c e dm a g n e s i u mm a 仃i xc o m p o s i t e sb yp o w d e rm e t a l l u r g ya n di n n u e n c i n gm e c h a n i s mw e r es t u d i e dt oa r o u s em o r er e s e a r c hp e r s o n a it op a ya n e n t i o nt op a n i c u l a t er e i n f o r c e dm a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e sb yp o w d e rm e t a l l u 唱y ta z 81a 1 1 0 ya n ds i c a z 81m a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e sw e r ef a b r i c a t e db yp o w d e rm e t a l l u 唱y g r i n d i n gt i m ea n dg r i n d i n gv e l o c i t yo fm i x e dp o w d e rw e r eo b t a i n e d s i n t e r i n gt e c h n i c a lp a r 砌e t e r s 、e r er e s e a r c h e db yv a c u u mh o tp r e s ss i n t e r i n g e x p e r i m e m a lr e s u l t ss h o w ss t m c t u r ec h a r a c t e r so fs i c a z 8 1m a g n e s i u mm 嘶xc o m p o s i t e s ：s i cp a n i c l em a i n l yw e r ea s s e m b l e do nt h eb o u n d a r yo fm a t r i x ；t h em i c r o s t r u c t u r eo fm a t r i xw e r eam gp h a s e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt e n s i l es 弓n g t h 、f r a c t u r et o u g h n e s s 、v l c k e r sl t ls i c 颗粒增强镁基复台材料的制备与性能研究h a r d n e s so fs i c a z 8 lc o m p o s i t e sw e r er c m a r k a b l yi m p r o v e d ，t h e i rm a x i m u mc a nr e a c h2 7 1 6 1 m p a 、5 9 6 m p a m m 、2 ，5 2 g p ar e s p e c t i v e l y b o t ht e n s i l es t r e n 昏ha n d 行a c f u r et o u 曲n e s si n c r e a s ea tf i r s ta n dt h e nd e c l i n ew i t hs i cc o n t e n ta n dr e a c h e dam a x i m u mv a l u ea t2 0 v 0 1 s i ca 1 1 d1 5 v o l s i c ，r e s p e c t i v e l y ，m o r e o v e r ，s i c a z 8 1c o m p o s i t e sh a v eh i g h e rh a r d n e s sa n d 、v e a rt h a na z 8 1m a t r i x s i c a z 8 lc o m p o s i t e sp o s s e s s e dg o o dm e c h a n i c a lp m p e n i e s o n es i d ei o a di sd i s t r i