（材料加工工程专业论文）颗粒增强镁基复合材料的制备及其性能研究.pdf

济南大学硕上学位论文 摘要 镁合金作为最轻的工程结构金属材料之一，具有许多优异的性能，如比强度高、 比模量高、导电导热性好，兼有良好的阻尼减震和电磁屏蔽性能等优点，在航空航 天、汽车和通讯等领域中得到了广泛的应用。随着汽车轻量化以及航空航天工业的 发展，对镁合金提出了高强度、高耐热和耐磨性、高耐腐蚀性以及优良的机械加工 性等要求。然而，目前常用的镁合金都存在高温强度和抗蠕变性低、耐磨性差等严 重的不足，从而限制了镁合金在这些高新技术领域的应用。 颗粒增强镁基复合材料具有制备工艺简单、成本低廉以及材料性能各向同性等 优点，已成为镁基复合材料的研究热点之一。本文以a 1 t i c 粉末为增强体系，以 m g a 1 合金为基体，采用不同工艺制备了n c 颗粒增强镁基复合材料，并对复合材 料的微观组织及性能进行了研究。 采用t i c c a l 中间合金在镁合金熔体中重熔、稀释的方法制备了t i c p a z 9 1 复合 材料。实验过程中，首先对a l t i c 反应体系进行了d s c 研究。结果表明，在7 5 0 附近出现明显的放热峰，认为此时t i c 颗粒开始形成。实验采用x d 法在7 5 0 合 成了t i c d a l 中间合金。将制备的中间合金经过破碎、预热后加入到7 5 0 镁合金熔 体中，保温后搅拌铸造得到t i c 。，a z 9 l 复合材料。研究表明，当a l 含量为4 0 w t ， t i 与c 摩尔比为1 时，在7 5 0 烧结温度下制备的中间合金中t i c 颗粒平均粒径 弋2 9 m ，具有较好的球形度。另外，搅拌工艺参数的选择对t i c 颗粒在镁合金熔体 中的脱粘起到关键作用。实验得出，以2 0 0 r m i n 转速，搅拌2 0 m i n 时t i c 颗粒之间 基本脱粘且基体合金氧化较轻。 对中间合金法制备的复合材料组织研究表明，t i c 颗粒在基体中的a m g 和 1 3 - m g l 7 a l l 2 相中均有分布，且颗粒分布较为均匀，但含量超过5 w t 时颗粒团聚及沉 降现象较为明显。研究表明，基体中加入大量的t i c 颗粒后，由于弥散强化的作用， 复合材料的强度、硬度等性能均有不同程度的提高。当t i c 颗粒含量为5 w t 时，复 合材料的综合性能最好，此时复合材料的抗拉强度达到1 8 2 m p a ，硬度达到6 3 h b s ， 相比a z 9 1 合金分别提高了1 0 和1 5 。另外，由于t i c 硬质颗粒的加入，复合材 料在磨损过程中t i c 凸起于基体表面，起到支撑载荷的作用使得材料的摩擦磨损性 能显著提高。 对中间合金法制备的复合材料的断口形貌分析发现，随着t i c 颗粒的增多复合 i 颗粒增强镁基复合材料的制备及其性能研究 材料断口形貌出现明显差异。材料断口呈现由部分韧性断裂( 断口呈现韧窝) 到脆 性断裂的转变现象。分析认为，当t i c 颗粒含量较低时，复合材料的断裂主要由 p m g l 7 a 1 1 2 相控制，断口中韧窝明显。随着t i c 颗粒含量的增加，断裂机制转变为 t i c 与a m g j 3 m g 7 a l l 2 脱粘机制即由界面控制，断口中韧窝不再明显。当t i c 颗粒 含量继续增加，材料的断裂逐渐转变为t i c 颗粒团簇控制机制。 利用高温自蔓延反应，以趾t i c 为反应体系在镁合金熔体中原位合成了t i c 颗粒，并与中间合金法制备的复合材料进行了对比研究。将a l 、t i 、c 粉料经过压 块、预热后加入到7 8 0 。c 熔体中，经过保温、搅拌等工艺后铸造得到复合材料。文 中对原位合成t i c 的机理进行了分析，认为增强体系中的a l 加入到熔体后首先与 t i 结合形成3 t i ，a 1 3 t i 进一步与c 反应形成t i c 。实验确定，砧t i c 体系中a l 含量为4 0 w t ，t i 与c 摩尔比为1 ：l ，压制成块后预热到5 0 0 加入到7 8 0 镁合 金熔体中制备的复合材料最好。 与中间合金法相比，原位法合成的t i c 颗粒更加细小，平均尺寸在亚微米级， 在基体中分散也更加均匀，较好的解决了颗粒团聚及沉降现象。原位法制备的复合 材料抗拉强度最高可达1 8 6 m p a ，比a z 9 1 合金提高了1 2 ，高于中间合金法制备得 复合材料。但是，原位法制备的复合材料颗粒含量一般不超过5 w t 。采用中间合金 法制备的复合材料颗粒含量相对较高，在硬度和耐磨性方面提高幅度更大。此外， 在制备工艺方面，原位工艺方法流程简单，操作方便体现出更大的经济优势。 