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1、顆粒增強(qiáng)鎂鋰基復(fù)合材料文獻(xiàn)綜述前言鎂鋰合金具有高比強(qiáng)度、比剛度、優(yōu)異的塑性加工性能、比重小等特性以及良好的電磁屏蔽性、阻尼性能,在航空航天、電子信息、汽車工業(yè)及現(xiàn)代兵器制造等領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景1-4。但鎂鋰合金存在著絕對(duì)強(qiáng)度偏低,易發(fā)生室溫過時(shí)效,尺寸穩(wěn)定性(抗蠕變性能)和耐蝕性、耐磨性較差等問題,極大限制了合金的使用范圍。而復(fù)合強(qiáng)化是提高鎂鋰合金強(qiáng)度并防止強(qiáng)度衰退的可能途徑5-7。Mg-Li基復(fù)合材料研究中所涉強(qiáng)化相主要包括硼纖維、碳纖維、不銹鋼絲、SiC晶須、Ti合金絲以及 B4C、B、Al2O3 、YAl2顆粒等。本文結(jié)合近幾年國(guó)內(nèi)外關(guān)于Mg-Li基復(fù)合材料的研究情況,對(duì)顆粒Mg

2、-Li基復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制、增強(qiáng)相種類和制備方法進(jìn)行了綜述。 摘要鎂鋰基合金及其復(fù)合材料具有高比剛度、高比強(qiáng)度和比模量等特性,是一種很有發(fā)展前景的材料。本文綜述了顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的研究概況,論述了顆粒增強(qiáng)鎂鋰基復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制和常用的增強(qiáng)體種類,并討論了各種增強(qiáng)劑與鎂鋰基體的界面反應(yīng)及機(jī)械性能。介紹了顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的常用制備方法, 并比較了這幾種制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)。最后,結(jié)合目前發(fā)展中所面臨的機(jī)遇和問題,展望了顆粒增強(qiáng)Mg-Li基復(fù)合材料的未來方向及發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞:顆粒;鎂鋰基復(fù)合材料;增強(qiáng)機(jī)制;制備方法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、顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制 鎂基復(fù)合材料的強(qiáng)

6、化機(jī)制涉及材料的組織設(shè)計(jì)問題,近年來一直是材料學(xué)的研究熱點(diǎn)。鎂基復(fù)合材料尤其是顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制極其復(fù)雜,雖然提出了很多強(qiáng)化模型,如: “混合定律8”、“剪滯模型9”、“球化模型10”、“Eshelby 連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型11” 以及運(yùn)用有限元軟件分析數(shù)學(xué)模型等來進(jìn)行分析,但迄今為止缺乏一個(gè)完善的理論。一般認(rèn)為強(qiáng)化原因有如下幾種: (1) 載荷傳遞引起的強(qiáng)化 顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料由基體、增強(qiáng)顆粒和界面組成。鎂基復(fù)合材料的主要強(qiáng)化機(jī)制是應(yīng)力轉(zhuǎn)移,即載荷從基體向增強(qiáng)體的傳遞,增強(qiáng)體是載荷的主要承擔(dān)者12,所以載荷傳遞是很重要的強(qiáng)化因素。 (2) 細(xì)晶強(qiáng)化 由于在鎂合金中存在增強(qiáng)體,增加了

7、材料內(nèi)部的界面面積,加強(qiáng)了晶界的強(qiáng)化作用且細(xì)化了-Mg基體晶粒。超細(xì)的亞晶粒尺寸會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的增強(qiáng)13 。 (3) 彌散強(qiáng)化 彌散強(qiáng)化是指在均勻基體中加入不溶于基體金屬的硬質(zhì)顆粒(增強(qiáng)相) 的一種強(qiáng)化手段。為了使增強(qiáng)相在基體金屬中分布均勻,通常用粉末冶金方法制造。第二相一般為高熔點(diǎn)的氧化物或碳化物、氮化物,其強(qiáng)化作用可保持到較高溫度。強(qiáng)化相彌散強(qiáng)化的實(shí)質(zhì)是利用彌散的超細(xì)微粒阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),從而提高材料在高溫下的力學(xué)性能。為此,對(duì)彌散強(qiáng)化微粒有如下要求: 微粒尺寸要盡可能小( 0.01 m 0.05 m),微粒的間距要達(dá)到最佳程度( 0.1 m 0.5 m),在基體中分布要均勻;此外,微粒與基

