導讀：Mg/Al雙金屬結合了鎂和鋁兩種金屬的優點，在汽車、航空航天、武器、數碼產品等領域具有廣泛的應用前景。復合鑄造具有成本低、冶金組成易實現以及適用于制備復雜雙金屬零件的特點。然而，由于鋁和鎂之間的物理性質差異、金屬表面的氧化膜和界面上的鋁-鎂互金屬化合物（IMCs），使得雙金屬接頭強度較低，這與界面微觀結構和性能密切相關。因此，如何控制雙金屬界面以實現性能提升是該領域的焦點和難點。目前，主要有以下幾種加固的方法。首先，在鋁合金表面施加“鋅酸鹽鍍鋅”和“電解拋光+陽極氧化”技術，去除和破壞氧化膜，改善鋁和鎂之間的潤濕性。其次，通過添加中間層（鋅、鎳和鎳-銅）來減少或消除不良的鋁-鎂IMCs。第三，通過在鋁合金中添加硅元素或者在鎂合金中添加稀土元素，改變界面微觀結構的演化過程，并形成細小的強化相。第四，在充填和固化過程中應用機械振動和超聲波振動，以細化和均勻化界面結構。最后，還可以使用二次軋制、熱改性、熱處理和構建外部三維形態等其他方法來調控界面微觀結構和組成。上述加固方法可以單獨或結合使用，實現雙金屬的加固。最后，展望了Mg/Al雙金屬的未來發展方向，為Mg/Al雙金屬的開發和應用提供了一些新思路。

隨著現代工業的快速發展和對環境保護要求的增加，人們對材料的綜合性能和輕質化提出了更高的要求。鎂合金（Mg合金）和鋁合金（Al合金）是密度最低的兩種輕工程金屬，各具優勢和劣勢。鎂合金具有低密度、良好的吸能性能、較好的電磁屏蔽性能和可加工性，但耐腐蝕和耐磨性較差。鋁合金具有耐磨性、耐腐蝕性和良好的可塑性，但密度高于鎂合金。在許多情況下，單一材料很難同時滿足對高綜合性能和輕質化的日益增長的需求。為了解決這個問題，提出了“鎂/鋁雙金屬”的概念。

鎂/鋁雙金屬是指通過機械或冶金連接將鋁合金和鎂合金連接起來，使不同部位滿足不同的性能要求，能夠實現鋁合金和鎂合金的互補優勢。它不僅能滿足綜合性能的需求，還能實現輕質化，在汽車、航空航天、武器裝備、管道運輸、建筑工程、數字3C等領域具有廣闊的應用前景。

目前，根據制備前材料的狀態，Al/Mg雙金屬的制備方法可以分為固-固復合、固-液復合和液-液復合三種，每種方法都有其優勢、劣勢和適用領域，如表1所列。復合鑄造是利用鑄造技術，即將液態金屬澆注在固態合金上或周圍，或同時澆注兩種液態金屬，實現鋁合金與鎂合金之間的結合，如圖1所示。其優點是制備工藝簡單，易于實現冶金連接且殘余應力小。因此，適用于制備尺寸大、接合面積大且連接界面復雜的復雜零件。

然而，復合鑄造制備鎂/鋁雙金屬的過程中存在一些問題。首先，由于鋁和鎂之間物理性質的差異，界面容易產生應力集中和開裂。其次，雖然很容易實現冶金連接，但界面層主要由Al-Mg IMCs（Al12Mg17、Al3Mg2、Al30Mg23等）組成。這些IMCs屬于脆硬相，對塑性變形的抵抗能力較差，容易在外力作用下發生開裂。第三，對于復合鑄造，固體嵌料表面有難以除去的氧化膜。一方面，這些氧化膜降低了固體嵌料與液態金屬之間的潤濕性。另一方面，氧化膜將與液態金屬反應，在界面處形成氧化夾雜缺陷。

在上述問題的影響下，目前通過復合鑄造制備的鎂/鋁雙金屬的性能不能滿足實際使用的要求，因此需要進一步改進。鎂/鋁雙金屬的性能主要與Al-Mg界面有關。因此，如何調控鎂/鋁雙金屬的界面成為當前研究的重點和熱點。華中科技大學蔣文明教授團隊首先介紹了復合鑄造制備鎂/鋁雙金屬的方法和現有問題。接著，總結了對鎂/鋁雙金屬界面進行調控和強化的研究，并提出了幾種潛在的雙金屬強化方法。相關研究以題“Preparation, interfacial regulation and strengthening of Mg/Al bimetal fabricated by compound casting: A review”發表在期刊Journal of Magnesium and Alloys上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956723002001

圖1. 復合鑄造的示意圖：(a) 固-液復合；(b) 液-液復合。

圖4. Al12Mg17反應層的透射電子顯微鏡結果：(a, b) 兩個不同區域的明場圖像；(c) APD和APB的高分辨透射電子顯微鏡圖像；(d, e) 分別為圖4(a)中單個領域和多重領域的選擇區域電子衍射圖像；(f) 圖4(e)的放大圖。