关键词：a 1 一t i c ；t i c ；a z 9 1 ；中间合金：原位内生；复合材料 i i 济南人学硕士学位论文 a b s t r a c t m a g n e s i u ma l l o y sa r eo n e o ft h el i g h t e s ts t r u c t u r a lm e t a la l l o y s ，w h i c hh a v em a n y e x c e l l e n ta n d u n i q u ep r o p e r t i e s ，s u c ha sh i g hs p e c i f i cs t r e n g t ha n dm o d u l u s ，h i 曲h e a ta n d e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y , g o o dd a m p i n ga n ds h o c ka b s o r p t i o n ，e x c e l l e n te l e c t r o m a g n e t s h i e l d i n gc a p a b i l i t y , a n dt h e r e f o r e ，i n c r e a s i n ga t t e n t i o nh a sb e e np a i dt om a g n e s i u ma n d i t sa l l o y si na u t o m o t i v e ，c o m m u n i c a t i o na p p a r a t u sa n da e r o s p a c ea p p l i c a t i o n s w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h el i g h t w e i g h ta u t o m o t i v ea n da e r o s p a c ei n d u s t r i e s ，t h ea p p l i c a t i o no f m a g n e s i u ma l l o y sd e p e n d sm a i n l yo nt h e i rh i g ht e n s i l es t r e n g t ha tt h ea m b i e n ta n d e l e v a t e dt e m p e r a t u r e ，e r o s i o nr e s i s t a n c e ，w e a rr e s i s t a n c ea n do ns u p e r i o rm a c h i n a b i l i t y c u r r e n t l y , h o w e v e r , e a c ho ft h em o s tw i d e l yu s e dm a g n e s i u ma l l o y s h a si t so w n a d v a n t a g e sa n dl i m i t a t i o n ss u c ha st h ep o o rt e n s i l es t r e n g t h ，c r e e pr e s i s t a n ta n dw e a l r e s i s t a n c ep r o p e r t i e sa th i g ht e m p e r a t u r e ，w h i c hl i m i ti t sa p p l i c a t i o nt ot h ea b o v ea r e a so f a d v a n c e dt e c h n o l o g y r e c e n t l y , t h ep 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 s h a v eb e e n b e c o m i n go n eo ft h eh o t s p o td u et o i t ss i g n i f i c a n ti n h e r e n ts i m p l i c i t ya n dp o t e n t i a l c o s t - e f f e c t i v e n e s si ns c a l e - u pm a n u f a c t u r i n g ，a sw e l la si t si s o t r o p yp r o p e r t i e s t i c p 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 s w e r ef a b r i c a t e d b yd i f f e r e n t t e c h n o l o g i e sw i t ha i t i cs y s t e ma n dm g a im a t r i x t h em i c r o s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c e o ft h ec o m p o s i t e sw e r er e s e a r c h e d t h et i c p 垃91c o m p o s i t e sw e r ef a b r i c a t e db yr e m e l t i n ga n dd i l u t i n gt i c p a 1m a s t