（材料学专业论文）硼化合物强化镁锂基合金的研究.pdf

产、 、 ，1 ； 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：辽骚日期：2 l 年上月j 2 日 ui 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：导师签名 ：乎毡膻日 【一 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 m g - l i 合金系是目前最轻的合金体系，通过原位反应合成增强体 来强化m g - l i 合金是一种改善合金综合性能的重要途径。 本研究采用原位反应法通过在熔融的m g l i 合金中添加b 4 c ，使 其充分反应来制备原位生成硼化物强化的m g - l i 基复合材料。研究了 制备工艺对复合材料锭坯质量的影响；压力加工工艺对复合材料组织 与性能的影响：用金相显微镜、扫描电镜、拉伸实验研究了材料的微 观结构、力学性能。结果表明，采用特殊的搅拌杆和慢速搅拌工艺可 大大减少铸锭中的蜂窝状孔隙，而锻造与挤压相结合的压力加工工艺 使复合材料的强化相分布更均匀、综合性能更好。 用上述工艺制备了硼化物增强的m g 1 5 l i 和m g 1 4 l i 1 a i 基复合材料。研究了b 4 c 加入量对m g - 1 5 l i 和m g 1 4 l i 1 a 1 基 复合材料性能的影响，用金相显微镜、扫描电镜、拉伸实验研究了材 料的微观组织、物相组成。研究结果表明，两种复合材料的强化相均 为b 6 l i 7 、l i b c 和未反应完的b 4 c ，其强度均随b 4 c 加入量的增加而 提高。b 4 c 加入量为1 2 ( 质量分数) 的m g 1 5 l i 基复合材料的抗 拉强度为1 7 0 m p a ，比强度为1 1lx 1 0 3 m 2 s 之，伸长率2 0 6 ，与母 合金相比，抗拉强度提高4 5 6 ，比强度提高3 0 ，伸长率下降4 2 7 。 b 4 c 加入量为1 0 ( 质量分数) 的m g 1 4 l i 1 a i 基复合材料的抗 拉强度为2 1 4 m p a ，比强度为1 4 1x 1 0 3 m $ - 2 ，伸长率1 6 9 ，与母 合金相比，抗拉强度提高5 3 ，比强度提高4 2 9 ，伸长率下降5 7 6 。 用显微组织强化与修正剪切滞后理论相结合的模型分析了 m g l i 基复合材料的强化机制，结果表明细晶强化是复合材料的主要 强化机制。 关键词：m g l i 基复合材料；原位生成；硼化合物；强化机制 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t m g - l ia l l o ys e r i e sa r et h el i g h t e s ta l l o ys e r i e sa tp r e s e n t i ti sab e t t e r m e t h o do fi m p r o v i n ga l l o ys y n t h e s i z e dp r o p e r t i e st or e i n f o r c em g - l i b a s e d c o m p o s i t eb y i n - s i t us y n t h e s i z e dm e t h o d i nt h i sa r t i c l e m g - l ib a s e dc o m p o s i t e r e i n f o r c e d b yi n - s i t u s y n t h e s i z e db o r o nc o m p o u n dw a sp r e p a r e db ya d d i n gb 4 ci n t ot h e m o l t e nm g - l ia l l o ya n dm a k i n gi tr e a c t e dw i t hm a s t e ra l l o ya sf u l l ya s p o s s i b l e t h ei n f l u e n c i n gf a c t o ro fc o m p o s i t ei n g o t sq u a l i t y , s t r u c t u r ea n d p r o p e r t y a r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h eq u a l i t yo ft h e c o m