b u t e db e t w e e ns i ca n da z 8 1a l l o ym a t r i x ，o nt h co n es i d ed i s l o c a t i o ns t r e n g t l l e n i n ga n df a i n r e f i n e m e ma l s oc a ni m p r o v es t r e n g t ho fc o m p o s i t e s s i cp a n i c i ec a nd e n e c tc r a c k ，a 1 1 d 如r t l l e m l o r eh o ts t r e s sb e t w e e na l l o ym a t r i xa 1 1 dp a r t i c l ec a nf o r r i ls t r e s si n t e r f e r e n c ep a t t e m ，s of r a c t u r et o u g h n e s so fc o m p o s i t e sc o u l db ei m p r o v e d m i c r o h a r d n e s sa i l dd r ys l i d i n gf r i t i o nw e r ei m p r o v e dd u et om i c m h a r d n e s s ( 2 8 g p a ) o fs i cp a r t i c l e ，m e a n w h i l es i cp a n l c l ec o u l df l n eg r a i no fc o m d o s i t e s k e yw o r d s ：p o w d e rm e t a l l u r g y ；m a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e s ；s i c ：m e c h a n i c “p r o p e r t i e ss i c 颗粒增强镁基复合材料的制各与性能研究d b拉伸强度t时间d烧结试样的密度r球料比西直径t e m透射电镜符号说明k i c断裂韧性s试样磨损量d o复合材料的理论密度v转速s e m扫描电子显微镜x r dx 射线衍射分析原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：巍日期：三蛆论文作者签名：三嗯日期：兰! 皇斗关于学位论文使用授权的声明本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。( 保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者魏塞缸跏签趣逊吼趔! 垒论文作者签名：基窒至l导师签智趁查垒丝日期：趔! 乏：第一章绪论1 1前言先进丰才料的高比强度、高比模量和耐高温是结构材料开发的永恒主题。镁合金的优势列举如下：( 1 ) 较高的比强度、比模量；( 2 ) 电磁屏蔽性；( 3 ) 阻尼减震性好；( 4 ) 与聚合物材料相比，具有更好的力学性能、抗老化能力、更好的导电和导热率、易于回收，是一种环保可再生的材料，可替代现行的工程塑料【h0 1 。尽管镁合金具有以上优点，但是一般镁合金的高温强度低、蠕变性能差、例磨性较低、长期使用不能超过1 2 0，这是限制镁合金广泛应用的主要问题，单纯依靠合金化的手段不足以较大的改善其性能。同时随着宇航、国防及汽车等行业的不断发展，现有的镁合金已远不能满足更高的性能要求。因此，研制开发更轻、强度和韧性更高、更耐磨和耐高温的新型镁基复合材料已成为材料研究领域中的一个重要发展方向】。s i c 颗粒具有弹性模量高、热稳定性好、耐腐蚀、价格低廉、与基体镁相容性好等优点。通过陶瓷增强颗粒作为增强相增强镁合金，可以提高镁合金室温拉伸强度、韧性、抗蠕变性能、高温塑性，使之更好应用于汽车、摩托车部件、电脑、家电用机壳、手机机壳、航空等领域 。一方面，希望通过s i c 颗粒增强镁合金，获得一种既有更高比强度和比刚度，同时又具有陶瓷材料的高温强度、高温抗氧化、抗腐蚀等性能予一体的一种新型复合材料，广泛用于航空航天、能源、冶金、机械等领域。