e r a l l o yi nm o l t e nm a g n e s i u ma l l o y f i r s t l y , t h ea 1 一t i cs y s t e mw a sa n a l y z e db yd s c t h e r e s u l t ss h o w e dt h a te x o t h e r m i cp e a k sa p p e a r e da ta b o u t7 5 0 cc o r r e s p o n d i n gt or e a c t i o n o ft i c s ot h et i c v a 1m a s t e ra l l o yw a ss y n t h e s i z i n gb ye x o t h e r m i cd i s p e r s i o nr e a c t i o n m e t h o d ( x d ) a t7 5 0 c t h em a s t e ra l l o yw a sb r o k e nl e s st h a n2 0 0 i - t ma n dt h e np u ti n t o m o l t e nm a g n e s i u ma l l o ya t7 5 0 。ca f t e rw a r m e d u pt o3 0 0 c t h et i c 媪91c o m p o s i t e s w e r eg o tb ys t i r - c a s t i n g t h er e s u l t ss h o w e dt h a tm i c r o s t r u c t u r eo ft h et i c f f a lm a s t e r l l i 颗粒增强镁幕复合材料的制备及其件能研究 _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ l - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ l - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ l _ - _ - _ - _ _ i _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ 一ii _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - - _ - _ _ _ _ _ _ _ - a l l o yw a sb e s tw h e nt h ec o n t e n to ft h ea 1i na 1 t i - cs y s t e mw a s4 0 w t a n dt h em o lr a t i o o ft i ：ci s l ：1 t h et i cp a r t i c l ew h i c hw a s s y n t h e s i z e d a t7 5 0 s h o w e db e s tc h a r a c t e r s t h em e a ng r a i ns i z eo ft i cw a sl e s st h a n2 阻a n dh a sg o o ds p h e r i c i t y i na d d i t i o n ，t h e p a r a m e t e r so ft h es t i r r i n gt e c h n o l o g yw e r ei m p o r t a n tt ot h ed i l u t i o no ft h et i ci nm o l t e n m a g n e s i u ma l l o y t i cp a r t i c l e sw e r ed i l u t e dh o m o g e n e o u s l y 、析t 1 1l e s so x i d a t i o nw h e n r o t a t es p e e dw a s2 0 0 r m i na n d s t i r r i n gf o r2 0m i n u t e t h em i c r o s t r u c t u r er e s e a r c ho ft h ec o m p o s i t e sf a b r i c a t e db yd i l u t i n gt i c p a 1m a s t e r a l l o yi nm o l t e nm a g n e s i u ma l l o ys h o w e dt h a tt i cp a r t i c l e sw e r ed i l u t e dh o m o g e n e o u s l y t h r o u g h o u t0 【一m ga n d 3 - m g l 7 a l l 2i nm a g n e s i u mm a t r i x b u tt h ep h e n o m e