鎂基復(fù)合材料原位制備技術(shù)的研究進(jìn)展

佘昌俊

（鎮(zhèn)江市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212132）

鎂基復(fù)合材料可以保持鎂合金良好性能，同時能有效改善鎂合金的力學(xué)性能、彈性模量和耐磨性能等。與外部顆粒相比，原位合成不僅顆粒細(xì)小、表面潔凈、潤濕性好，而且系統(tǒng)熱力學(xué)穩(wěn)定，無界面反應(yīng)，增強(qiáng)效果更明顯。本文綜述了鎂基復(fù)合材料的原位制備技術(shù)和研究進(jìn)展，闡述了各種制備技術(shù)的特點和問題，并對鎂基復(fù)合材料原位制備技術(shù)的發(fā)展提出了自己的看法。

1 鎂基復(fù)合材料原位制備技術(shù)

原位制備技術(shù)是通過元素之間或元素與化合物之間的化學(xué)反應(yīng)，在金屬基體中原位生成一個或多個硬度高、彈性模量大的陶瓷增強(qiáng)相，從而增強(qiáng)金屬基體。目前常用的鎂基復(fù)合材料制備技術(shù)主要有自蔓延高溫合成、機(jī)械合金化、混合鹽反應(yīng)和自發(fā)滲透、放熱彌散法、接觸反應(yīng)法、氣液反應(yīng)法和低溫反應(yīng)自熔法。

1.1 自蔓延高溫合成法（SHS）

合成方法是混合元素的粉末與金屬粉末在強(qiáng)化階段,按下空白,預(yù)熱和點燃在真空或惰性氣氛,元素之間的放熱化學(xué)反應(yīng)發(fā)生,并導(dǎo)致的持續(xù)反應(yīng)釋放的熱量沒有反應(yīng),直到所有相鄰部分完成。

C F Fang[1]等人利用SHS法結(jié)合藕合場處理制備了TiB2/AZ31復(fù)合材料，其組織細(xì)小，TiB2顆粒分布均勻，抗拉強(qiáng)度和伸長率都較基體提高。

該方法具有反應(yīng)速度快、純度高、工藝簡單、成本低等優(yōu)點。但該方法也存在密度低、密度低、缺陷集中容易等缺點。然而，它可以通過應(yīng)用外場干擾來改善。

1.2 機(jī)械合金化法（MA）

MA法是將粉末置于高能球磨機(jī)中球磨，在真空狀態(tài)或氣體保護(hù)氛圍內(nèi)，粉體反復(fù)受到強(qiáng)烈的沖擊、變形、破碎、冷焊，形成較小尺寸的顆粒，然后通過固結(jié)成型、熱處理和制備復(fù)合材料的一種方法。

Yang Z.R.等[2]將Mg、Ti、Al粉末混合，采用MA法成功制備出分布均勻良好、尺寸為2～5μm的Al3Ti/Mg復(fù)合材料。較純鎂，其硬度和極限壓縮強(qiáng)度提高了約4倍和1.5倍，磨損損失減少了1/8，較AZ31，其硬度和極限壓縮強(qiáng)度提高了約2倍和1.2倍，磨損損失減少了1/4。

MA法可以在常溫或者低溫下合成復(fù)合材料，其顆粒表面潔凈、尺寸細(xì)小、分散均勻，而在后期的熱加工過程中會溶解分解，分散細(xì)小的金屬復(fù)合顆粒，增強(qiáng)基體性能。材料易被氧化和污染是制約著MA法的發(fā)展主要問題。

1.3 混合鹽反應(yīng)法(LSM)

LSM法是將含有增強(qiáng)體組分的鹽類混合后，當(dāng)鎂加入熔體時，加入鹽中的成分在高溫作用下會被鎂還原，在熔體中發(fā)生反應(yīng)，形成補強(qiáng)顆粒，去除多余的副產(chǎn)品。

M.A.Matin[3]等人采用LSM法通過向鎂熔體中加入K2TiF6和KBF4混合鹽，制備了（TiB2+TiB）/Mg復(fù)合材料，研究了該體系反應(yīng)的機(jī)理，并對熱力學(xué)進(jìn)行了計算，提出反應(yīng)方程式。