8、體金屬不相互作用,在高溫下微粒相互集聚的傾向性要小。這樣就能使材料在接近熔點(diǎn)的高溫下,即采用合金化和熱處理已難起強(qiáng)化作用的情況下,仍能保持一定強(qiáng)度。彌散強(qiáng)化相含量一般小于10%。( 4) 固溶強(qiáng)化 合金組元通過溶解形成一種成分和性能均勻的、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱為固溶體。與固溶體晶格相同的組元為溶劑,一般在合金中含量較多; 另一組元為溶質(zhì),含量較少。固溶強(qiáng)化是金屬強(qiáng)化的一種重要形式。在溶質(zhì)含量適當(dāng)時(shí),可顯著提高材料的強(qiáng)度和硬度, 而塑性和韌性沒有明顯降低。稀土元素一般具有顯著的固溶強(qiáng)化作用。 (5) 位錯(cuò)強(qiáng)化 在鎂基復(fù)合材料中,由于基體的熱膨脹系數(shù)一般要比增強(qiáng)相的熱膨脹系數(shù)大,因此在制備

9、和熱處理過程中,在基體材料中產(chǎn)生塑性變形,從而形成高密度位錯(cuò),導(dǎo)致強(qiáng)化。 以上介紹了幾種常見的強(qiáng)化原因,但是由于材料的強(qiáng)度、韌性和斷裂等力學(xué)性能與材料的原位特性有關(guān),對(duì)材料中的界面、缺陷等局部缺陷很敏感,屬高階性能,往往出現(xiàn)協(xié)同效應(yīng),即當(dāng)幾個(gè)因素同時(shí)在材料中起作用時(shí),材料的某些特性可能發(fā)生急劇變化。因此,不能簡(jiǎn)單認(rèn)為復(fù)合材料的高強(qiáng)度是上述強(qiáng)化因素簡(jiǎn)單的疊加效應(yīng)。二顆粒增強(qiáng)鎂鋰基復(fù)合材料的增強(qiáng)體 Mg-Li基復(fù)合材料研究中所涉強(qiáng)化相主要包括硼纖維、碳纖維、不銹鋼絲、SiC晶須、Ti合金絲以及 B4C、B、Al2O3 、YAl2顆粒等。以下對(duì)這些增強(qiáng)相進(jìn)行分別闡述:(1) SiC顆粒 上海交通大學(xué)

10、馬春江14等采用真空浸漬法制備了SiC晶須增強(qiáng) Mg-Li復(fù)合材料,其抗拉強(qiáng)度與彈性模量分別為 241MPa和60GPa,分別比基體合金分別提高13%和30%,但SiC晶須增強(qiáng)的Mg-Li復(fù)合材料存在增強(qiáng)體受侵蝕的現(xiàn)象,添加 5%vol 的增強(qiáng)體后復(fù)合材料塑性降低至5.8%。 (2)B4C顆粒哈爾濱工程大學(xué)吳利斌15等采用熱擠壓固態(tài)復(fù)合技術(shù)制B4Cp/Mg-8Li-1Zn和B4Cp/Mg-8Li-1Al-1Y復(fù)合材料,研究復(fù)合材料的顯微組織和力學(xué)性能。結(jié)果表明:隨著參數(shù)的優(yōu)化,材料的變形效果和相的移動(dòng)性得到提高,而復(fù)合薄層的數(shù)量和間距尺寸減小;界面結(jié)合力得到提高的同時(shí)降低了界面的氧化程度。拉伸