另一方面，在研究s i c 颗粒增强镁基复合材料的基础上，为通过粉末冶金法制备具有良好特性的镁基复合材料提供理论依据和试验数据。1 2 镁及镁合金材料的研究现状1 2 1镁的晶体结构与物理化学特性镁属于轻金属，是门捷列夫周期系的第二族化学元素。纯镁为银白色，电子结构为1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 ，晶体结构为密排六方。图1 1 是密排六方结构a ，b ，c 三层原子在ls i c 颗粒增强镁基复合材料的制蔷与性能研究密排面上的堆垛方式。在2 5 时的晶格常数为a = o 3 2 0 9 啪，c - o ，5 2 1 1 n m ；晶胞的轴比为c a _ 1 6 2 3 7 。m g 元素在地壳中储量较大，在金属中仅次于铝、铁，居第三位。镁有三个同位素，其质量分别为2 3 9 9 、2 4 9 9 和2 5 9 9 。在自然界的混合物中同位素含量分别为7 8 6 、1 0 1 1 和1 1 2 0 。表1 1 是镁的物理化学性质参数。图1 1a ，b ，c 三层原子在密排面上的堆垛方式【1 2 】f i 9 1 1t h e l o c a t i o no f a ，b a n d cs i t e s i nac i o s e p a c k e d i a y e ro f a t o m s表1 1 镁的物理化学性质参数f 1 2 jt a b 】e 1 1p h y s i c a la n dc h e m i cp a r a m e t e ro f m g名称数值原子序数原子量原子半径m密度：2 9 3 1 5 k 时( 纯度9 9 9 ) ，f c m 。沸点，i (熔化潜热( 纯度m 9 9 99 3 ) j m o l 1标准电位厂v泊松比弹性模数，m p a极限强度( 铸件) ，m p a布氏硬度( 铸件) ，m p a相对延伸率( 铸件)镁对氧有极大的亲和力，在空气中易被氧化，表面生成一层致密的氧化镁薄膜2他一一一一一如湖蹴8所南大学f 】! j ! 士学位论文使颜色失去光泽变暗。这层氧化膜保护镁不再被氧化，但保护程度远远赶不上铝表面的氧化膜。当温度高于4 5 0 时，这层薄膜开始破裂，温度升高到8 5 0 时镁就直接燃烧发出耀眼的白光。镁对氧的亲和力是随着镁的细碎程度的增加和加热温度的提高而强烈地增强。镁锭或镁制件是不会引起燃烧的，危险的是散碎的镁和镁粉，它能像煤粉或铝粉一样燃烧，熔体状的镁不与空气隔绝也易发生燃烧。镁粉的爆炸下限浓度为2 0 m g 几。镁可以生成氮化物( m 勘n 2 ) 、碳化物( m g c 2 ) 和硅化物( m 9 2 s i ) 等。镁易溶解在稀酸中，n h 4 c l 溶液也能使镁溶解。浓硫酸以及浓硫酸与发烟硝酸的混合物，在低温条件下不与镁发生反应。镁在汽油、煤油和矿物油中化学性能稳定。与镁能构成固溶体的金属杂质，可增加镁的抗腐蚀性。反之，不与镁构成固溶体的杂质，会使镁的抗腐蚀性降低。金属锰可以提高镁的耐腐蚀性能，钾、钠、铜、镍等会严重地降低镁的耐腐蚀性能。镁可以与水作用，无论是处于固态还是液态均能与水发生放热反应，其反应为：m g + h 2 0 = m g o + h 2 + qm g + 2 h 2 0 = m g ( o h ) 2 十h 2 + q在室温下这两个反应都比较缓慢，温度升高时反应速度会逐渐加快，并引起m g ( 0 h ) 2 分解成m g o 和h 2 0 反应，当高温时只发生前一个反应。在其它条件相同时，镁与水汽间的反应将比m g o 问的反应更为剧烈。当熔融的镁液与水接触时，不仅由于发生上述反应而放出大量热量，而且还因为反应产物氢气与周围的大气氧迅速反应，从而导致猛烈的爆炸，引起镁液的剧烈飞溅【l “。1 2 2 镁合金的合金化元素及其作用根据其强化的效果，镁合金的合金元素可以分为三类盼1 4 】：( 1 ) 既提高强度又提高韧性，按作用效果顺序为：a l 、z n 、c a 、a g 、c e 、g a 、n i 、c u 、t h ( 强度标准) ；t h 、g a 、z n 、a g 、c e 、c a 、a l 、n i 、c u ( 韧性标准) ；( 2 ) 强化能力较低，提高韧性的元素，c d 、t h 、l i ；( 3 ) 强化效果较好，显著降低了韧性的元素，s n 、p b 、b i 、s b 。