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重慶大學(xué)潘復(fù)生院士團隊頂刊綜述：鈦增強鎂基復(fù)合材料的微觀組織與力學(xué)性能！

2022-08-02 14:26:15 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)論：目前，鎂基復(fù)合材料(mmc)憑借其在室溫和高溫下的高力學(xué)性能，取得了許多可喜的進展。雖然復(fù)合材料中常用的增強材料是陶瓷顆粒，但它們通常通過顯著降低延性來提高屈服和極限應(yīng)力。硬金屬相，特別是鈦(Ti)被引入作為制造復(fù)合材料的備選相。它熔點高，楊氏模量高，塑性好，與Mg基體的相互溶解度低，熱膨脹系數(shù)比陶瓷顆粒更接近Mg金屬。在鎂合金基體中提供高的極限應(yīng)力和延性是非?？扇〉摹Ｈ欢?，鈦基復(fù)合材料的制備還面臨著許多關(guān)鍵的挑戰(zhàn)，如Ti的均勻性、較低的回收率、Mg與Ti之間界面結(jié)合強度的優(yōu)化等。同時，不同的制備方法對鈦基復(fù)合材料的顯微組織、力學(xué)性能和界面強度有不同的影響。因此，本文著重研究了不同工藝制備ti增強復(fù)合材料的顯微組織特征和力學(xué)性能。對影響強化機理的因素進行了系統(tǒng)的比較和討論。對鈦基復(fù)合材料今后的研究方向、關(guān)鍵問題和發(fā)展前景進行了展望。

鎂(Mg)合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，在汽車運輸、航空航天、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景，隨著人們對節(jié)能減排的日益關(guān)注，鎂(Mg)合金得到了迅速的發(fā)展。然而，由于鎂合金的性能有限，如相對較低的延展性、較低的彈性模量、較差的蠕變和耐腐蝕性能等，嚴(yán)重限制了鎂合金的廣泛應(yīng)用。為了解決這些問題，我們利用合金元素或增強體的引入來改善鎂合金的力學(xué)性能。特別是對鎂基復(fù)合材料的制備進行了大量的研究。

在之前的研究中已經(jīng)達成共識，通過不同的制備方法，通過加入增強材料可以顯著提高復(fù)合材料在室溫和高溫下的力學(xué)性能。陶瓷顆粒、纖維、晶須等多種增強材料已成功地應(yīng)用于復(fù)合材料中。其中常用的增強體有SiC、Al2O3、AlN、TiB2、Y2O3等。然而，由于Mg基體和增強體之間的顯著剛度差異，它們往往以犧牲延性為代價來提高屈服和極限應(yīng)力。為了達到高強度和高延展性的平衡，引入了硬質(zhì)金屬顆粒，如鎳(Ni)、銅(Cu)、鉬(Mo)和鈦(Ti)等來增強Mg基體。它們通常具有較高的熔點、較高的楊氏模量、較高的塑性，與基體的相互溶解度較低，與Mg金屬的熱膨脹系數(shù)比陶瓷顆粒更接近。值得注意的是，在硬金屬元素中，Cu和Ni傾向于與Mg形成金屬間化合物，如Mg2Cu和Mg2Ni，這阻止了它們作為硬金屬顆粒來強化Mg基體。Mo與Mg基質(zhì)沒有界面反應(yīng)，但其與Mg的潤濕性和晶粒細化作用尚未得到廣泛報道。Ti與Mg呈潛在的相干晶格關(guān)系。它在鎂合金中具有被忽視的最終固溶性，并且比陶瓷顆粒具有更強的變形能力，是制備金屬增強復(fù)合材料的理想選擇。