p o s i t ei n g o t sh a sb e e ni m p r o v e dg r e a t l yb ya d o p t i n gs p e c i a ls t i r r i n g r o da n ds t i r r i n gp r o c e s s d e f o r m a t i o nt e c h n i c so ff i o 画n gc o m b i n e dw i m e x t r u s i o nm a k i n gt h er e i n f o r c i n gp h a s ei nc o m p o s i t ed i s t r i b u t e dm o r e h o m o g e n e o u sa n d t h ec o m p o s i t i v ep r o p e r t i e so fc o m p o s i t e i m p r o v e d m g - 15 l ia n dm g - 1 4 l i - 1 a lb a s e dc o m p o s i t er e i n f o r c e db y i n - s i t us y n t h e s i z e db o r o nc o m p o u n dw a s p r e p a r e db yt h ea b o v em e t h o d t h ei n f l u e n c eo f b 4 ca d d i n ga m o u n t o n m g - 15 l i a n d m g - 1 4 l i 1 a ib a s e dc o m p o s i t e sm e c h a n i c a lp r o p e r t y , m i c r o s t r u c t u r e ， p h a s ec o m p o s i t i o na r es t u d i e d i ti si l l u s t r a t e dt h a tt h er e i n f o r c i n gp h a s e o ft w ot y p e sc o m p o s i t e sa r eb o t hm a k eu po fb 6 l i 7 ，l i b ca n ds o m e u n r e a c t e db 4 c t h ei n c r e a s i n go fb 4 c a d d i n gq u a l i t ym a k et h es t r e n g t ho f c o m p o s i t e si n c r e a s e d w h e nt h eb 4 cc o n t e n ti nm g 一15 l ib a s e d c o m p o s i t ei su pt o12 ( m a s sf r a c t i o n ) ，t h et e n s i l es t r e n g t ho ft h e c o m p o s i t er e a c h17 0 m p a , t h es p e c i f i cs t r e n g t hlllx l0 3 m 2 s - 2 ，a n dt h e e l o n g a t i o n2 0 c o m p a r e dw i t ht h a to ft h em a s t e ra l l o y , t h ei n c r e m e n t s o ft h ei t e m sa r e4 5 6 ，3 0 a n d 一4 2 7 r e s p e c t i v e l y w h i l et h eb 4 c c o n t e n ti n m g 一1 4 l i - 1 a ib a s e dc o m p o s i t ei s u pt o 10 ( m a s s f r a c t i o n ) ，t h et e n s i l es t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t er e a c h214 m p a , t h e s p e c i f i cs t r e n g t h1 41 10 j m z s ，a n dt h ee l o n g a t i o n16 9 c o m p a r e d w i mm a to ft h em a s t e ra l l o y , t h ei n c r e m