11、測(cè)試結(jié)果表明,通過固態(tài)熱擠壓復(fù)合強(qiáng)化,B4Cp/Mg-8Li-1Zn和B4Cp/Mg-8Li-1Al-1Y復(fù)合材料的強(qiáng)度得到明顯提高,分別為238MPa和257.23MPa; B4Cp/Mg-8Li-1Al-1Y復(fù)合材料的比強(qiáng)度最高。更多還原美國(guó)斯坦福大學(xué)的Gonzalez等16用薄膜冶金成型技術(shù)獲得了B4C顆粒增強(qiáng)的 Mg-Li復(fù)合材料,在冷軋后可以獲得細(xì)小的晶粒組織,室溫下拉伸延展性很好,屈服強(qiáng)度比鑄態(tài)組織高50%,比剛度較商業(yè)鋁合金和鈦合金高22%(3)金屬間化合物YAl2顆粒北京航空航天大學(xué)吳國(guó)清等17,18選擇金屬間化合物YAl2顆粒作為增強(qiáng)體,采用攪拌鑄造法成功制備出性能穩(wěn)定的YA

12、l2顆粒增強(qiáng)Mg-Li基復(fù)合材料,增強(qiáng)體尺寸在537.5m范圍內(nèi),添加比例為 5%30%,制備出的復(fù)合材料界面結(jié)合良好且穩(wěn)定性較高,未見界面化學(xué)反應(yīng)和新相生成。添加 20vol.%YAl2 顆粒的復(fù)合材料,其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度分別達(dá)到了225MPa和161MPa,較基體提高了95%和70%,而其延伸率仍保持9%左右,表現(xiàn)出良好的塑性加工性能。 YAl2/MgLiAl復(fù)合材料高溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯優(yōu)于基體合金,表現(xiàn)出良好的高溫拉伸性能。另外,該研究小組提出了先利用球磨混粉法制備超細(xì)復(fù)合顆粒,改善復(fù)合顆粒中增強(qiáng)體顆粒的界面狀態(tài),進(jìn)而通過攪拌鑄造法制備超細(xì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的新工藝,并使用改

13、進(jìn)工藝成功制備了超細(xì)YAl2 顆粒(0.1m4.5m)增強(qiáng)鎂鋰基復(fù)合材料19。在該種材料中,YAl2 顆粒分布均勻,很少發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象,超細(xì) YAl2 顆粒的加入有效改善了復(fù)合材料的組織,從而提高了其力學(xué)性能,5vol.% YAl2/MgLiAl 復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了220 MPa,延伸率保持在7% 。(4) 其他增強(qiáng)體 C纖維雖然密度低,但其與 Mg-Li 基體易發(fā)生反應(yīng)而生成 Li2C2 化合物,所產(chǎn)生的增強(qiáng)效果不理想。鋼絲和Ti合金絲所帶來的強(qiáng)化效果雖好,但由于密度較大,弱化了Mg-Li的超輕優(yōu)勢(shì)。 將幾種典型的 Mg-Li 基復(fù)合材料的力學(xué)性能綜合成表,如表1所示。表 1 幾種典型

14、Mg-Li 基復(fù)合材料的力學(xué)性能20綜上可知,相對(duì)Mg-Li基合金而言,Mg-Li基復(fù)合材料在強(qiáng)度方面更具優(yōu)越性,但由于陶瓷增強(qiáng)體與 Mg-Li 基體的化學(xué)和物理兼容性弱,其塑性在復(fù)合強(qiáng)化后顯著降低,限制了其在工程方面的應(yīng)用。因此,需要從增強(qiáng)體與基體合金的化學(xué)和物理兼容性入手,對(duì) Mg-Li基復(fù)合材料體系進(jìn)行整體考慮和設(shè)計(jì),才能獲得更好的綜合力學(xué)性能。三顆粒增強(qiáng)鎂鋰基復(fù)合材料的制備技術(shù)Mg - Li基復(fù)合材料的制備方法主要有攪拌鑄造法、壓力浸滲法、粉末冶金法、薄膜冶金法以及原位合成法等,這幾種制備方法的適用增強(qiáng)體和優(yōu)缺點(diǎn)見表2。表2 Mg-Li基復(fù)合材料制備方法的適用增強(qiáng)體和優(yōu)缺點(diǎn)20(1)攪