n ao fp a r t i c l e s c o n g l o b a t i o na n ds e t t l i n ga p p e a r e dw h e nt i cc o n t e n te x c e e d5 w t t h ep r o p e r t i e so f c o m p o s i t e ss u c ha st e n s i l es 仃e n g t ha n dh a r d n e s sw e r ei m p r o v e dr e m a r k a b l yd u et o d i s p e r s i o ns t r e n g t h e n i n g t h ec o m b i n a t i o np r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e sw e r ee x c e l l e n t w i t l l5 w t t i c 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 e sc a nr e a c h18 2 m p a , a n di t sh a r d n e s s c a nr e a c h6 3 h b sw i t h10 a n d15 p r o m o t i o nc o m p a r e dw i t ha z 91 a l l o y i na d d i t i o n ， t h ew e a rr e s i s t a n c eo ft h ec o m p o s i t e sw a se n h a n c e db e c a u s et i cp a r t i c l eb u l g e do n m a g n e s i u mm a t r i xa n du p h e l dt h em o s tl o a d t h ef r a c t u r e p a t t e r n so ft h ec o m p o s i t e sw e r ea n a l y z e du s i n gs e m t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h ef r a c t u r ep a t t e r n sc h a n g e df r o mp a r t l yg l i d i n gf r a c t u r et ob r i t t l ef r a c t u r e w i t ht h ei n c r e a s i n go ft i cc o n t e n t t h ef r a c t u r em e c h a n i s mo ft h ec o m p o s i t e sw i t hl o w t i cc o n t e n tw a sc o n t r o l l e db yp - m g l t a i l 2 t h ef r a c t u r em e c h a n i s mc h a n g e dt oi n t e r f a c e m e c h a n i s mb e t w e e nt i ca n da - m g 1 3 一m g l 7 a l l 2 诵也t i ci n c r e a s i n g e v e n t u a l l y ，t h e f r a c t u r em e c h a n i s mw a sc o n t r o l l e db ya g g l o m e r a t e dp a r t i c l e so w i n gt oa d d i n ge x c e s s i v e t i c t i cp a r t i c l ew a s s y n t h e s i z e d i n - s i t u u s i n gs e l f - p r o p a g a t i n gh i g h - t e m p e r a t u r e s y n t h e s i s ( s h s ) t e c h n o l o g yi nm o l t e nm a g n e s i u ma l l o yw i t ha 1 一t i cs y s t e ma n dt h e d i f f e r e n c e sb e t w e e nt h et w ot e c h n o l o g i e sw e r er e s e a r c h e d t h ep o w d e r so fa l ，t ia n dc w e r em e c h a n i c a l l yp r e s s e di n t op r e f o r m sa n d p u ti n t om o l t e nm a g n e s i u ma l l o ya t7 8 0 c a f t e r w a r