s i c 颗粒增强罐基夏台材料的制备与性能研冗j 2 2 1a i 元素m g a l 合金是最常用的镁合金，在含量较低时，a 1 固溶于镁基体中，使合金产生固溶强化，随着a l 含量的增加，从合金中析出b m g l 7 a l l 2 ，提高了合金的强度。a l含量的增加会提高合金的流动性，但同时也增加了合金的热裂倾向和显微缩松坫】。随着合金中a l 含量的增加，杂质对于耐蚀性的不良影响逐渐降低旧，合金的耐蚀性得到了提高。但是a 1 的含量需控制在一定范围，才会起到强化镁合金的作用，提高其耐蚀性。1 222z n 元素z n 可固溶于m g 中形成固溶体，其主要作用为固溶强化。当z n 含量较低时，z n 和m g 形成的m g z n 相即使在扫描电镜下也很难分辨，除非通过时效处理。适量z n 的加入会提高镁合金的强度和塑性，同时也会增加晶界化合物的数量。1 2 2 3 其它元素s i 在m g 中固溶度极低，它更倾向于与m g 形成面心立方的c a f 2 型析出相m 9 2 s i 。m 9 2 s i 的熔点较高，高温热稳定性好，有汉字状和多边形块状两种形态，分布在晶界上，对晶界起到钉扎作用，从而大大提高合金的高温力学性能2 0 1 。z r 元素的加入可以作为基体形核的异质核心，从而大大细化合金组织。r e 混合稀土可以提高镁合金的铸造性能和高温性能而不会影响其导电性口1 扔】。l e e 等的研究表明，稀土元素n d能大大提高镁合金的断裂韧性。b e 元素一般作为镁合金的抗氧化剂加入。b e 为m g 的表面活性元素，富集于m g 熔体的表面，形成致密的复合氧化膜，从而提高了镁台金熔炼过程中的抗氧化性和阻燃性陋2 6 1 。碱土元素可以与镁形成稳定的二元金属间化合物( m g x 2 ) 。c u 能改善镁合金的析出行为，提高合金的高温抗蠕变性能耻 。1 2 3 镁合金的研究热点及发展趋势镁合金是实际应用中比较轻的金属结构材料，可分为铸造镁合金和变形镁合金。目前，镁合金的研究热点及发展趋势可分为以下三个方面【2 8 】：济南大学坝：匕学位论( 1 ) 开发比一般镁合金质量更轻、拉伸强度、高温强度和蠕变强度更高、韧性和塑性更好的新材料。如m g l i 合金比一般镁合金轻1 0 、3 0 ，并且室温韧性好，缺口敏感性小，容易加工和焊接。( 2 ) 深入研究镁合金的强化相与合金化的内在关系，通过合金化热处理来大幅度的提高力学性能。另外，镁基复合材料具有更大的发展潜力，可实现耐磨性的最优化。( 3 ) 深入研究和改善镁合金的塑性变形性能，通过加入便宜的合金化添加剂，可能大范围改善镁合金的塑性变形性能和耐蚀性能，扩大变形镁合金的应用范围。采用新技术、新工艺提高镁合金的性能。已经开发的镁合金可分为以下几种：( 1 ) 耐热镁合金。所采用的合金元素主要有稀土元素( r e ) 和硅( s i ) 。稀土是用来提高镁合金耐热性的重要元素，含稀的镁合金0 e 2 2 和w e 5 4 具有与铝合金相当的高温强度。m g a l s i ( a s ) 系合金是德国大众汽车公司开发的压铸镁合金，a s 系镁合金由于在凝固过程中会形成粗大的汉字状m 9 2 s i 车目，损害铸造和机械性能。研究发现微量c a 的添加能够改善汉字状m 勘s i 相的形态，细化m 9 2 s i 颗粒，提高a s 系列镁合金的组织和性能。自二十世纪八十年代以来，国外使用c a 来提高镁合金的高温拉伸强度和蠕变性能。最近，美国开发的a c 8 5 0 6 ( m g 一8 z n - 5 a l 一0 6 c a ) ，以及加拿大研究的m g 一5 a 1 0 8 c a 等镁合金，其室温拉伸强度和蠕变性能都比较好。2 0 0 1 年，日本东京大学井上明久等采用快速凝固法制成具有1 0 0 至2 0 0 纳米晶粒尺寸的高强镁合金m g 2 a t y 1 a t z n ，强度为超级铝合金的3 倍，还具有超塑性、高耐热性和高耐蚀性。( 2 ) 耐蚀镁合金。严格限制镁合金中的f e 、c u 、n i 等杂质元素的含量和镁合金的表面处理，可以解决镁合金的耐蚀性问题。有研究表明，高纯a z 9 1 h p 镁合金在盐雾试验中的耐蚀性大约是a z 9 l c 的1 0 0 倍，超过了压铸铝合金a 3 8 0 ，比低碳钢还好。化学表面处理的镁合金，其耐蚀性超过了不锈钢。