e n t so ft h ei t e m sa r e5 3 4 2 9 a n d 一5 7 6 r e s p e c t i v e l y t h es t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mo f m g l ib a s e dc o m p o s i t ei ss t u d i e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tm i c r o s t r u c t u r e s t r e n g t h e n i n gb a s e d o nt h e m o d i f i e ds h e a rl a gt h e o r yc a n e x p l a i nt h es t r e n g t ho fm g l ib a s e d h 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p o s i t e t h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l ti n d i c a t e st h a tg r a i ns i z er e f i n e m e n t i st h em o s ti m p o r t a n ts t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m k e yw o r d s ：m g - l ib a s e d c o m p o s i t e ，i n - s i t ur e a c t i o n , b o r i d e ， s t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m i i i 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要1 ： a b s t r a c t 第一章文献综述l 1 1 弓i 言l 1 2 镁锂合金2 1 2 1m g l i 合金微观结构及组织2 1 2 2m g l i 合金的物理特性3 1 2 3m g l i 合金的合金化体系。3 1 2 4m g - l i 合金研究的发展方向5 1 3 镁锂基复合材料6 1 3 1 镁锂基复合材料的种类6 1 3 2 镁基复合材料的制备方法9 1 3 3m g - l i 基复合材料的组织与性能。l l 1 4 硼化物强化镁锂合金1 1 1 4 1 基体合金与强化相的选择l l 1 4 2 硼化物增强镁锂基复合材料的可行性1 2 1 5 本论文的研究工作1 4 第二章0 8 0 m m 镁锂基复合材料锭坯的制备工艺1 5 2 1 实验方法l5 2 1 1 物料的准备1 5 2 1 2 物料的预处理1 5 2 1 3m g l i 基复合材料锭坯制备的技术路线1 6 2 2 实验结果17 2 2 1 孔洞形成的原因1 7 2 2 2 减少孔洞的措施l8 2 2 3 实验效果19 2 3 本章小结2 0 第三章压力加工工艺对镁锂基复合材料组织的影响2 1 3 1 加工工艺。2 1 3 1 1 工艺制定。2 1 中南大学硕士学位论文目录 3 1 2 压力加工模具2 2 3 2 检测2 3 3 2 1 密度测定2 3 3 2 2x 射线衍射2 3 3 2 3 拉伸实验2 3 3 2 4 金相观察2 4 3 2 5 电镜观察2 4 3 3 结果与分析2 4 3 3 1 密度2 4 3 3 2 金相分析2 5 3 3 3 力学性能2 7 3 4 本章小结2 8 第四章b 4 c 含量对m g - 1 5 l i 组织、性能的影响3 0 4 1 实验3 0 4 2 结果与分析3 1 4 2 1 密度31 4 2 2x 射线衍射3 2 4 2 3 金相分析3 4 4 2 4 断口分析3 5 4 2 5 力学性能。3 7 4 3 本章小结3 9 7 第五章b 4 c 含量对l a l 4 1 组织与性能的影响i ：4 0 5 1 实验4 0 5 1 1 工艺流程4 0 5 1 2 实验方法4 0 5 1 3 复合材料成分配比4 0 5 1 4m g 一1 4 l i 1 a l 复合材料的制备4 1 5 1 5 加工与检测。4 l 5 2 结果与分析4 1 5 2 1 密度4 l 5 2 2x 射线衍射分析。4 2 5 2 3 金相组织4 3 5 2 4 断口分析4 5 v 中南大学硕士学位论文目录 5 2 5 力学性能4 6 5 3 本章小结。