m i n g - u p e v e n t u a l l y , t h et i c p 媪9 1 c o m p o s i t e s w e r eg o tt h r o u g hh e a t i v 济南大学硕：l 二学位论文 p r e s e r v a t i o na n ds t i r r i n g - c a s tt e c h n o l o g y t h em e c h a n i s mr e s e a r c ho ns y n t h e s i so ft i c i n - s i t uw a sa n a l y z e d a 1 3 t ip h a s ew a sg e n e r a t e df i r s t l ya f t e rt h ea d d i t i o no fa li nm o l t e n m a g n e s i u ma l l o y a n dt h e n , t i cw a ss y n t h e s i z e db yt h er e a c t i o no fca n da 1 3 t i t h e e x p e r i m e n t sc o n f i r m e dt h a tt h ec o m p o s i t e sw e r eb e s ta t7 8 0 。cr e a c t i o nt e m p e r a t u r ew h e n t h ec o n t e n to ft h ea ii na i - t i - cs y s t e mw a s4 0 w t a n dt h em o lr a t i oo ft i ：cw a s1 ：1a t 5 0 0 cp r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e c o m p a r e d 、析t hm a s t e ra l l o yt e c h n o l o g y , t h et i cp a r t i c l ei n s i t uw a ss m a l l e ra n di t s a v e r a g es i z ew a ss u b m i c r o n t h ep h e n o m e n ao fp a r t i c l e sc o n g l o b a t i o na n ds e t t l i n gw e r e s o l v e d 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 e sf a b r i c a t e db yi n - s i t ut e c h n o l o g yc a l lr e a c h 18 6 m p a 、柝t h12 p r o m o t i o nc o m p a r e d 、析t 1 1a z 91 a l l o ya n db e t t e rt h a nm a s t e ra l l o y t e c h n o l o g y b u tt h ec o n t e n to ft i ci nt h ec o m p o s i t e ss y n t h e s i z e db yi n s i t ut e c h n o l o g y w a sl e s st h a n5 w t t h eh a r d n e s sa n dw e a rr e s i s t a n c eo ft h ec o m p o s i t e sf a b r i c a t e db y m a s t e ra l l o yt e c h n o l o g yw e r eb e t t e rd u et ot h eh i g hc o n t e n to ft i c i nf a b r i c a t i o n t e c h n o l o g ys i d e s ，t h ei n - s i t ut e c h n o l o g yh a sg r e a t e re c o n o m i ca d v a n t a g et h a nm a s t e ra l l o y t e c h n o l o g yd u et oi t ss i m p l i c i t y k e yw o r d s ：a 1 一t i c ；t i c ；a z 9 1 ；m a s t e ra l l o y ；i n s i t u ；c o m p o s i t e s v 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：日 期：兰! ! 呈：9 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) 论文作者签名：鱼鸡一导师签名：扣筮送查日期：1 1 1 ：。 