( 3 ) 变形镁合金，虽然目前铸造镁合金产品用量大于变形镁合金，但经变形的镁合金材料可以获得更高的强度及更多样化的力学性能，可以满足不同场合结构件的使用要求。因此，开发变形镁合金是未来更长远的发展趋势。新型变形镁合金及新型s l c 颗粒增强罐基复台材料的制备与性能研咒变形镁合金成型工艺的开发，已受到了材料工作者的高度重视。美国成功研制了各种系列的变形镁合金产品，例如，采用快速凝固( r s ) + 粉末冶金( p m ) + 热挤压工艺开发的m g a l z n 系e a 5 5 r s 变形镁合金，成为迄今报道的性能最佳的镁合金，其性能不但大大超过了常规镁合金，比强度甚至超过了7 0 7 5 铝合金，而且具有超塑性( 3 0 0 ，4 3 6 ) ，腐蚀速率与2 0 2 4 一t 6 铝合金相当。还可以同时加入s i c 等增强相，成为先进镁合金材料的典范。日本1 9 9 9 年开发出了超高强度的i m m g y 系变形镁合金材料，以及可以冷加工的镁合金板材。1 2 4 镁合金的应用近二十年来，由于环境保护和节省燃料的要求，汽车生产大国如美国、欧盟和日本等力求以降低汽车重量来节省能耗，其中一项重要的措施就是采用镁合金零件来取代原先的铝合金甚至钢或铸铁零件，如表1 2 所示。表1 2 汽车新产品选中镁合金零件一览表【3 l 】t 曲l e l2s e i e c t i o no fm a g n e s i u ma l l o yc o m p o n e n t si nn e wp r o d u c t i o nm o t o r c a r s从8 0 年代以来，世界汽车工业中镁合金铸件的应用就不断增加，进入9 0 年代后，其增加速度已达到2 0 。随着汽车的日益普及，汽车尾气排放对地球环境的污染问题6济南大学坝： 学位论文越来越严重，其占有大气污染总量的6 5 ，故各国对其限制也越来越严格，如欧共体向欧洲的汽车厂家建议，2 0 0 5 年汽车废气中的二氧化碳含量应由现在的每公里1 8 3 9降至1 2 0 9 ，也就是要求汽油发动机一百公里耗油不超过6 l ，柴油发动机一百公里耗油不超过5 3 l 【2 9 j 。当然，人们也可从燃料管理系统等途径寻求解决的方法，但在这些方法中，汽车轻量化的努力将举足轻重，采用轻质材料( 特别是镁合金) 制造某些汽车部件，可显著减轻汽车启动和行驶重量，提高加速和减速性能，使汽车驾驭更加舒适灵活。德国大众汽车公司是最早在轿车上大规模应用镁合金的汽车公司，曾在其“甲壳虫”上用掉了3 8 万吨镁合金口。据报道【2 9 】，汽车自重每减轻1 0 ，燃油效率可提高5 5 ，汽车质量降低1 0 0 k g ，每百公里耗油可减少0 7 l 。同时镁合金和塑料零部件相比易于二次回收，这些都有利于减少环境污染。国内重庆长安集团公司完成了儿4 6 2 q 发动机变速器上、下壳体用镁合金替代铝合金的产品试制，变速器上下壳体、箱体延伸体和缸罩等7 个零件已批量装车，并通过了小批量装车试验，目前正在进行批量生产前的最后中批量装车考核中：中国一汽集团试制成功了气门室罩盖、变速箱盖、发动机油喷等镁合金压铸件，其中气门室罩盖已通过装车试验；东风汽车公司以镁合金变速箱上盖的产业化应用为重点突破对象，完成十万次规范的台架试验，并顺利通过考核，同时对己装车的真空助力器中间隔板、左右脚踏板的应用情况调查表明其应用效果良好。而欧美各国和日本的各汽车公司如通用、福特、戴姆勒克菜斯勒、菲亚特等，都生产了大量镁合金壳体支架类零件。如德国奥迪v s 车仪表板采用a m 5 0 镁合金压铸，长度1 4 4 0 m m ，壁厚3 o m m ，只有4 2 公斤重；日本东洋工业生产出了镁合金制动发动机；美国的通用公司、福特公司和克莱斯勒公司均采用了较多镁合金壳体。1 9 9 6 年福特公司单车采用了3 0 个铸件，通用公司采用了2 5 个，克莱斯勒公司采用了2 0 个。福特公司在2 0 0 5 年在每台轿车上使用1 0 3 k 镁合金，可降低重量4 5 【3 0 】。表1 2 就是镁合金在汽车新产品中的应用，应用包括发动机活塞、发动机活塞环、发动机塞衬、制动片、传动轴、连接杆、缸体衬垫、活塞、阀门弹簧、气门推杆汽车仪表、座位架、方向盘、引擎盖、变速相、进气支管、窗户马达壳体、汽缸盖、阀盖等。镁合金在电子工业中的应用也具有很大的潜力。