迄今為止，人們一直致力于在鎂合金中引入金屬鈦以獲得高強度和延展性。Ti增強復(fù)合材料的力學(xué)性能受多種因素的影響，包括晶粒尺寸、金屬間相、Ti的均勻性、Ti與Mg界面結(jié)合強度等，但在不同的制備方法下，某些因素可能起主導(dǎo)作用。因此，本文首先介紹了鈦的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)作為背景。然后詳細收集了鈦基復(fù)合材料的顯微組織特征和力學(xué)性能，并根據(jù)不同的制造工藝進行了討論。重慶大學(xué)潘復(fù)生院士團隊聯(lián)合廣東省科學(xué)院新材料研究所、西南技術(shù)工程研究院等重點研究了Ti增強鎂合金的組織演變與強化機制和力學(xué)性能之間的關(guān)系。對鈦基復(fù)合材料的研究方向、關(guān)鍵問題和發(fā)展前景進行了展望。

Ti增強MMCs可以通過多種方法成功制備，如攪拌鑄造、粉末冶金、噴霧沉積技術(shù)（DMD）、物理氣相沉積、攪拌摩擦加工和累積滾壓粘合等。描述，眾所周知，影響鈦增強鎂復(fù)合材料的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的因素在不同的鑄造方法下會有所不同。因此，它們也面臨著不同的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向。攪拌鑄造鈦增強鎂復(fù)合材料面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)主要集中在以下四個方面。第一個是鎂基體中鈦含量及其回收率的限制，限制了其進一步提高力學(xué)性能。一方面，應(yīng)通過試驗優(yōu)化攪拌鑄造工藝。非常需要可靠的鑄造參數(shù)。另一方面，應(yīng)從理論上模擬計算攪拌速度、時間和溫度對鈦顆粒在鎂熔體中沉降速度和粘度的影響，以更好地指導(dǎo)鑄造過程的操作。一旦提高了鈦顆粒的回收率和數(shù)量，第二個重要方面就是提高鈦顆粒的均勻性。需要開發(fā)具有高分散效率的新型攪拌裝置。由于 Ti 對 Mg 合金晶粒尺寸的影響仍遠未達成共識，下一個重要的研究領(lǐng)域是揭示 Ti 晶粒細化的機制。最后，由于攪拌鑄造過程中的高溫，容易發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)。因此，如何形成有利于界面強度的界面產(chǎn)物以及如何優(yōu)化界面產(chǎn)物的形貌，是值得系統(tǒng)探索的。

鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956722001621

目前，DMD鈦基復(fù)合材料中使用的基體比較單一，以純Mg為主。然而，純Mg的力學(xué)性能還不夠好，不能滿足使用要求。需要研究如何選擇機械性能更好的基體加入Ti顆粒，如商用AZ系列和AM系列。同時，雖然在Mg和Ti的界面上發(fā)現(xiàn)了一些化學(xué)反應(yīng)，但目前還沒有對其熱力學(xué)形成機理進行詳細的描述。此外，這三種方法(攪拌鑄造、PM和噴霧沉積)制備的mmc的Mg-Ti界面均存在界面反應(yīng)。需要努力區(qū)分它們在Mg-Ti界面上的化學(xué)反應(yīng)的差異，如反應(yīng)強度和反應(yīng)產(chǎn)物的類型，這對調(diào)整微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能起著至關(guān)重要的作用。

與攪拌鑄造相比，通過 PM 制備的 Ti 增強 MMCs 的晶粒尺寸要小得多，并且顆粒分散相對更均勻。然而，通過 PM 制造的 MMC 是機械壓實的，這一特性使得它們的界面強度和顆粒分布尤為關(guān)鍵。在界面優(yōu)化方面，目前的研究還處于試錯階段。未來的重點應(yīng)該放在界面反應(yīng)的設(shè)計上。例如，基于熱力學(xué)和動力學(xué)計算，它可以是預(yù)測反應(yīng)產(chǎn)物和設(shè)計 Ti 和 Mg 基體之間界面相的有效方法。還可以根據(jù)合金成分和反應(yīng)條件模擬出具有更好潤濕性和更高強度的界面相。高含量Ti顆粒的聚集仍是阻礙力學(xué)性能改善的主要障礙之一，是亟待突破的瓶頸。優(yōu)化 PM 參數(shù)和 Ti/陶瓷顆粒的雜化可能是未來獲得更好的 Ti 顆粒分布的潛在方法。