济南大学硕十学位论文 1 1 选题的意义 第一章绪论 镁合金作为一种轻质的工程结构金属材料，不仅具有优异的比强度和比刚度还 具有良好的阻尼减震和电磁屏蔽性能等优点【i 司。目前，镁合金作为部分钢、铝材料 的替代品在变速箱、离合器、轮毂等汽车零配件方面以及通讯设备、航空等领域中 已经得到了广泛的应用【4 叫。因此，镁合金被认为是优良的“绿色工程材料”。 但是，镁合金还存在弹性模量小、高温强度和抗蠕变性低、耐磨性差等严重的 不足，而且仅仅通过合金化技术又不能加以解决，因此大大限制了镁合金的进一步 发展及其工业应用。目前，抗蠕变镁合金的工作温度只有1 5 0 - - - , 1 7 0 ，而普通镁合 金的工作温度只有1 2 0 。这些问题已经成为镁合金发展的瓶颈。如何解决这一问 题自然成为镁合金研究领域的关键问题。由于合金化很难解决镁合金存在的这些问 题，所以走复合材料的道路自然成为镁合金发展的最佳途径之一。目前，金属基复 合材料按照增强体的形态特征，主要有纤维增强、晶须增强和颗粒增强三种。连续 纤维增强镁基复合材料沿纤维方向强化效果显著，具有非常高的比强度和比刚度， 但是其生产成本高，制备工艺复杂，难以实现在工业生产中的大规模应用，材料的 回收利用也非常困难【j 7 引。晶须增强镁基复合材料强度高、工艺性能优良，而且材料 可以回收再用，但是其成本很高，大大限制了其应用范围们。 颗粒增强镁基复合材料是将陶瓷颗粒增强相外加或自生进入镁基体中得到兼有 基体性能( 塑性和韧性) 和增强相特性( 高硬度和高模量) 的复合材料【1 1 l 。这类材 料因其制造成本相对较低、微观结构均匀、材料性能各向同性，可采用热压、热轧 等传统的金属加工工艺加工成形，因而与纤维增强和晶须增强相比倍受重视。目前， 镁基复合材料的增强颗粒主要是以外加的方式加入基体，尽管外加颗粒增强镁基复 合材料也可以获得较高的性能，但是一般认为，外加颗粒与基体合金之间润湿性较 差，而且增强颗粒的尺寸较大，几乎都在几微米或几十微米，很少低于微米级，导 致复合材料中颗粒沉降严重，分布不均匀【l 2 。 近年来，发展的原位合成技术不仅改善了增强体与基体的相容性、界面结合强 度，实现了对增强体形貌和尺寸的有效控制，而且简化了制备工艺，降低了生产成 本，在复合材料制备方法中具有明显的技术优势和经济优势，它己广泛应用于制备 颗粒增强镁基复合材料的制各及其性能研究 颗粒增强铝、钛基复合材料。然而，对于镁合金来讲，由于其熔点低，极易氧化燃 烧，给原位镁基复合材料的研究和开发带来极大的困难。原位颗粒增强复合材料的 制备主要通过放热反应在基体内生成陶瓷颗粒来达到强化基体的目的。由于该方法 在反应过程中基体作为稀释剂，会有大量的热量散失到基体中，使燃烧波的蔓延不 稳定，导致反应进行不彻底【1 3 】。因此，对现有制备工艺进行简化，降低制备成本， 开发新的更适合镁基复合材料的制备技术，是镁基复合材料实现大规模工业应用的 关键。 本课题以a 1 t i - c 为反应体系，以m g a 1 合金为增强基体，采用两种制备工艺： 中间合金重熔稀释法和原位内生法，对t i c 颗粒增强镁基复合材料的制备工艺、微 观组织及性能进行了对比研究。 1 2 镁基复合材料的研究现状 众所周知，镁合金具有高的比模量、比强度，良好的阻尼性能和电磁屏蔽性能， 可广泛用于航天、航空、计算机等行业，但较低的高温强度、较小的弹性模量和较 差的耐磨性能限制了它的进一步应用，而镁基复合材料的出现和发展为改善镁合金 性能上的缺陷带来了很大希望。 1 2 1 镁基复合材料的分类 镁基复合材料的分类方法有多种，按照增强体的形态分类主要有以下三类：纤 维增强、晶须增强和颗粒增强镁基复合材料。早在2 0 世纪7 0 年代初，就有学者为 了改善镁合金强度低、力学性能差的缺点，向镁合金中加入高强、高弹性模量的碳 纤维、碳化硅纤维等制成连续纤维增强镁基复合材料【1 4 1 。纤维增强镁基复合材料沿 纤维方向强化效果显著具有高的比强度、比刚度、减震性等性能。但是，由于连续 纤维的成本较高、制备工艺复杂以及切削加工困难，从而限制了它在民用方面的推 广与应用。 目前，常见的晶须增强镁基复合材料主要以s i c 晶须为增强体。晶须增强作为 一种非连续增强镁基复合材料，虽然具有晶须强度高、工艺性能优良，而且材料可 以回收再用等优点，但是其成本太高，大大限制了其应用范围。 为了满足生产应用的要求，必须研究低成本的镁基复合材料。1 9 8 6 年，美国 d o wc h e m i c a l 公司的研究者用铸造法制备出陶瓷颗粒( s i c ，a 1 2 0 3 ) 增强镁基复合 材料，并制造出皮带轮、链轮、油泵盖等样品零件，其优异的性能引起人们的普遍 2 济南人学硕士学位论文 关注f ”1 。颗粒增强镁基复合材料与纤维增强、晶须增强相比复合材料组织均匀，各 向同性，具有优良的铸造性能，最重要的是颗粒增强镁基复合材料的制备工艺和成 本大大降低，使镁基复合材料的民用化成为可能。颗粒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复合材料。 1 2 2 镁基复合材料的主要制备工艺 按照镁基复合材料制备技术的原理，可以分为两大类：传统外加法和原位内生 法。