4 7 第六章镁锂基复合材料的强化机制。4 8 6 1 增强相对强度的影响4 8 6 1 1 试验4 8 6 1 2x r d 结果与分析4 8 6 1 3 力学性能4 9 6 2 镁锂基复合材料的强度模型及强化机制。4 9 6 2 1 剪切滞后模型及其修正模型。5 0 6 2 2 显微组织对镁锂合金基体的强化5 1 6 3 本章小结5 3 第七章结论5 4 参考文献5 5 致谢6 0 攻读学位期间主要的研究成果6 1 v i 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 引言 第一章文献综述 结构材料指以力学性能为主的工程材料，它是国民经济中应用最为广泛的材 料，从日用品、建筑到汽车、飞机、卫星和火箭，均以某种形式的结构框架获得 其外形、大小和强度。结构材料通常具有高的强度、韧性、刚度等力学性能特征， 用于制造受力为主的结构件。钢铁、铝合金、镁合金等传统材料都属于结构材料。 随着宇航技术的发展，开发出减轻航空器结构质量的低密度、高强度的金属材料 的需求日益迫切。 镁是所有结构用金属及合金材料种密度最低的。与其他金属结构材料相比， 镁及镁合金具有比强度、比刚度高，减震性、电磁屏蔽和抗辐射能力强，易切削 加工，易回收等一系列优点，在汽车、电子、电器、交通、航天、航空和国防军 事工业领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景，是继钢铁和铝合金之后 发展起来的第三类金属结构材料，并被称为2 1 世纪的绿色工程材料。随着很多金 属矿产资源的日益枯竭，镁以其资源丰富( 在地壳中元素含量排名第八【l 】，约占 地壳质量组成的2 5 t 2 1 ) 而日益受到重视，特别是结构轻量化技术和环保问题 的需求更加刺激了镁工业的发展。 m g - l i 合金是镁合金中密度最小( 一般为1 3 5 1 6 5 x 1 0 3 k g m 3 ，仅为铝合金的 1 2 2 3 ) 的超轻合金系。m g - l i 合金具有低密度、高比强度、比刚度和良好的减 震性和电磁屏蔽性，是宇航、兵器行业中最理想的轻质结构材料。m g l i 合金虽 然具有上述一系列优点，但也存在高强度下韧性、热稳定性差等不足，阻碍了其 进一步应用。目前仅通过合金化来改善m g - l i 合金的各项性能以获得具有优良综 合性能的合金材料是比较困难的，金属基复合材料的出现为m g - l i 合金的强化和 尺寸稳定性的改善提供了新的有效途径。 复合材料中增强体与基体间的结合情况对复合材料的性能有重要影响。由于 m g 、l i 的化学性质很活泼，能与许多增强体产生反应，侵蚀增强体，反应产物 在基体合金内偏析，降低复合材料的力学性能。通过原位生成增强体来强化基体 将是一种改善基体与增强体界面结合的较好途径。 l i 与b 高温下经过充分搅拌反应后会发生原位反应，可形成l i b 化合物骨 架与纯l i 组成的复合材料【3 】，复合材料中因为生成了纤维状的l i b 化合物从而 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 强度得到提高。若用原位反应的l i b 纤维强化m g - l i 合金可以实现，则必然为 m g l i 系列合金的研究和应用开辟一个新天地。 1 2 镁锂合金 m g - l i 合金是目前密度最小( 一般为1 3 5 1 6 5 x i 0 3 k g m 3 ，为铝合金的i 2 - 2 3 ) 的超轻质合金系。m g l i 合金具有较高的比强度和比刚度，它的减震性和电磁屏 蔽性较好，是宇航、兵器行业中最理想的轻质结构材料之一。 随着航天、航空及汽车工业的飞速发展，在要求工程材料具有高强度和高刚 度的同时，质量必须要轻。为了便于比较不同工程材料的这些特殊性能的优劣， 工程中常常引入比强度和比刚度的概念。某种工程材料的比强度和比刚度高，说 明这种材料的强度、刚度高，而质量轻。比强度的物理意义在于单位质量物体具 有的能量，其数值越大说明该物体的比强度度大，即比能大的材料强度高【4 】。 比强度：塑塑= 尝= 可o b 1 0 6 n m 2 密度p x1 0 3 堙m 3p x l 0 3 k g m 3 一垒兰! 竺! 丝：! 丝壁三 户1 0 3 培m 3 笙= 旦1 0 3 朋2 s 2 p 1 2 1g g - l i 合金微观结构及组织 镁的原子序数为1 2 ，具有密排六方晶体结构；而锂的原子序数为3 ，是最轻 的金属元素，具有体心立方结构。镁与锂可形成以镁为基的a 相，以锂为基的1 3 相以及叶p 两相组织，见图1 1 嘲。