众所周知，电子工业是当今发展s i c 颗粒增强镁基复台材料的制备与性能研咒最为迅速的行业，数字化技术的发展导致各类数字化电子产品的不断涌现。电子元器件越来越趋于高度集成化和小型化，便携式电脑、数码摄像机、数码照相机、手机等日新月异，更新速度之快令人瞠目结舌。而镁合金正是这些电子产品的最佳壳体材料，它重量轻、刚性好、导热性好，热稳定性高、电磁屏蔽性能好，尤其是阻尼性能好，良好的薄壁铸造性能，可广泛用于电脑、移动电话、小型摄录相机及军用便携式通讯器材 3 2 】。近年来镁合金在电子方面的应用正高速增长，由镁合金制造的移动电话外壳，使通讯过程中电磁波只通过天线接收和发送，减少了电磁波的散失，提高了通讯的质量。目前在日本和欧美等许多知名的公司已经有大量电子产品采用镁合金作为外壳材料。在航空航天方面”j ，镁合金具有密度小的巨大优势，随着其耐热耐蚀性能的提高，有希望替代耐热铝合金和钛合金零件。特别是m g l i 合金具有很高的强度、韧性和可塑性，是航空航天及重要运输工具很有发展前途的材料。可用于制作各种框架、壁板、仪表电机壳体和操纵系统中的支架等零件。1 3 颗粒增强镁基复合材料的研究现状1 3 。1s i c 的结构、性能与增强体的选择s i c 的晶体结构近似金刚石结构，可分为立方晶系的0 s i c 、六方晶系、三方晶系的q s i c ，基本结构由s i c 4 四面体和c s i 4 四面体组成。表1 3 列出了几种常见的s i c标记符号和其晶格常数。s i c 在大气中即使在一定高温条件下也很稳定。表1 4 是s i c的某些特性。增强相选择要求与复合材料大致相同，要求物理、化学相容性好，润湿性良好，载荷承受能力强，尽量避免增强相与基体合金之间的界面反应等。选择颗粒增强相主要考虑以下参数【3 4 】：( 1 ) 弹性模量：( 2 ) 拉伸强度；( 3 ) 密度；( 4 ) 熔点；( 5 ) 热稳定性；( 6 ) 热膨胀系数；( 7 ) 尺寸及形状；( 8 ) 与基体材料的化学反应；( 9 ) 成本。具体选择增强相时还要将其用途、复合材料的生产工艺及整个复合材料的成本等因素综合起来统筹考虑。济南大学硕士学位论文表1 - 3s i c 的品体结构和晶格常数【3 1 】t 曲l e l3c s i a ls t r u c i l i r ea n dc r v s t a il a 髓i c ec o n s t a n to f s i c晶系r a m s d e l l 表示法品格常数“n m品格常数c ，n m表1 4s i c 的特性3t a b l e l 4m a i np m p e r c i e so f s i c密度幢- c m 。3 2 0强度g p a1 3 7硬度g p a2 8弹性模量g p a3 2 4 ( 1 0 9 0 )泊松比o 1 7断裂韧性，m d a m 1 43 8抗氧化性( 空气中) m g c m “2o 8 ( 1 4 4 0 5 b )线膨胀系数。14 8 1 0 由目前使用的增强材料主要有：碳化物，如s i c 、t i c 、b 4 c ；氮化物，如s i 3 n 4 、a 1 n 、t i n 、b n ；氧化物，如a 1 2 0 3 、z r 0 2 、s j 0 2 ，队及t j b 2 等硼化物系列和c 、s i等，其中s i c 、a 1 2 0 3 应用比较广泛。表1 5 列出了几种陶瓷增强颗粒的性能比较叫。长纤维增强金属基复合材料性能好，但造价昂贵，不利于向民用工业发展，另外其各向异性也是阻碍因素之。颗粒或晶须等增强金属基复合材料具有各向同性，有利于进行结构设计，可以二次加工成型，也可进一步时效强化，并具有高的强度、模量、硬度、尺寸稳定性、优良的耐磨、耐蚀、减振性能和高温性能。s 【c 颗粒增强镁基复合材料的制备与性能研究表1 5 常用陶瓷增强颗粒的性能】t 曲l e l 5p r o p e r t i e so f c o m m o nc e r a m i cr e i n f o r c i n gp a r t i c l e s较为经济的增强剂有s i c 颗粒、b 4 c 颗粒、a 1 2 0 3 短纤维。目前比较常用的是s i c颗粒，控制其加入量可明显改善镁基复合材料的机械性能。