原位内生法与传统外加法相比，增强颗粒在制备过程中合成，避免了颗粒与基 体之间的界面污染，增强相与基体之间界面结合良好。传统镁基复合材料的制备技 术主要有粉末冶金、搅拌铸造、挤压铸造、熔体浸渗、喷射沉积法等工艺。 1 2 2 1 传统镁基复合材料制备工艺 ( 1 ) 粉末冶金法 粉末冶金法( p o w d e rm e t a l l u r g y ，简称p m ) 是最早开发用于制备颗粒增强金属 基复合材料( p r m m c s ) 的工艺方法。其制备工艺是把增强颗粒与基体合金粉末进 行机械混合，将混合均匀的粉料在模具中以一定压力压制成型，然后加热至合金两 相区进行烧结，使增强物与基体合金烧结成一体形成复合材料。粉末冶金法中常用 的增强体种类繁多，如s i c 、t i c 、b 4 c 、a 1 2 0 3 等。姜启川等人【1 6 , 1 7 1 利用粉末冶金法 制备的t i b 2 m g 和b 4 c m g 复合材料获得了较高的强度和耐磨性能。 粉末冶金法制备镁基复合材料的主要优点是，在制备过程中基体合金粉末与增 强相通过机械混粉，然后压制成型，基体不经过全熔的高温状态，所以颗粒在基体 内分布均匀，不存在颗粒沉降问题。也可以避免铸造法带来的镁合金的氧化，基体 与增强物界面处发生有害反应等问题，从而使镁基复合材料具有良好的综合性能。 而且该方法对基体合金种类和增强体类型没有限制，可以制得高体积分数增强相的 镁基复合材料。粉末冶金法制备镁基复合材料的主要缺点是，对设备要求高，一般 需要高真空的热压炉而且工艺复杂，需要机械混粉，压制成型，烧结等工艺流程， 所以成本较高，不易制备形状复杂的零件。 ( 2 ) 搅拌铸造法 搅拌铸造( s t i r - c a s t i n g ) 是通过机械搅拌或电磁搅拌等方法，使增强相分散到基体 中，最终浇铸成型的一种工艺方法。根据铸造时金属形态的不同可分为：全液态搅 3 颗粒增强镁基复合材料的制各及其性能研究 拌铸造( 即在液态金属中加入增强相，搅拌一定时间后浇铸成型) 、半固态搅拌铸造 ( 即在半固态金属熔体中加入增强相搅拌一定时间后浇铸成型) 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 一定时间后浇铸成型) 三种。 m a r t i n l l 8 】等人在c 0 2 + s f 6 保护气氛下进行坩埚熔炼，将s i c 颗粒加入镁熔体 中，通过机械搅拌，使颗粒分散于镁合金熔体中，成功制备出s i c d q v i g 6 z n 复合 材料，获得较高的力学性能。i n e m 等人【1 9 ，2 0 1 研究了搅拌铸造法制备的 s i c p z c m 6 3 0 、z c 7 1 镁基复合材料的界面，发现界面上没有明显的化学反应发生， 但却在界面上存在方形m g e s i 析出相，认为这是由于s i c 中的s i 或s i 0 2 与m g 反 应形成的，但界面上没有观察到m g o 。 搅拌铸造法设备简单，生产效率高，制造成本低但仍存在一些未解决的问题。 比如，颗粒增强相与基体合金密度不同造成的颗粒沉降和聚集现象会使制备的复合 材料基体中颗粒分布不均匀，容易团聚。搅拌时搅拌头后产生的负压使复合材料很 容易吸气而形成气孔与夹杂。另外，由于搅拌头一般为钢制品，在高温的镁合金熔 体中搅拌容易造成f e 元素污染。 ( 3 ) 挤压铸造法 挤压铸造法( s q u e e z ec a s t i n g ) 是目前制备非连续增强金属基复合材料最成功的 工艺之一。一般来说，挤压铸造法的工艺通常包括两个工序，首先将增强相经过加 压成型制成预制件，然后将预制件加热并放入热态挤压模中，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。 胡连喜川等人在研究s i c j z k 5 1 a 镁基复合材料时提出，挤压铸造s i c w z k 5 1 a 复合材料经等温热挤压后，其力学性能有很大提高。主要原因是，挤压变形能消除 铸造缺陷，增强s i c 晶须与z k 5 1 a 镁合金基体的界面结合，使复合材料中s i c 晶须 发生定向分布，沿挤压方向呈准一维分布特征，晶须的增强承载能力得到充分发挥。 挤压铸造的关键技术在于压力的选择。压力的存在使得晶粒细化，气孔减少， 有利于提高性能。但是，过高的压力会导致镁合金产生紊流，吸气量增加且容易氧 化。从而使得复合材料的性能下降。挤压铸造法的优点是工艺简单、近终成型。挤 压铸造克服了增强体与基体不润湿的现象，保证了基体与增强体的结合，而且消除 4 济南大学硕：l 学位论文 了气孔、缩孔等铸造缺陷，与搅拌铸造法相比，允许制各更高体积分数的复合材料， 但该方法不适合制备形状复杂或体积较大的零件。 ( 4 ) 熔体浸渗法 熔体浸渗法( m e l ti n f i l t r a t i n g ) 主要包括三种，压力浸渗、无压浸渗与负压浸渗。 压力浸渗是先把增强相或者增强骨架预制成一定形状的疏松结构，然后在一定压力 下将熔化的基体合金浸渗到预制体间隙而达到复合化的目的【2 2 】。其主要优点是可制 备高体积分数的复合材料。无压浸渗是将熔融的基体合金在气体保护下，不施加任 何压力对预制块进行浸渗，从而制备出镁基复合材料。