15、拌鑄造法攪拌鑄造是指將陶瓷顆粒等增強(qiáng)物加入高速攪拌的基體金屬熔體中,使其形成復(fù)合材料的方法。這種方法的關(guān)鍵是增強(qiáng)體必須均勻分布在基體中,并且基體和增強(qiáng)相之間有良好的界面結(jié)合。攪拌鑄造法的優(yōu)點(diǎn)是工藝相對(duì)簡(jiǎn)單, 設(shè)備投資少, 生產(chǎn)成本低, 可實(shí)現(xiàn)規(guī)?;a(chǎn)。缺點(diǎn)是增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)有限 (一般不超過20%) , 顆粒一般不可能小于10m。且該方法存在高溫界面反應(yīng)的缺點(diǎn),仍需氣氛或覆蓋劑保護(hù),而且由于Mg-Li合金密度很小,若增強(qiáng)體密度較大則難以分布均勻。(2)熔體浸滲法壓力浸滲法是將增強(qiáng)體制成一定的預(yù)制件,放入模具中預(yù)熱到一定溫度, 在足夠的壓力下,利用壓頭將熔化的Mg - Li合金壓入預(yù)制件中。因M

16、g - Li合金液在大氣下極易氧化燃燒,復(fù)合材料的整個(gè)制備過程需要在真空下或保護(hù)性氣氛中進(jìn)行。為了保證鎂鋰合金熔液能夠充分地與預(yù)制件結(jié)合,壓入前必須將合金液加熱到一定的過熱溫度。壓力浸滲法的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、成熟,由于采用壓力浸滲, 可以克服增強(qiáng)體與基體不潤(rùn)濕的現(xiàn)象, 組織細(xì)密, 無氣孔。缺點(diǎn)是較難制備形狀復(fù)雜件,增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)及均勻分布不易控制,界面結(jié)合較差,高溫下基體對(duì)增強(qiáng)相侵蝕而使性能降低等。(3)粉末冶金法粉末冶金法是指通過對(duì)混合的合金與增強(qiáng)相粉末進(jìn)行研磨、熱壓、固結(jié)來制造顆粒增強(qiáng)型Mg-Li基復(fù)合材料的方法.Whalen21用粉末冶金法制備了Mg-14Li-B復(fù)合材料,Mg-Li合金顆

17、粒與硼粉末(75m)球磨混合均勻后,經(jīng)過冷、熱壓緊成型,壓實(shí)件再經(jīng)三道工序后得到細(xì)小增強(qiáng)體(5m)均勻分布的復(fù)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護(hù)性氣氛下進(jìn)行,因此Mg-Li合金制備極為困難,而且復(fù)合材料制備過程中需要進(jìn)行重復(fù)壓制和擠壓,制造工藝復(fù)雜。其優(yōu)點(diǎn)是:增強(qiáng)體的選擇余地較大,可以方便地改變?cè)鰪?qiáng)體與基體的配比, 制得高體積數(shù)增強(qiáng)相的鎂基復(fù)合材料; 制備過程中基體鎂不必經(jīng)過全熔的高溫狀態(tài),因而界面反應(yīng)大大減弱,且增強(qiáng)體顆粒在基體內(nèi)分布均勻, 從而賦予鎂基復(fù)合材料更高的綜合性能。(4)薄膜冶金法22薄膜冶金法是指首先將基體合金經(jīng)多次冷壓變形和低溫中間均勻化退火或低溫?zé)?/p>

18、軋后制成薄膜,然后將增強(qiáng)體均勻涂到Mg - Li合金薄膜上,最后把薄膜重疊擠壓成復(fù)合材料的方法。該法的特點(diǎn)是整個(gè)制備過程溫度不超過230,增強(qiáng)體與基體之間幾乎沒有高溫界面反應(yīng),而且工藝中的冷變形和回復(fù)再結(jié)晶過程使得組織晶粒細(xì)化、塑性提高較大,甚至可獲得超塑性;但增強(qiáng)體與基體之間的界面結(jié)合強(qiáng)度很低,主要是機(jī)械粘合。薄膜冶金法存在制備工藝復(fù)雜、所有操作均需在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行、設(shè)備條件要求高、成本高的缺點(diǎn)。(5)原位合成法23原位合成法是近年發(fā)展起來制備金屬基復(fù)合材料的一種新方法。該方法通過基體合金與反應(yīng)物發(fā)生一定化學(xué)反應(yīng), 在基體中原位生成所需的增強(qiáng)體。R.T suzuki等24在原位合成反應(yīng)中