s i c 颗粒与m g 有良好的润湿性，复合过程中形成的共晶相又进一步加强了这种润湿效果；从热力学上判断，s i c 与高温下的铝接触后有可能发生界面反应，产物为a 1 4 c 3 ，但是大量研究结果表明，s i c a l 的界面上未观察到a 1 4 c 3 或者有很少量出现，也就是说s i c 本身在通常的复合工艺条件下不与基体发生直接的界面反应p5 。】，所以s i c 颗粒作为增强剂既经济又实用。a 1 2 0 3 短纤维价格便宜，但是化学稳定性差。b 4 c 颗粒具有高硬度、高弹性模量、耐酸碱，高温时化学性能稳定，目前b 4 c 颗粒与m 昏a l 等反应的试验数据很少，文献 3 9 】研究表明，m g 与b 4 c 颗粒不发生界面反应且m g 对b 4 c 颗粒具有良好的润湿性，但是b 4 c 颗粒在6 0 0 开始氧化，8 0 0 氧化已经非常明显。济南大学硕士学位论文1 3 2 镁基复合材料的制备技术金属基复合材料的制备方法见图1 2 所示。刺- 于镁基复合材料的制备方法，目前大致可分为粉末冶金法与熔融冶金法两大类，粉末冶金法需解决氧化和成本的问题，熔融冶金法则需解决增强剂簇聚和气孔的问题。( 1 ) 粉末冶金法【4 。将陶瓷颗粒与纯净的镁合金粉末混合均匀后在模中冷压，除气后在真空中加热至固液两相区进行热压，最后挤压成型制得金属基复合材料的方法。粉末冶金法的特点是：对基体合金种类和增强体类型没有限制，且增强体颗粒在基体内分布均匀，可以制得高体积分数增强相的金属基复合材料。但此法工艺、设备复杂，成本较高，不易制备形状复杂的零件。s c h r o d e r 等【4 i j 用粉末冶金法制备了镁基复合材料，基体为机械球磨的c p m g 和a z 9 l 粉末，及雾化沉积q e 2 2 粉末，增强体为s i c 颗粒；k r i s l i l a d e v 等【4 2 j 采用低能机械合金化和干混两种混粉工艺制备了s i c m g 复合材料，机械合金化混粉所制备的复合材料性能较好；a c m c 【4 3j 公司采用精确混粉工艺制备了b 4 c 颗粒增强z k 6 0 及s i c 颗粒增强z k 6 0 镁基复合材料。( 2 ) 喷射沉积法。首先使液态镁合金在高压惰性气体喷射下雾化，形成熔融镁合金喷射流同时将增强颗粒喷入熔融镁合金射流中，使液固两相混合并共同沉积到经预处理的衬底上，最终凝固得到颗粒增强的镁基复合材料。该法制备的复合材料颗粒在基体中分布均匀，无偏聚、凝固迅速、无界面反应。由于颗粒与金属界面属机械结合，拉伸强度有待进一步提高。另外制备的复合材料一般存在孔洞，不适合生产某些零件。野口等【4 5 】采用喷射沉积法制备了碳化硅颗粒增强m g c e 和m g c a 镁基复合材料；v e o o r t z 【4 6 】制备了s i c q e 2 2 镁基复合材料，颗粒在基体中分布均匀，晶粒细小，界面清洁，但孔隙率较高，需要进行二次加工。( 3 ) 半固态搅熔铸造法。依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，搅拌后产生的负压很容易使复合材料吸气而形成气孔，另外增强颗粒与基体合金的密度不同，容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。该工艺在很大程度上降低了镁在高温下的氧化烧损，且设备简单、成本低，很有希望用于大规模工业生产。s i c 颗粒增强镁基复合材料的制舒与性能研究l a u r e n t 4 7 1 研究了s i c a z 9 l 镁基复合材料，研究结果表明，得到的复合材料性能较好，颗粒分布比较均匀。伍亟圈j 臣垂匠 匝亟匠l 匦亟匠t 互，匝亟匠l 区亟歪 亟 l 匮亟歪f 医亟五j 区垂歪l 匝五函图1 2 金属基复合材料制备方法1 4 4 f 瞎1 2n e p a m t i o nm e m o d so f m m c s( 4 ) 熔体浸渗法【4 0 】。包括压力浸渗、无压浸渗、负压浸渗。压力浸渗是先把陶瓷颗粒增强相预制成形，然后将基体熔体倾入，在一定的压力下使其浸渗到颗粒间隙而达到复合化的目的，其特点是可制备高体积分数的复合材料。无压浸渗是熔融镁合金在惰性气体保护下，不施加任何压力对压实后的陶瓷颗粒预制块进行浸渗，从而制备出陶瓷颗粒增强镁基复合材料，该工艺设备简单、成本低，但陶瓷增强相与镁合金基体之间的润湿性成了该工艺的关键技术。负压浸渗是靠在陶瓷颗粒预制块下造成的真所丽大字坝士竿位佑j 空产生的负压实现熔融镁合金对压实后的陶瓷颗粒预制块的浸渗。