圖1 攪拌鑄造機原理圖

圖2所示(a) Al-12.5Ti中間合金的OM [117] (b) AZ91-0.8Ti的鑄態(tài)組織[118]。

圖3所示(a) 20 vol.% TC4/AZ91復(fù)合材料不同取樣位置及(b-d)上、中、下位置光學(xué)顯微圖[124]

圖4所示，研究了鑄態(tài)和固溶Mg-Gd-Y-Zn合金的平均晶粒尺寸

圖5所示，鑄態(tài)(a) Mg94Zn2.5Y2.5Mn1和(b) Mg93.5Zn2.5Y2.5Mn1Ti0.5的SEM圖像，(c)共晶相和(d)塊狀LPSO相的EDS分析，(e)塊狀LPSO相的TEM顯微圖和選區(qū)電子衍射(SAED)圖，(f)不同Ti含量的Mg94Zn2.5Y2.5Mn1的XRD圖[94]。

圖6所示，(a) Mg-5Al-5RE-0.5Mn (AME505)-TiP復(fù)合材料的光學(xué)組織和SEM圖像，(c) Ti和AM50界面的TEM表征[52,128]。

圖7 PM過程示意圖

圖8 (a) HAADF圖像和(b-f)擠壓AZ31+15在at% Ti復(fù)合材料

圖9 Mg和Ti顆粒研磨(a) 8小時和(b) Mg和Ti顆粒研磨(c) 16小時和(d) 32小時(200轉(zhuǎn)/分)的SEM顯微圖[139]

圖10 (a)純Mg-3%Ti復(fù)合材料，(b)擠壓Mg-3%Ti復(fù)合材料的光學(xué)顯微結(jié)構(gòu)[138]

圖11 (a) 9Ti/AZ31復(fù)合材料中Mg和Ti界面的TEM和(b-d) HRTEM圖

圖12 (a)用于制備復(fù)合材料的噴霧沉積方法示意圖[144]和(b)新加坡國立大學(xué)[25]中使用的DMD裝置示意圖

圖13 (a) Mg+(5.6Ti+2.5Al2O3)復(fù)合材料和(b) Mg+(5.6Ti+2.5Al2O3)BM的SEM顯微圖，(c) Mg+(5.6Ti+2.5Al2O3)復(fù)合材料中納米Al2O3的存在，(d) Mg+(5.6Ti+2.5Al2O3)BM中的納米Al2O3顆粒，(e)接收Ti顆粒，(f)球磨5.6Ti+2.5Al2O3顆粒，(g)粒徑與顆粒量的比值和(f)粒徑與顆粒長徑比的分布圖[149]

圖14 PVD工藝示意圖說明

圖15 Mg-12%Ti等溫處理(a) 300℃32 h， (b) 350℃30 min， (C) 350℃470 h后的透射電子顯微圖(TEM)[161]

圖16 FSP技術(shù)原理圖

圖17 (a-d) 2vol的TEM表征at%Ti/AZ31B MMCs和Ti粒子SAED圖

圖18 累積輥粘接原理圖說明

圖19 三金屬Al/Mg/Ti層合材料的顯微組織(a) 0循環(huán)，(b) 1循環(huán)，(c) 2循環(huán)，(d) 3循環(huán)，(e) 4循環(huán)，(f) 5循環(huán)[177]

圖20 (a)室溫下含Ti鎂合金的抗拉強度和伸長率分布圖 (b)抗拉強度和Ti含量分布圖

制備Ti增強復(fù)合材料的方法有很多，如攪拌鑄造、粉末冶金、噴射沉積技術(shù)(DMD)、物理氣相沉積、攪拌摩擦加工和累積滾壓鍵合等?；谝陨厦枋?，Ti增強Mg復(fù)合材料的力學(xué)性能和組織的影響因素在不同的鑄造方法下是不同的。因此，他們也有不同的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向。

綜上所述，這篇綜述專門針對較少被關(guān)注但非常重要的鈦增強鎂基復(fù)合材料進行綜述，希望能激發(fā)更多的關(guān)注和研究，以實現(xiàn)兼具優(yōu)異強度和延展性的鈦增強鎂基復(fù)合材料。

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