其中a 相是锂固溶于镁中形成以镁为基的固 溶体，其晶体结构与镁一致，具有密排六方晶体结构。锂在镁中的最大固溶度为 5 7 ( 质量分数) ，而且不随温度变化而变化。1 3 相是镁固溶于锂中形成的具有 体心立方结构的固溶体，镁在锂中的最大固溶度为8 9 7 ，也不随温度而变化。 其组织随l i 含量的增加而变化：当c o ( l i ) 1 1 时，为单相p ( b c c 结构) ；当l i 含量介于这两者之间时，为双相组织， a + 1 3 共晶组织。 2 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 p k 裂 穗 1 2 2m g l i 合金的物理特性 图l - 1 m g - l i 二元合金相图 镁的密度为1 7 4 8 9 e r a 3 ，锂的密度为o 5 3g c m 3 。随着锂加入量的增加，m g - l i 合金的密度逐渐减小，而i ：l m g - l i 合金的密度大大低于新型航空用材a 1 l i 合金的 密度。表l - 1 列出t m g - l i 合金与其它合金的密度比较。 表1 1部分m g l i 合金与其它航空合金密度比较嘲 1 2 3m g - l i 合金的合金化体系 m g - l i 合金具有其他合金无法比拟的优点( 低密度，高比强度，良好塑性等) ， 3 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 同时又存在一些缺点( 强度不高、热稳定性差，耐蚀性能差等) 。该合金要作为结 构材料，必须对其改良，早期的研究主要是通过加入其他合金元素来对其进行强 化。 1 2 3 1m g - l i a 1 系 此系合金研究得比较透彻。j a c k s o n 7 首先研究了不同“含量( 4 i i ) 挤压 材的力学性能，表明相同l i 含量，随砧含量增加强度提高，伸长率下降；相同砧 含量，随l i 含量增加，强度下降，伸长率上升。l i 含量增加，力学性能稳定性提 高。b u c k t 8 】把注意力集中在p 相区，其研究表明：m g - l i - a 1 合金具有较高的强度， 经热处理可强化，但高强度总是与极端脆性相伴，并且在低温( 8 2 ) 下高强度缺 乏稳定性。f r o s t 等【9 】也表明了此合金在6 6 3 2 和9 3 1 2 的温度下很快过时效。实验还 表明，工业合金l a l 4 1 a ( 组成为m g 一1 4 l i - 1 a 1 ) 在室温下还会发生相的分解，可见 此合金稳定性很差。 为探索时效硬化机理和力学性能不稳定的原因，m c d 0 n a l d 【1 0 】研究了低砧含 量时析出相与时间、温度的关系，指出在9 5 到1 5 0 之间，平衡相趾l i 析出遵 守a r r h e n i u s 方程，具有4 1 8 6 8 4 6 0 5 5 k j m o l 的激活能。m e d o n a l d 还研究了 m g 1 1 2 l i 0 9 a j 合金，结果表明相的反应机理如下： 9 一岬( m g l i 2 a 1 ) - 咆 ( 1 - 1 ) p p + 0 ( m g l i 2 舢) + 赳“乜 ( 1 2 ) 其中，( 1 1 ) 为室温下的反应，( 1 - 2 ) 为2 0 0 。c 下的反应。并指出舢含量小于0 7 时， 趾l i 相仍为稳定结构。 1 2 3 2m g l i - z n 系 此系合金中l i 和z n 含量对性能的影响基本上与m g - l i a 1 系相类似，但强度 更高，脆性较小【刀。由于z i l 的密度( 6 5 9 c m 3 ) 比砧的密度( 2 7g c m 3 ) 大，所以相同 百分含量时，含z n 比含灿合金的密度稍大。m g ：l i 为8 8 ：1 2 ( 质量比) 的合金添加1 - 2 0 z n ，密度为1 4 6 1 7 3g c m 3 。f r o s t 等【9 1 对p 相区含不同z n 的合金的淬火、 时效的研究结果表明：随z n 含量增加，硬化程度增大，达到峰硬度所需时间缩短。 并指出m g 9 5 l i 7 a i s n f f 【l m g 9 l i a i z n 两种合金在9 3 ( 2 下高强度的稳定性接近 工业镁合金。j 0 n e s 【1 1 】对m g l ip 相区不同z n 含量合金的铸态和冷、热轧材的力学 性能进行研究，又对有效高强度f l 勺m g l i ( 为8 8 ：1 2 ) - 7 5 z n 合金的稳定性改善作了 探索。 为从相关系上明确时效和稳定性等问题，w e i n b e r g t l 2 j 测试t 4 0 0 。