真空负压浸渗制各的s i c m g 复合材料中，s i c 颗粒在基体中的分布均匀。h a l l s t e c h 采用此法制备了a 1 2 0 3 短纤维增强镁基复合材料。1 3 3 颗粒增强镁基复合材料的力学性能研究t i m o t l l yc w i l k s 4 9 1 研究了s i c a z 9 1 镁基复合材料，力学性能试验表明，与基体合金相比，复合材料的弹性模量提高，延伸率下降。9 1 4 v 0 1 s i c 和1 5 1 v 0 1 s i c 增强的复合材料拉伸强度减小，而2 0 s i c 增强的复合材料拉伸强度却比基体a z 9 1 合金高。复合材料拉伸强度减少的原因是铸态的复合材料颗粒团聚，并有一定量的气孔，在拉应力作用下此处优先形成微裂纹，从而使强度降低。有文献刚认为，在s i c m g 界面上形成的金属问化合物在承受载荷时首先破裂致使复合材料过早破坏。同时对铸态复合材料进行压延可使复合材料的力学性能大大提高，与基体合金相比，室温时复合材料弹性模量提高7 6 ，屈服强度提高5 2 拉伸强度提高3 2 ，压缩强度提高1 1l 。高温时不论是基体还是复合材料，强度和模量均下降，但延伸率提高。特别值得一提的是，复合材料在高温( 1 5 0 ) 时的拉伸强度还保持2 1 5 m p a ，比室温基体的拉伸强度稍低。因此，高温时增强相对基体能发挥较好的强化作用。s u s a l le h o u s h 和d a n i e l j s a k k i n e n 刚对s i c 颗粒增强a z 9 1 d 复合材料的磨粒磨损行为进行了研究。试验表明，随着s i c 颗粒体积分数的提高，耐磨性提高，体积分数在o 3 之间3 2 0 目的s i c 颗粒增强的复合材料其耐磨性优于1 0 0 0 目的s i c 颗粒增强的复合材料，当体积分数大于3 时，颗粒大小对复合材料的磨粒磨损影响不大。a s a t o 和r m e h r a b i a f l 5 2 】对一系列颗粒( s i c 、a 1 2 0 3 、t i c 、s j 、s i n ) 增强a 1 4 c u o 7 5 m g 合金复合材料的摩擦磨损特性进行了研究，这些试验表明复合材料比铝合金的磨损率低四倍，但是复合材料的摩擦系数比铝合金高。文献【5 3 ，5 卅的研究结果同样表明，复合材料的耐磨性显著高于基体合金。表1 6 列出了几种通过粉末冶金法制备的镁基复合材料的室温拉伸力学性能。从表1 6 中可以看出，相对于基体合金来讲，通过增强相增强以后的材料的拉伸力学性能都有了较大提高。l3s j c 顺粒增强镁基复台材料的制各与性能研究表1 6 镁基复合材料盼典型拉伸力学性能t a b l e l 6t y p i c a l t e n s j l ep r o p e r t i e so f m g m a l 峨c o m p o s j t e s1 3 4 颗粒增强镁基复合材料的界面研究界面及近界面区对复合材料的各项性能有着重要的影响，也是研究的热点之。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。陶瓷颗粒增强金属基复合材料界面问题是研究的重点【6 0j 。界面研究主要内容包括界面性质以及界面对复合材料宏观力学性能的影响，界面研究最终目的是在界面理论指导下进行界面的设计和控制，实现复合材料的性能优化。界面性质包括：( 1 ) 界面共格性和界面缺陷；( 2 ) 界面反应物和析出物( 通称界面相) 特征；( 3 ) 界面区合金元素的分布；( 4 ) 界面区位错特性：( 5 ) 界面区残余应力等。界面结合强度是连接复合材料的界面微观性质与复合材料宏观性能的纽带，界面性质、界面结合强度和复合材料的宏观力学性能之间三者关系如下：界面性质一界面结合强度一复合材料性能，界面结合强度是使基体与增强体从界面结合态脱开所需的作用于界面上的应力，它与界面结合形式有关，通常认为复合材料界面结合形式如下几种：( 1 ) 机械结合；( 2 ) 化学结合；( 3 ) 扩散结合；( 4 ) 化学反应结合。颗粒增强镁基复合材料的界面结构主要影响因素有：( 1 ) 制备工艺：( 2 ) 热处理温度和时间：( 3 ) 增强体成分和表面特性：( 4 ) 基体合金的成分等【4 。据东南大学蔡叶6 1 1