该工艺设备简单，成本低， 但由于表面张力的存在以及增强相与基体合金之间的润湿性问题使得基体合金熔体 不易浸入预制块内部，造成充填不实等问题。负压浸渗是在预制块内部的空洞中造 成负压，依靠产生的负压实现熔融基体合金对陶瓷颗粒预制块的浸渗。 万春锋【2 3 】等人以s i c 颗粒作为增强相，以淀粉作为造孔剂、酚醛树脂作为粘结 剂，采用无压浸渗法制备了s i c a 1 复合材料，分析了颗粒大小、颗粒级配、淀粉含 量等因素对复合材料抗弯强度的影响。指出，随着淀粉含量增加和s i c 颗粒尺寸的 减小，浸渗后形成的复合材料抗弯强度增大。通过颗粒级配方法制备的s i c a 1 复合 材料的抗弯强度比大颗粒的强度高，比小颗粒的低。同样，桑可正【冽等人采用无压 浸渗制备的s i c a 1 复合材料也获得了很高的耐磨性能。 熔体浸渗法可以获得高增强相体积分数的复合材料，制备的复合材料硬度高、 耐磨性好。主要缺点是工艺复杂，预制块在制备过程中容易变形，组织形貌不易控 制，增强相晶粒尺寸粗大，基体与增强相之间存在界面反应，不适合制备形状复杂 或厚壁的零件。 ( 5 ) 喷射沉积 喷射沉积( s p r a yd e p o s i t i o n ) 是在雾化器内将陶瓷颗粒与金属熔体相混合，随 后被雾化喷射到水冷基底上，形成激冷复合颗粒，需随后进行固结才能制成大块镁 基复合材料【2 5 ，2 6 1 。吉拮f 2 7 1 等人对多层喷射沉积s i c p 7 0 7 5 复合材料采用循环压制工 艺进行致密化加工。研究了沉积坯料在不同压制温度、横向变形量、压下量条件下 的致密化规律，得出在4 2 0 。c 进行循环压制，能有效改善颗粒间的结合状态。何玉 丐 颗粒增强镁基复合材料的制备及其性能研究 松【2 8 1 等人在对喷射沉积7 0 7 5 a l s i c p 铝基复合材料进行高温拉伸时得出，高温流变 应力随变形温度的升高而降低，随应变速率的增加而增加。并采用p o w e r - a r r h e n i u s 模型对喷射沉积7 0 7 5 a i s i c p 复合材料板材在该实验条件下的热激活能进行了计算， 得出不能用自扩散理论来解释铝基复合材料的高温变形机制。颗粒增强铝复合材料 由于复合相的存在而使得其高温变形机制发生了变化。 喷射沉积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。由于颗粒与金属是机械结合，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，不适合生产近终型零件。 1 2 2 2 原位颗粒增强镁基复合材料制备工艺 原位复合( i ns i t u ) 又称内生复合、自生复合。与外加复合相比，内生复合的增 强相是在制备过程中形成。因而不但增强相颗粒细小、表面洁净，而且体系在热力 学上比较稳定，无界面反应。因此，尽管内生颗粒增强镁基复合材料的研究时间不 长，但已成为金属基复合材料中的一个研究热点。原位反应法其基本原理是在基体 内部通过化学反应来生成增强颗粒，这一点与外加法有本质的区别。主要方法有x d 法、v l s 法、自蔓延高温合成( s h s ) 法、混合盐反应法、固一液反应法、直接氧化法 在占 予o ( 1 ) 放热反应法( x d 法) 放热反应法( e x o t h e r m i cd i s p e r s i o nr e a c t i o nm e t h o d ) 即x d 法是是将两个或 两种以上固态反应元素粉末和金属基体粉末均匀混合，压实除气后将压坯快速加热 到基体金属的熔点以上温度，固态元素粉末在熔体介质中产生放热化学反应而生成 增强体颗粒，然后将熔体进行铸造、挤压等加工即可得到颗粒增强金属基复合材料 【2 9 】 o 该方法所用反应剂粉末不只限于元素态粉末，也可利用含增强体元素的化合物 粉末和合金粉末。后来在该法的基础上，还开发出了一种肛重熔稀释方法，即先 用x d 法制备增强体含量高的母体复合材料，然后将母体加入到高温熔化的基体合 金中进行稀释，铸造后即可得到所需成分的金属基复合材料。 朱和国【3 0 】等人，以a i t i 0 2 b 2 0 3 为体系制备了铝基复合材料，并对复合材料的 6 济南大学硕士学位论文 界面结构进行了研究。研究得出，由x d 法合成的铝基复合材料中，增强体由 甜舢2 0 3 、t i b 2 和a 1 3 t i 组成，其中a a 1 2 0 3 和t i b 2 为等轴颗粒，趟3 n 呈棒状。 a 1 3 t i 与基体的界面干净、相容性好，在基体中分布均匀，t i b 2 与铝基体界面干净。 王香等人采用x d 法制备了t i c 犯a 1 2 复合材料。研究指出，原位合成的t i c 颗 粒，在基体中分布均匀，没有颗粒的偏聚和宏观、微观偏析存在。复合材料中t i c 颗粒呈近球形，表面圆整与基体合金的界面结合较为紧密，无反应产物存在。 ( 2 ) 液固气反应法( v l s 法) 该技术是由k o c z a k 等人发明的颗粒增强金属基复合材料的制备方法【3 2 1 ，其原理 是将含碳( 或含氮) 气体通入高温