c 、3 0 0 c 、 2 0 0 和1 0 0 下的等温截面图，指出合金中有两种相反应关系 p p + o 、( m 乒i 2 z n ) ( 1 3 ) p a ( m g 卜p + o ( 1 - 4 ) 4 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 2 3 3m g o l i a g 系 添加a i 、z n 等的合金在室温下不稳定，在高温时短时间内失去高强度。改善 这些合金的工作巳做了很多，a g 被认为是使合金性能稳定化的最好添加元素【1 3 l 。 j o n e s j i l l 对p 相区含不同a g 的合金的性能作了研究，表明加a g 产生硬化，且随加 入量的增加硬化程度增大。 h u m e r o t h e r y 笔f 1 1 4 l 和f r e e t h 等【1 5 】对m g l i - a g 相图进行了研究。r a y n o r m 】等指 出此系中0 相为稳定相，结构与m g a g 相类似，不能以m g l i 2 a g 形式表示；此系合 金在高温不稳定与0 相的结构松弛和组成分解无关。 1 2 3 4 其它三元系 除以上所述之外，人们还对其它三元系合金进行了探讨。主要有m g l i c d 、 m g - l i s i 、m g l i - c a 、m g l i z r 、m g - l i r e 等。一般强度比较低【1 6 1 。 1 2 3 5 四元以上合金 为解决三元系的稳定性问题以及进一步提高三元系合金的强度，改善高强度 下的脆性及稳定性，在三元系的基础上尝试添加各种合金元素。主要有：在 m g - l i 舢基上添加z n 、a g 、s n 、c d 等元素的四元、五元合金【1 6 , 6 , 7 1 ；在m g l i z n 基上添加a g 、c d 、s n 、c u 等元素的四元合金【1 7 1 6 ，6 7 ，1 明；还有在m g l i c d 基上添 加a g 、c d 、s n 等元素的四元合金【1 7 ，1 5 1 。但是，这些尝试都未能取得令人满意的 结果。 表1 2 列出了几种工业m g l i 合金的性能。 表1 2 几种工业m g - l i 合金 合金牌号组成( 质量分数) 咖2 m p ao c m p a 6 o ( g c n l 3 ) 铸态8 7 1 2 01 7 l a l 4 1 a ( m 1 4 1 4 1 ) m g - ( 1 3 , 1 5 ) l i - ( 1 o 1 5 ) a i轧态1 0 31 3 11 01 3 5 6 挤压1 0 61 3 92 2 1 2 4m g l i 合金研究的发展方向 虽然m g - l i 合金具有低密度、高比强度、易于加工等很多独特的优点，但同 时还有高强度下韧性、热稳定性差等不足，这阻碍了m g l i 合金的应用前途。要 让m g - l i 合金这种超轻合金材料得以广泛应用，还须进一步进行研究、开发。 从国外几十年的研究结果可以看出，单纯通过添加一般重金属和轻金属元素 5 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 来改善m g l i 合金的各项性能指标以获得具有优良综合性能的合金材料是比较 困难的，但是，这并不等于说m g - l i 合金就没有研究和应用的价值，日本这几年 的研究结果就是例证。东北大学的乐启炽【1 9 1 认为，m g - l i 合金今后研究的着眼点 应该有以下几个方面。 ( 1 ) m g l i 合金作为结构材料需有好的综合性能，欲提高合金材料强度而 又不过分牺牲其优良性能，应该有以下几个方向： 添加合金元素，形成间隙原子强化； 发展快速凝固组织细化的强化合金； 发展m g - l i 基复合材料( 如加入a 1 2 0 3 、s i 0 2 、b 2 0 3 、b 4 c 等) ： 添加稀土元素，开发m g l i 稀土合金。 ( 2 ) 研究m g - l i 合金的超塑性。虽然二元m g - l i 合金具有良好的加工性能， 但是对m g - l ia 相区合金或高合金化的多元合金( 一般都有较高的强度) ，往往 加工困难。对m g - l i 合金的超塑性特性进行研究有现实意义。 ( 3 ) 研究熔炼工艺与技术。由于m g 和l i 都是很活泼的金属，熔炼工艺显 得相当重要。目前的熔炼工艺制度主要有：覆盖剂或气氛保护，真空熔炼等，这 些方法或是熔炼成本太高或是铸锭质量差，所以有必要对m g l i 合金的熔炼手 段、精练方法进行系统的研究。 ( 4 ) 开拓m g l i 合金的应用范围。