圖6. 激光噴涂的Al/AZ91D雙金屬復合材料的制備示意圖。

圖7. SEM形貌與鎂元素成分的關系：(a) 羽毛狀結構；(b) 蜂窩狀結構；(c) 輻射狀結構；(d) 柱間結構；(e) 成分和形貌的示意圖。

圖8. 嵌件模鑄造的示意圖。

圖18. 真空覆蓋鑄造的示意圖。

圖24. Al 413/Mg雙金屬的界面顯微組織：(a) 低倍率下的顯微組織；(b) O元素的映射掃描；(c) 和 (d)：高倍率下的顯微組織。

圖34. A390的XPS結果：(a, b) 未處理；(c, d) 經過“鋅化+鍍鋅”處理。

圖39. 不同元素與Al或Mg的形成焓：(a) Al和其他元素；(b) Mg和其他元素；(c) Al和稀土元素；(d) Mg和稀土元素。

圖40. 鍍鋅Al 6060/Z31雙金屬的微觀結構和XRD結果：(a) 未鍍鋅的界面微觀結構和壓痕的SEM圖像；(b) 鍍鋅的界面微觀結構和壓痕的SEM圖像；(c) 未鍍鋅區域的XRD結果；(d) 鍍鋅區域的XRD結果。

Mg/Al雙金屬作為一種具有優異綜合性能并有利于進一步實現輕量化的新材料，其發展歷史較短。因此，該領域的研究仍有待進一步開展，未來的研究方向如下：

(1)金屬表面上的氧化膜對雙金屬的連接性能有很大影響，因為氧化膜的存在會在連接過程中形成松散的氧化物雜質。鋁和鎂的表面很容易產生氧化膜，即使已經去除了也會很快再生成。目前的方法復雜且去除效果有限，因此有必要開發一種操作簡單且具有較強氧化膜去除能力的方法。可能的方法是在金屬表面涂覆一種釬焊助焊劑，在倒注金屬液的作用下，高溫下與氧化膜發生反應，使氧化膜從金屬表面剝離，并隨液態金屬浮到頂部，例如氟鋁酸銫或氟鋁酸鉀。

(2)添加中間層是減少甚至消除脆性Al-Mg IMCs的好方法。在焊接或復合軋制領域，已經使用了許多類型的中間層。然而，在復合鑄造領域，添加中間層的類型和研究仍相對較少。這是因為焊接和復合軋制屬于固-固復合，連接界面形狀簡單，因此可以直接將中間層以固體、液體或粉末形式放置在兩種金屬之間，操作過程簡單且易于實現。而固-液復合需要中間層通過電鍍、化學鍍、等離子噴涂、高速氧燃、磁控濺射、物理氣相沉積、化學氣相沉積等各種工藝事先附著在固體嵌件表面上。這些制備工藝復雜、成本高，常常針對特定材料，并且有些不適用于復雜表面的涂層制備。因此，如果需要開發新的涂層，通常需要根據涂層類型重新探索適當的制備工藝。這些涂層技術的困難導致了復合鑄造領域對涂層方法的研究較少。因此，有必要開發一種適用于復合鑄造的涂層制備方法，需要易于操作、成本低且適用于不同類型的涂層。目前，粉末糊刷或噴霧涂覆可能是較好的解決方案，但在這個領域的研究尚未報告。此外，還需要進一步開發一些新的涂層，如稀土涂層、Ni-Cr復合涂層、Li涂層、Mg-Cu-Y非晶/納米晶復合涂層等。

(3)合金化是改善雙金屬性能的一種簡單有效的方法。目前只研究了Si元素和RE元素對雙金屬的合金化效果，需要進一步研究其他元素（如Li、Er、Sc、Sr等）的合金化效應。此外，還需要確保添加這些合金元素不會損害基體的性能。一些合金元素的添加不僅可以增強界面連接強度，還可以改善基體的性能，這是最佳的合金化元素。

(4)振動場對界面結構的均勻化和細化有良好效果，特別是超聲振動場。然而，目前超聲場直接作用于固體嵌件表面的應用難以操作和控制，對超聲振動參數對雙金屬的影響也沒有系統研究。所有這些都需要在未來進行優化和研究。此外，除了振動場，我們還可以考慮其他外部場，如電磁場和力場，這些都是潛在的未來研究方向。

(5)熱處理也是一種關鍵的強化技術。一方面，熱處理可以調節界面結構，包括界面層的厚度、相分布和組成、晶粒形態和尺寸。另一方面，熱處理還可以改善基體的顯微結構和性能。雙金屬性不僅取決于界面連接強度，還取決于基體的性能。然而，目前的熱處理過程只考慮如何改善界面的顯微結構和性能，而不考慮基體在熱處理中是否受到影響。由于鋁和鎂的物理性質差異很大，導致它們之間的熱處理過程和參數存在顯著差異，因此迫切需要開發一種既能強化界面結構又能保證基體性能的熱處理過程。

(6)目前對Mg/Al雙金屬的鍵合機制還不十分明確。需要更先進的分析方法來研究界面鍵合機制，為后續研究奠定理論基礎。例如，可以利用同步輻射技術直接觀察Mg/Al雙金屬復合過程的動態圖像。可以通過TEM或SEM原位拉伸、剪切、彎曲或壓縮等技術觀察不同載荷下Mg/Al雙金屬的斷裂過程。分子動力學和第一性原理可以模擬雙金屬的界面鍵合過程。

(7)Mg/Al雙金屬的應用示例和范圍仍然有限。有必要開發更多Mg/Al雙金屬的應用場景和具體零部件，如與新能源汽車相關的零部件，包括電機、車架、儀表板等。