導讀：本研究提出了一種通過液態金屬脫合金( LMD )和后續合金化相結合的方法制備具有3D雙連續結構的金屬-金屬間化合物復合材料的新工藝。首先，采用LMD工藝制備多孔Ti結構，然后將其浸入熔融Mg - 3Al ( wt % )金屬中。由于Al與Ti的熱力學混溶度高于Mg，隨著浸泡時間的增加，Al在Ti基體中的濃度增加。這導致Ti基體內部發生順序相變：α-Ti→Ti3Al→TiAl。相變顯著影響復合材料的硬度和強度，其中Mg - Ti3Al - TiAl復合材料的硬度最高，約為傳統Mg - Ti復合材料的2倍。這一創新工藝為開發各種雙連續金屬-金屬間化合物復合材料提供了可能。

去合金化，或選擇性浸出，是一種廣泛研究的過程，其中使用化學方法選擇性地去除或溶解前驅合金的特定成分。利用酸溶液進行化學脫合金已被廣泛探索用于制備3D互連多孔材料。在這個過程中，較低的貴金屬元素由于其電負性相對于其他合金成分較低而被選擇性電離。這導致了納米多孔貴金屬材料的形成，其韌帶尺寸在幾十納米的數量級上。然而，化學脫合金僅限于貴金屬元素，由于氧化問題而無法應用于非貴金屬元素。2011年，Wada等人提出了一種新的去合金化工藝，稱為液態金屬去合金化( LMD )。與化學脫合金不同，LMD利用金屬熔體而不是水溶液來防止非貴金屬元素的氧化。通過考慮前驅體合金元素和純金屬熔體之間的混合焓，通過LMD過程開發了各種3D互連的非貴金屬-金屬復合材料。這些復合材料表現出優異的物理性能，包括高強度和良好的延展性，這歸因于它們獨特的機械互鎖結構。它們的性能超過了預期，并優于粉末冶金和復合鑄造等傳統制造方法制備的其他復合材料。

最近關于LMD的研究主要集中在LMD過程中的微觀結構表征和相變行為。然而，對于前驅體合金中元素與金屬熔體之間復雜的LMD反應的研究仍然有限。Joo等最近報道了( FeCo ) x Ni100 - x前驅體與Mg - 10Ca ( at % )熔體之間的復雜脫合金反應。Ni和Co均與Mg - Ca熔體互溶，但Ni由于具有負的混合焓( -4 k J / mol )而先發生反應。Co具有正的混合焓(約為3 k J / mol)，反應活性較低，其溶解受相鄰熔體通道中Ni的濃度控制。這一結果表明，混合焓是LMD過程中決定化學反應的關鍵因素，具有錯綜復雜的相溶關系。然而，與韌帶和熔體均互溶的合金元素在熔體中的影響尚未得到廣泛研究。合金化在調整金屬和復合材料的組成以實現特定性能方面起著至關重要的作用。此外，基于合金設計策略，原位復合材料的開發涉及直接在基體中合成增強相。因此，有必要對LMD過程中的合金化進行突破性研究，以開發各種先進的3D互連材料。

一般來說，增強相的形狀決定了復合材料的分類為顆粒增強、纖維增強、層合或晶須增強。復合材料的多相特性為增強基體材料的性能提供了機會，但上述孤立的增強結構并不能克服基體與增強體之間的弱界面問題。金屬間化合物增強鋁基和鎂基復合材料被歸類為輕質金屬間化合物復合材料，它們具有實現各種功能的潛力，如熱交換，減振和彈道保護。然而，大多數已報道的輕質金屬-金屬間化合物復合材料已被開發為層合或顆粒增強，并且它們也存在分層問題。開發一類新型的輕質金屬-金屬間化合物復合材料將增強其功能性和實用性，并拓寬其潛在的應用。

在本研究中，檀國大學Soo-Hyun Joo教授團隊提出了繼LMD工藝之后的后續合金化工藝。首先，利用LMD技術合成了開孔多孔Ti，然后將其浸入二元Mg - 3Al ( wt % )熔體中制備了三維連通復合材料，系統地研究了Al的合金化行為、金屬間化合物的相變以及后續合金化過程中的組織演變。此外，本研究使用維氏硬度和壓縮測試來測量所開發的復合材料的力學行為。相關研究成果以題“Development of 3D bicontinuous metal–intermetallic composites through subsequent alloying process after liquid metal dealloying”發表在Journal of Magnesium and Alloys上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956723002347

圖1 . LMD組合工藝(步驟1 )和后續合金化(步驟2 )示意圖及元素間的互溶關系。 

圖2 .通過LMD制備的( a ) Mg - Ti復合材料和多孔Ti的X射線衍射圖譜和隨后合金化10 - 7200 s制備的( b )復合材料的X射線衍射圖譜。 

圖3 .在FE - SEM和EDX元素圖中觀察到3D互連結構：( a ) LMD制備的Mg - Ti復合材料和多孔Ti；( b )后續合金化10 ~ 7200 s制備的三相( Mg、Ti3Al、Ti Al)復合材料。dTi表示Ti基體的平均寬度。

圖4 .復合材料的顯微組織和硬度隨Mg - 3Al熔體中浸泡時間的變化：( a ) Ti和Mg基體中的Al濃度，( b ) Ti和Mg基體的寬度，( c ) Mg基體的面積分數，( d )復合材料中心區域的維氏硬度。 

圖5 .通過幾種基于LMD的方法制備Mg - Ti ( Al )復合材料及其表面和中心區域的SEM照片：( a )使用Mg - 3Al熔體的典型一步LMD制備的復合材料；( b )使用純Mg和Mg - 3Al熔體的連續兩步LMD制備的復合材料；( c ) LMD后的后續合金化過程制備的復合材料(提出的方法)。

圖6 . ( a )三維互連三相( Mg-Ti3Al-Ti Al)復合材料上的壓痕標記和( b )壓痕拐角處的高倍SEM圖像。 

圖7 .隨后合金化60 s和3600 s制備的復合材料的壓縮應力-應變曲線和SEM斷口形貌。Φp，60s和Φp，3600s分別表示60s和3600s復合材料的塑性應變直至斷裂。

本研究提出了一種利用LMD和后續合金化技術制造金屬-金屬間復合材料的新方法。LMD過程產生三維互連的多孔Ti結構，然后將其浸入二元Mg - 3Al熔體中以促進Al合金化。熔體中3 wt % Al的夾雜導致快速滲入和均勻合金化過程。Al原子選擇性地與Ti基體發生反應，導致連續的相轉變(α-Ti→Ti3Al→TiAl )。令人驚訝的是，浸泡時間直接影響Ti基體面積分數的增加- -這是LMD過程中的一個非常規觀察。值得注意的是，LMD和隨后的合金化過程產生了三相復合材料( Mg-Ti3Al-Ti Al)，其硬度和壓縮強度分別是使用傳統LMD方法制備的初始Mg - Ti復合材料的1.8倍和1.3倍。此外，盡管存在脆性相，該復合材料仍表現出顯著的抗斷裂性能。因此，所提出的后續合金化工藝可為三維互連結構(如LMDed或3D打印材料)中的額外合金化提供有價值的指導，從而促進具有高體積分數增強體的韌性復合材料的發展。