目前对m g l i 合金研究的目标是开发结 构材料，对m g - l i 合金的其他应用领域还没有引起人们的关注。开拓m g - l i 合金 的研究及应用领域应该是今后的一个重要方向。 1 3 镁锂基复合材料 ? m g l i 合金由于基体偏软，柔性有余而刚度不足使其强度较低应用受限，对 这种基体合金与陶瓷相进行复合有望获得更高的力学性能。八十年代末，m g l i 基复合材料成为了m g l i 基合金和金属基复合材料领域的研究热点之一【2 1 1 。 1 3 1 镁锂基复合材料的种类 m g - l i 基复合材料所用强化相，主要有c 纤维、s i c 短纤维、灿2 0 3 、s i c 晶须 以及b 、b 4 c 颗粒等。下面介绍下这几种强化相增强m g - l i 基复合材料的优缺点。 1 3 1 1 碳纤维增强m g l i 基复合材料 碳纤维因具有低密度和高强度，用于强化m g l i 基合金可以保持材料的低密 度，理应是m g l i 基合金最理想的强化物。然而m g l i c 体系在热力学上是不稳 定的。j e m a s o n 2 2 】实验表明，用压力浸渗法制造m g l i c 复合材料时，碳纤维与 m g l i 合金熔体迅速反应生成l i 2 c 2 化合物，因而严重损伤碳纤维，增强效果不理 6 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 想。k i l r o y 等研究了锂与碳的反应性，结果发现锂在室温下非常活泼，与碳黑发 生了反应。他们还发现通过研磨混合锂与碳黑，反应更加剧烈。s w a n t 等1 2 3 1 尝试了用锂作为基体，用碳纤维增强制作锂基复合材料，发现液态锂对碳纤维的 浸渗会严重降低碳纤维的强度。因此，要制造出超轻质的c 外d g l i 复合材料的当 务之急是研制出有效的碳纤维表面涂层。 1 3 1 2 硼增强m g l i 基复合材料 硼增 虽m g - l i 合金采用的是粉末冶金法洲。采用该方法制作的复合材料具有 硼颗粒均匀分布于基体的组织形貌，m g - l i b 复合材料的弹性模量、密度、比模 量、压缩屈服强度如表1 3 所示。 表1 - 3m g - l i 和m g - l i b 复合材料的能 2 4 1 从表1 3 中可以看出，随着硼加入量的提高，比刚度明显增高。当硼加入量 为3 0 ( 质量分数) 时，复合材料的比刚度为5 8 3 x 1 0 6 m ，接近基体合金比刚度 的两倍。从表中还可以发现，采用m g l i 合金为基体制作复合材料比纯镁为基体 制作的复合材料要有明显的优势。m g - l i b 复合材料基体合金为体心立方结构， 所以材料具有良好的塑性，然而，材料的拉伸屈服强度要比压缩屈服强度低得多， o l s e n 和a n s e l l 认为在拉伸时颗粒与基体界面发生了脱粘【2 5 】。e r n s t 考察了锂与硼 纤维的反应以及反应动力学，没有发现明显的反应【2 6 】。s w a r m1 l t 等的实验也证 实了锂并不降低硼纤维的力学性能【2 5 】。 1 3 1 3 碳化硼增强m g l i 基复合材料 b 4 c 颗粒与m g 之间的界面结构研究表明：b 4 c 颗粒表面的玻璃态氧化硼与 m g 发生了界面反应： 4 m g ( i ) + b 2 0 3 ( 1 ) = m g b 2 ( s ) + 3 m g o ( s ) ( 1 5 ) 液态m g 对b 4 c 颗粒发生了润湿反应，加强了界面结合强度使复合材料具有 优异的力学性能【2 7 1 。 b 4 c 增强m g l i 基复合材料的性能如表1 - 4 所示【2 引。该表显示m g 9 l i 5 8 4 c 7 7 o o 4 o 4掩m 体扒勉抖 铭记药m 酡踮z乱王屯屯孓乃朋斛乃刀 2 2 2 l 3 拽住锨讯使m o 巧o m 加如 o o m m m 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 复合材料的室温屈服强度比基体合金高得多，相应的比模量及弹性模量也要略 高；而复合材料的塑性却明显降低。 表1 - 4m g - 9 l i 5 8 4 c 复合材料的室温性能 1 3 1 4a 1 2 0 3 纤维增强m g l i 基复合材料 j e m a s o n 等 2 2 】研究了s a f f i la 1 2 0 3 纤维( 6 a 1 2 0 3 含5 s 1 0 2 ) 增强m g 1 2 l i 、 m g 1 0 3 l i 6 a 1 6 a g - 4 c d 复合材料。