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上海交通大學鎂合金頂刊：攪拌鑄造顆粒增強Mg-Li-Al基復合材料！

2022-11-09 16:59:37 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導論：通過球磨和冷壓預處理一種新型的Mg-10Li-3Al （wt.%， LA103）基復合材料，使得在攪拌澆鑄條件下制備分散良好的材料成為可能。本文詳細分析了不同預處理方法制備的復合材料的顯微組織和力學性能。預處理Al-TiB₂/LA103復合材料中TiB₂顆粒由于熔體中形成了高度可濕性的核殼單元而均勻分布在微觀組織中。與基體合金相比，Al-TiB₂ /LA103復合材料在保持可接受伸長率的同時，表現出有效的強度和彈性模量的提高。復合材料的強化作用主要是由于TiB₂具有較強的晶粒細化效應。該工藝與常規攪拌澆鑄工藝相比，具有較高的比模量（36.1 GPa·cm³·g^-1）和較高的伸長率（8.4%），具有較好的應用價值。

鎂鋰（Mg-Li）合金由于密度低，在航空航天和軍事工業中得到了廣泛的研究和應用。與其他具有六方晶格結構的鎂合金不同，Mg-Li合金（特別是單β相合金）具有良好的塑性，可通過塑性加工來成形。雖然Mg-Li合金具有超輕、比強度高、可塑性強等重要性能，但在實際工程應用中，仍缺乏足夠的抗拉強度和彈性模量。對常規合金元素Al、Zn和稀土元素Y、Er的強化作用進行了充分探討。針對Mg-Li合金強度不足的問題，還報道了固溶處理和熱擠壓后處理方法。

然而，彈性模量的增強不能依賴于一般的金屬強化方法，因為楊氏模量是微結構不敏感的，與化學鍵合的物理性質有關。雖然在合金中合成具有高彈性模量的金屬間化合物或固溶體結構是可能的，但改進是有限的。輕合金普遍存在模量低的問題。目前提高合金彈性模量的方法是通過復合材料將高模量相引入基體中。研究人員通過原位或原位方法制備了SiC（或CNT，金剛石，Al2O3等）增強金屬基復合材料，具有優異的力學性能。由于基體合金的高反應性導致的界面反應難以控制，在Mg-Li合金中很少進行類似的研究。理論上，化學穩定的陶瓷顆粒可以作為鎂鋰基復合材料的理想增強劑。在以往的研究中，用于增強Mg-Li基復合材料強度的增強劑包括Al₂Y，B₄C和Co₂O₃等彈性模量尚未得到充分研究的粒子。

此外，金屬基復合材料的制備方法是至關重要的，它直接影響復合材料的微觀結構（配筋分布）和性能。目前的研究更多地集中在粉末冶金的制備方法和門檻成本較高的滲透方法上，而不是在工業領域可行的攪拌鑄造方法。在制備方法上，雖然粉末冶金制備的材料具有較好的微觀組織可控性，但不可否認的是攪拌鑄造是金屬基復合材料中使用最多的方法，其成本低、工藝簡單、規模大，是不可替代的。然而，不理想的鑄造工藝可能導致嚴重的缺陷，如氣孔、氧化夾雜和界面反應。此外，當顆粒體積分數較高時，由于陶瓷顆粒在熔體中的潤濕性較差，微納米級增強顆粒的比表面能較大，復合材料會發生大規模團聚，從而降低了力學性能。為了改善金屬基復合材料的團聚問題，人們研究了包括PVD、電鍍和化學方法在內的表面處理方法，以及熱擠壓和等通道角擠壓（ECAP）等后處理方法，但這無疑會增加材料制備的復雜性。

考慮到Mg-10Li-3Al的低密度（1.49 g/cm³）和TiB2的高彈性模量（550 GPa），本研究選擇Mg-10Li-3Al基合金與微米TiB2顆粒作為復合體系。Al在合金（LA103）中的加入保證了Mg-Li合金的強度。同時，作為一種典型的單相體心立方（bcc） Mg-Li合金，可以排除其他元素的干擾，更好地研究與TiB2粒子的界面相互作用。將TiB2顆粒以冷壓預制塊的形式添加到攪拌熔體中，由復合粉末（將TiB₂顆粒與Mg顆粒或Al顆粒混合，然后進行球磨）組成。提高了8 wt.% TiB₂/LA103基復合材料的強度和彈性模量，研究了復合材料的力學性能和微觀結構，所研制的材料具有比模量和塑性性能的平衡。

上海交通大學劉文才教授等人將相關研究成果以題為“Strength and elastic modulus enhancement in Mg-Li-Al matrix composites reinforced by ex situ TiB2 particles via stir casting”發表在期刊Journal of Magnesium and Alloys上。

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

圖 1

TiB2 /LA103復合材料的制備工藝示意圖

Mg和Al顆粒的尺寸均勻性基本一致，而TiB₂顆粒呈不規則塊狀，TiB₂顆粒尺寸不均勻，但均小于10 μm。這些TiB₂顆粒是用高溫自傳播法合成的，是目前工業上使用最多的顆粒尺寸。物理氣相沉積（PVD）制備的納米級TiB₂顆粒對復合材料的塑性影響較小，但成本過高，難以適應工業復合材料坯料的生產。不僅如此，利用納米顆粒進行復合材料制備，由于納米尺度帶來的高表面能，也不可避免地會遇到與微米顆粒相比嚴重的團聚問題，特別是在液相法制備過程中難以控制。