上海交通大学镁合金顶刊：搅拌铸造颗粒增强Mg-Li-Al基复合材料！

2022-11-09 16:59:37 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导论：通过球磨和冷压预处理一种新型的Mg-10Li-3Al （wt.%， LA103）基复合材料，使得在搅拌浇铸条件下制备分散良好的材料成为可能。本文详细分析了不同预处理方法制备的复合材料的显微组织和力学性能。预处理Al-TiB₂/LA103复合材料中TiB₂颗粒由于熔体中形成了高度可湿性的核壳单元而均匀分布在微观组织中。与基体合金相比，Al-TiB₂ /LA103复合材料在保持可接受伸长率的同时，表现出有效的强度和弹性模量的提高。复合材料的强化作用主要是由于TiB₂具有较强的晶粒细化效应。该工艺与常规搅拌浇铸工艺相比，具有较高的比模量（36.1 GPa·cm³·g^-1）和较高的伸长率（8.4%），具有较好的应用价值。

镁锂（Mg-Li）合金由于密度低，在航空航天和军事工业中得到了广泛的研究和应用。与其他具有六方晶格结构的镁合金不同，Mg-Li合金（特别是单β相合金）具有良好的塑性，可通过塑性加工来成形。虽然Mg-Li合金具有超轻、比强度高、可塑性强等重要性能，但在实际工程应用中，仍缺乏足够的抗拉强度和弹性模量。对常规合金元素Al、Zn和稀土元素Y、Er的强化作用进行了充分探讨。针对Mg-Li合金强度不足的问题，还报道了固溶处理和热挤压后处理方法。

然而，弹性模量的增强不能依赖于一般的金属强化方法，因为杨氏模量是微结构不敏感的，与化学键合的物理性质有关。虽然在合金中合成具有高弹性模量的金属间化合物或固溶体结构是可能的，但改进是有限的。轻合金普遍存在模量低的问题。目前提高合金弹性模量的方法是通过复合材料将高模量相引入基体中。研究人员通过原位或原位方法制备了SiC（或CNT，金刚石，Al2O3等）增强金属基复合材料，具有优异的力学性能。由于基体合金的高反应性导致的界面反应难以控制，在Mg-Li合金中很少进行类似的研究。理论上，化学稳定的陶瓷颗粒可以作为镁锂基复合材料的理想增强剂。在以往的研究中，用于增强Mg-Li基复合材料强度的增强剂包括Al₂Y，B₄C和Co₂O₃等弹性模量尚未得到充分研究的粒子。

此外，金属基复合材料的制备方法是至关重要的，它直接影响复合材料的微观结构（配筋分布）和性能。目前的研究更多地集中在粉末冶金的制备方法和门槛成本较高的渗透方法上，而不是在工业领域可行的搅拌铸造方法。在制备方法上，虽然粉末冶金制备的材料具有较好的微观组织可控性，但不可否认的是搅拌铸造是金属基复合材料中使用最多的方法，其成本低、工艺简单、规模大，是不可替代的。然而，不理想的铸造工艺可能导致严重的缺陷，如气孔、氧化夹杂和界面反应。此外，当颗粒体积分数较高时，由于陶瓷颗粒在熔体中的润湿性较差，微纳米级增强颗粒的比表面能较大，复合材料会发生大规模团聚，从而降低了力学性能。为了改善金属基复合材料的团聚问题，人们研究了包括PVD、电镀和化学方法在内的表面处理方法，以及热挤压和等通道角挤压（ECAP）等后处理方法，但这无疑会增加材料制备的复杂性。

考虑到Mg-10Li-3Al的低密度（1.49 g/cm³）和TiB2的高弹性模量（550 GPa），本研究选择Mg-10Li-3Al基合金与微米TiB2颗粒作为复合体系。Al在合金（LA103）中的加入保证了Mg-Li合金的强度。同时，作为一种典型的单相体心立方（bcc） Mg-Li合金，可以排除其他元素的干扰，更好地研究与TiB2粒子的界面相互作用。将TiB2颗粒以冷压预制块的形式添加到搅拌熔体中，由复合粉末（将TiB₂颗粒与Mg颗粒或Al颗粒混合，然后进行球磨）组成。提高了8 wt.% TiB₂/LA103基复合材料的强度和弹性模量，研究了复合材料的力学性能和微观结构，所研制的材料具有比模量和塑性性能的平衡。

上海交通大学刘文才教授等人将相关研究成果以题为“Strength and elastic modulus enhancement in Mg-Li-Al matrix composites reinforced by ex situ TiB2 particles via stir casting”发表在期刊Journal of Magnesium and Alloys上。

链接：https://doi.org/10.1016/j.jma.2022.09.020

图 1

TiB2 /LA103复合材料的制备工艺示意图

Mg和Al颗粒的尺寸均匀性基本一致，而TiB₂颗粒呈不规则块状，TiB₂颗粒尺寸不均匀，但均小于10 μm。这些TiB₂颗粒是用高温自传播法合成的，是目前工业上使用最多的颗粒尺寸。物理气相沉积（PVD）制备的纳米级TiB₂颗粒对复合材料的塑性影响较小，但成本过高，难以适应工业复合材料坯料的生产。不仅如此，利用纳米颗粒进行复合材料制备，由于纳米尺度带来的高表面能，也不可避免地会遇到与微米颗粒相比严重的团聚问题，特别是在液相法制备过程中难以控制。