实验表明，在铸态下没有明显的纤维侵蚀， 但纤维中的s i 0 2 易偏折于晶界上，加之锂对纤维晶界的浸渗作用使纤维脆性增 加。另外，制造复合材料预制块所用粘结剂( s i 0 2 ) 在与m g l i 基体合金液接触 时迅速溶解并偏析于底部，形成大量的m 9 2 s i 沉淀相，因而严重影响复合材料的 性能。拉伸实验显示m g 1 2 l i 基复合材料比m g - 1 0 3 l i 6 a 1 6 a g 4 c d 基复合材料的抗拉强度及塑性都高研究发现例， m g 1 0 3 l i 6 a 1 6 a g - 4 c d 合金时效处理后非常脆，难以将载荷传递到纤维 上，因而m g - 1 0 3 l i 6 a 1 6 a g - 4 c d 基复合材料的性能较m g - 1 2 l i 基复合 材料性能差。 1 3 1 5s i c 纤维增强m g l i 基复合材料 j e m a s o n 等圈采用了n i c a l o ns i c 纤维( 具有超细组织，含有1 5 ( 质量分数) 的游离c 及2 5 ( 质量分数) 的非晶态s i 0 2 存在于晶界中) 、s i g m a 化学气相 沉积s i c 纤维及s i c 晶须制造了3 种m g l i 基复合材料。其中采用s i c 晶须制造 的m g - l i 基复合材料可获得良好的浸渗组织。然而，该系统的纤维组织不稳定， 纤维易吸收锂而使纤维周围出现贫锂区，同时纤维变脆。s i g m as i c 纤维增强 m g l i 基复合材料在制造过程中没有明显的界面反应，但纤维受到锂的浸渗而开 裂【3 0 3 1 1 。经固溶处理( 4 0 0 c ，7 h ) 后，8 0 以上的s i c 纤维受到严重的损伤，出现 晶界开裂。s i c 晶须增强的m g l i 基复合材料在制造过程及随后的高温处理 ( 5 0 0 c ，1 2 h ) 都没有发现任何界面化学反应，然而该复合材料中存在许多预制块 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 粘结剂( 主要成份为s i 0 2 ) 与基体的反应物【3 2 1 。拉伸实验表明阎，在相同的应变条 件下，s i c 晶须增强m g l i 基复合材料的弹性模量由基体合金的4 5 g p a 增加到 6 9 g p a ，强度由7 5 g p a 增加到2 0 0 g p a ；挤压变形后弹性模量高9 6 g p a ，抗拉强 度为3 0 2 m p a 。s i n g l i 复合材料的另一个特点是较s i c w m g 复合材料具有良 好的加工性能。 1 3 2 镁基复合材料的制备方法 制备m g l i 基复合材料的方法主要有真空( 或保护性气氛) 浸渗法、薄膜冶金 法、粉末冶金法以及搅拌铸造法等。 1 3 2 1 真空( 或保护性气氛) 浸渗法 浸渗法是将基体合金液在一定压力下浸渗入预制块中制得复合材料，增强 体一般为短纤维、晶须或颗粒 2 9 1 。因m g - l i 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。 浸渗法的具体做法分为预制块制备和压力浸渗两个阶段。预制块制备的过程 是首先将增强体分散均匀，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体的预制块中需要添加粘结剂( 含量3 5 ，多为含s i 0 2 的硅胶粘结剂或硅胶粘结剂加有机胶混合粘结剂) 【3 0 l ，以承受 预制块压制过程中的较大应力而不开裂，但粘结剂中的s i 0 2 与m g l i 合金液之 间存在反应是不利因素。有研究者【3 1 1 在研究镁基复合材料时发现选用磷酸铝 ( 船0 4 ，其中p ：m 的原子比为2 3 ：1 ) 作为粘结剂的界面反应有助于提高界面 结合强度，所制得的复合材料较用常规粘结剂制得的复合材料的强度和塑性要 高。j 压力浸渗前模具和预制块需预热( 约5 0 0 c ) ，m g 合金浇铸前也需过热到一定 温度( 约8 0 0 c ) 。基体合金浇铸到模具中的预制块上时，需施加一定压力并保压 一段时间以便合金液充分浸渗到预制块中。 这种方法存在难以直接制备形状复杂件。增强相与高温液体较长时间接触 易发生界面反应，增强相与合金液润湿性差容易产生浸渗不良，以及预制块蘸结 剂稳定性差使预制块强度降低在压力作用下孔隙率降低、浸渗困难等问题。 1 3 2 2 粉末冶金法 有关粉末冶金法制备m g l i 基复合材料的研究报道很少，其制备工艺与常 规粉末冶金法类似，只是由于m g l i 合金易氧化的特性所有操作均需在保护性 气氛下进行。i l t w h a l