镁基复合材料制备技术、性能及应用发展概况

镁基复合材料制备技术、性能及应用发展概况

摘要：镁基复合材料因其轻量化和高性能而成为当今高新技术领域中最富竞争力和最有希望采用的复合材料之一。大致笔述了常用镁基复合材料研究概况、制备技术、性能及应用前景。

关键词：镁基复合材料制备技术性能应用

Fabrication，Properties and Application of M agnesium—matrix CompositesDONG Qun CHEN Liqing ZHAO Mingjiu BI Jing(Institute of Metal Research，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China)Abstract Magnesium—matrix composites with lightweight and high performance are becoming one of themost competitive and promising candidates in the applications of high—tech fields．An overview is made on the fabri—ating techniques，mechanical properties and applications for the typical magnesium—matrix composites，and theresearch trend is proposedKey words magnesium matrix composite，fabrication，properties，application.

0引言：

镁基复合材料是继铝基复合材料之后又一具有竞争力的轻金属基复合材料【E1】，主要特点是密度低、比强度和比刚度高，同时还具有良好的耐磨性、耐高温性、耐冲击性、优良的减震性能及良好的尺寸稳定性和铸造性能等；此外，还具有电磁屏蔽和储氢特性等，是一类优秀的结构与功能材料，也是当今高新技术领域中最有希望采用的复合材料之一；在航空航天、军工产品制造、汽车以及电子封装等领域中具有巨大的应用前景。构成镁基复合材料的基体合金主要分为铸造、变形和超轻等系列。铸造系包括Mg—AI、Mg—Zn、Mg—AI—Zn、Mg—Zn—Zr、Mg—Zn—Zr—RE等，侧重于制备铸造镁基复合材料；变形系包括Mg—Mn、Mg —AI—Zn、Mg—Zn—Zr、Mg—RE等，偏重于挤压性能的复合材料应用；Mg—Li系是目前最轻质的合金系，具有较强的抗高能粒子穿透能力，以及能显著降低构件重量、节约能量和满足某些高性能的要求。增强体可以分为颗粒、晶须、纤维等几种，增强体的选择要从复合材料应用情况、制备方法以及增强体的成本等诸多方面综合考虑。其中，界面相容性和界面间存在的可能反应类型是镁基复合材料制备过程中首先要考虑的问题。本文将从镁基复合材料中界面反应类型与润湿性、制备技术、组织性能和应用等几个方面对镁基复合材料发展概况进行介绍，并对其今后发展前景进行展望。

1》镁基复合材料中界面反应与润湿性

镁基复合材料中可能存在的界面反应类型主要与基体种类和增强相类型以及所采用的制备方法有关。尤其是在镁中加入Al或镁合金本身含Al元素时，界面间存在的反应情况变得异常复杂。如表1所列，镁基体中Al主要与增强体中的氧化物和碳起化学反应，生成一些不利于材料性能的界面相，但有时这些界面相也能起到改善润湿性的作用。

有研究认为【2】，SiC ／Mg间存在界面反应可使固液界面能降低；Mg在700℃时表面力较小，约为的1／2，这将促使SiC 在Mg基体中均匀分布；也有报道称TiC 在纯Mg中比在纯铝中分布更为均匀【3】。有关B4C与Mg间的物理润湿性和界面化学相容性的研究结果表明【4，5】，Mg对B4C具有良好的润湿性，是一种较好的增强相。SiC和TiC等碳化物常被用作镁基复合材料的增强体，主要是由于Mg不易形成稳定的碳化物以及这些碳化物具有较高的强度及化学稳定性。如果Mg合金中含有Al元素，与碳化物接触时间长时，则会在这些镁合金中起反应形成A14C3，在界面处进一步形成MgA1204尖晶石，从而改变合金的化学成分，影响复合材料腐蚀性能。此外，界面反应物存在使复合材料在铸造过程中流动性降低【6】。

石墨纤维增强镁基复合材料(Gr~／Mg)具有低密度、高比强度和比刚度等优良的力学性能，并可按照不同纤维含量设计出热膨胀系数在较宽温度围保持为零的材料。早在1972年，就有人采用热压工艺制备了Gr~／Mg复合材料。熔融镁不能直接浸润无涂层的石墨纤维，经采用等离子喷涂或物理气相沉积钛及化学镀镍等预先涂覆石墨纤维，均证明与熔融镁问有良好的润湿性。由于钛的密度较低、熔点较高以及与镁不会形成脆性金属间化合物，故可以采用物理气相沉积。由于Gr~／Mg复合材料存在制备工艺复杂等缺点而使人们更多地倾向于不连续增强镁基复合材料的研究。