19、首次運(yùn)用冷軋和多次壓塑成型工藝,并引入Mg2Si粉末作為增強(qiáng)體,結(jié)果表明,增強(qiáng)體不但沿著擠壓方向均勻地分散在基體合金中,所得復(fù)合材料的機(jī)械性能也比傳統(tǒng)的模具鑄造提高很多,而且降低了合成溫度。原位合成法制備復(fù)合材料的不足在于顆粒的添加比例受反應(yīng)合成的限制,增強(qiáng)效果也相應(yīng)受限,并且制備成本較高。四結(jié)論Mg - Li基復(fù)合材料具有諸多優(yōu)點(diǎn),如高的比強(qiáng)度、比剛度、優(yōu)異的塑性加工性能、比重小、良好的阻尼減震及電磁屏蔽性等。但其仍存在著不足部分,如絕對(duì)強(qiáng)度偏低、耐腐蝕性差、耐磨性差、室溫過時(shí)效、低蠕變強(qiáng)度等。目前,顆粒增強(qiáng)Mg-Li基復(fù)合材料仍存在以下問題:(1) 制備工藝復(fù)雜、成本高。一些先進(jìn)的鎂基復(fù)合

20、材料的制備加工技術(shù)僅限于實(shí)驗(yàn)室或小規(guī)模人工生產(chǎn)環(huán)境中,尚不能應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn),限制了鎂基復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用。(2) 對(duì)于增強(qiáng)顆粒和基體的界面問題、復(fù)合機(jī)制等基礎(chǔ)理論研究不足,不能有效控制增強(qiáng)顆粒和基體的界面行為,也不能很好地采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)來優(yōu)化材料設(shè)計(jì)。(3) 鎂材料的腐蝕問題嚴(yán)重,關(guān)于雜質(zhì)元素、晶粒細(xì)化及熱處理等對(duì)鎂基復(fù)合材料腐蝕性能的影響,有待進(jìn)一步研究。 (4) 鎂基復(fù)合材料的可回收性尚未解決,這是制約其應(yīng)用的一大屏障。針對(duì)以上問題,提出以下解決辦法:(1) 采用先進(jìn)制造技術(shù)與材料的生產(chǎn)相結(jié)合,完善現(xiàn)有制備工藝、開發(fā)新工藝,以降低M g - L i基合金及其復(fù)合材料制備成本。與設(shè)備廠商

21、橫向聯(lián)合,開發(fā)出合適的鎂合金生產(chǎn)設(shè)備,促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研究向大規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化。(2) 開拓思路,選擇合適的基體與增強(qiáng)體;對(duì)增強(qiáng)體進(jìn)行表面改性來改善基體合金與增強(qiáng)體的界面結(jié)合,提高界面結(jié)合強(qiáng)度及界面穩(wěn)定性。加強(qiáng)基礎(chǔ)研究并結(jié)合計(jì)算材料科學(xué),利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)優(yōu)化材料設(shè)計(jì),定量描述材料界面結(jié)合、界面行為等諸多問題,優(yōu)化界面結(jié)構(gòu),提高“界面”對(duì)材料性能的貢獻(xiàn)。(3) 開發(fā)相應(yīng)的表面防護(hù)技術(shù),如等離子噴涂、微弧氧化、化學(xué)轉(zhuǎn)化、液相沉積等。改善Mg-Li基合金及其復(fù)合材料的耐腐蝕性差的問題。(4) 加速M(fèi)g - Li基合金及其復(fù)合材料的再生及回收研究,提高材料利用率。開發(fā)鎂基復(fù)合材料的廢料回收與重熔技術(shù),降低成

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