表1 镁基复合材料常用增强体及部分界面反应

2》镁基复合材料的制备技术

镁基复合材料制备方法主要分为粉末冶金法、铸造法、熔体浸渗法、喷射法、薄膜

冶金法以及原位合成技术等。但在选择具体制备工艺时应考虑增强体与基体的性能，不同

制备工艺所获得的复合材料性能也不尽相同，有时差异很大。

2．1 .粉末冶金法(PM法)

PM工艺是较早用来制备镁基复合材料的【7】。其特点是：对基体合金种类和增强体类型以及体积含量没有严格限制，通过粉末混合工艺可以使瓷颗粒在基体中达到分布均匀。但此工艺设备复杂、成本偏高，不易制备形状复杂的零件；对于极细的颗粒增强体以及晶须等，还要利用特殊的分散技术以达到均匀混合的目的；粉末冶金热压态复合材料一般都需要经过挤压、轧制或锻造等二次成型后才能使用。该法在制备A1基复合材料中得到了成功应用，尽管镁的化学活泼性高，但通过适当的气氛保护后PM 法同样适用于镁基复合材料的制备。其

中，混粉、压实、烧结3个步骤对复合材料的微观组织和性能有很大影响。利用PM 工艺，结合低能机械合金化等特殊的粉末混合技术 ]，针对不同的镁合金体系以及各种瓷增强体，已有众多的研究报道。著名的DWA公司、ACM 公司等也采用了PM 工艺，经过二次加工成型后，获得了性能良好的管材、板材以及棒材等。

PM 法是一种通用的复合材料制备方法，只是成本稍高，过程繁琐；若与其他的工艺相结合，适当控制过程的关键参数，复合材料可以获得理想的性能。对于制作形状复杂的零件，仍需要机加工成形。另外，此工艺需要生产和使用对人体非常有害的超细镁合金粉末，故在生产中还应考虑必要的安全措施，而下述的铸造工艺则不存在这些缺点。

2．2 .铸造法(Casting Route)

搅拌铸造是制备颗粒增强金属基复合材料的一种典型工艺，通常分为3类：

①全液态搅拌铸造工艺；

②半固态搅拌铸造工艺；前2类工艺属搅拌铸造法。

③搅熔铸造工艺(流变铸造法)。

在氩气或COz／SF 气氛下进行镁合金熔炼，然后将SiC，加入镁熔体中，进行机械搅拌，使颗粒均匀分散于熔融镁合金中，美国Dow化学公司成功制备了颗粒增强镁基复合材料，并取得了该方法的专利。英国镁电子公司也开发了一种搅拌工艺，它克服了颗粒沉降、聚集及搅拌吸气等问题，能控制界面反应和凝固过程。从而控制颗粒在复合材料中的分布；随后经热挤压，制备出了性能优良的镁基复合材料；加拿大镁技术研究所也采用搅拌铸造法开发了一种制备Si ／Mg复合材料的工艺。搅熔铸造法是靠桨叶旋转产生的机械搅拌作用使半固态基体合金熔体形成的涡流来强制引入增强颗粒，在增强颗粒与先凝固的金属晶粒混合均匀后再升温浇铸，凝固后得到镁基复合材料的方法。而上述的搅拌铸造法是在液态下搅拌，搅拌后产生的负压使复合材料很容易吸气而形成气孔，另外增强颗粒与基体合金的密度不同易造成颗粒沉积和微细颗粒的团聚等现象。半固态成型可以减少宏观偏析，降低凝固收缩和成型温度，且瓷颗粒在基体分布均匀。由于该工艺在很大程度上降低了镁在高温下的氧化烧损，且该工艺设备简单、成本低，最有希望应用于大规模的工业生产。

AMAX公司开发了一种可大批量生产汽车用低成本镁基复合材料零件的半固态金属成形(SSM)工艺，这是将铸造和锻压2种工艺结合在一起的方法。其流程为：首先将增强体搅拌进熔融镁合金，然后在电磁搅拌条件下急冷铸造，最后重新加热到半固态，制备近终成形零件。其优点是：自动化程度高，将材料制备和成形结合起来并且可以做到精确成形。显然，该工