LSM法的優(yōu)勢在于其工藝簡單，周期短，原料來源廣，用于制鹽，成本低，復(fù)合材料可直接澆注成型，適合大批量生產(chǎn)。但也存在一些缺點，如反應(yīng)過程中逸出氣體量大，制備顆粒體積分?jǐn)?shù)低，液渣清除困難等。

1.4 反應(yīng)自發(fā)滲透法（RSI）

RSI法是將含增強(qiáng)相的組分元素粉末制成壓坯，將鎂熔體置于鎂錠下加熱至高于鎂熔點的溫度，在毛細(xì)管力的作用下，鎂熔體緩慢浸入預(yù)制塊中。發(fā)生原位反應(yīng)，冷卻后即可得到致密的原位復(fù)合材料。

Chen.Liqing[4]等人采用反應(yīng)自發(fā)滲透技術(shù)制備了47.5vol.%TiC/AZ91D復(fù)合材料，室溫下，抗拉強(qiáng)度提高了23.4%，溫度723K，應(yīng)變率0.001s-1時，材料的抗拉強(qiáng)度較基體提高了120%。

RSI方法的特點是制備高體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料容易。但預(yù)制件的制備工藝復(fù)雜，成本較高。

1.5 放熱彌散法（XD）

XD法是將含有增強(qiáng)相粉末的粉末與基體粉末按比例均勻混合，然后將坯料冷卻或熱壓成塊狀。將坯料加熱到高于基體熔點、低于增強(qiáng)相熔點的溫度，使增強(qiáng)相各組分之間發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)，生成增強(qiáng)相。

Zhang Xiuqing[5]等通過此方法制備了大小約0.2～1.0μm，分布均勻的TiC/Mg復(fù)合材料，材料具有較好的阻尼性能。

XD法工藝設(shè)備簡單，成本低。與其他制備方法相比，增強(qiáng)相顆粒尺寸約0.1～10 m，顆粒分布較為均勻。但由于反應(yīng)所需的原料均為粉體，因此粉體的供應(yīng)量有限。此外，工序多、周期長、不能直接鑄造成形也是制約其應(yīng)用的主要原因。

1.6 接觸反應(yīng)法(CR)

CR法是將含增強(qiáng)相組分元素的固態(tài)顆?；蛘叻勰?，預(yù)熱后放入鎂熔體中，熔體的熱量會促使固態(tài)顆?；蛘叻勰┌l(fā)生化學(xué)反應(yīng)原位生成鎂基復(fù)合材料。結(jié)合機(jī)械攪拌或物理外場可以促使增強(qiáng)相在基體中彌散分布，獲得力學(xué)性能較好的復(fù)合材料。

鄧鵬[6]等在脈沖磁場下采用直接反應(yīng)合成法成功制備了Mg2Si/Mg-7Al復(fù)合材料，材料組織細(xì)化，分布均勻，力學(xué)性能得到顯著提高，當(dāng)放電電壓為300V時，抗拉強(qiáng)度和伸長率較未磁場處理的復(fù)合材料提升了37.3%和137.5%。

接觸反應(yīng)法具有成本低、工藝簡單、配筋與基體結(jié)合好、配筋尺寸和配筋量易于控制等優(yōu)點。通過鑄造獲得了各種形狀和尺寸的復(fù)合材料，具有廣泛的應(yīng)用前景。但往往由于化學(xué)反應(yīng)不充分，易造成成分偏析；反應(yīng)過程劇烈難以控制，有污染氣體放出。

1.7 氣液反應(yīng)法(VLS)

VLS法是向鎂熔體中通入含有增強(qiáng)相組分元素的氣體，氣體直接與熔體發(fā)生反應(yīng)，并在基體中擴(kuò)散分布，從而生產(chǎn)增強(qiáng)顆粒。

Changlin Yang等[7]采用VLS法將去除水汽和氧氣的氮氣通入1023K的Mg-9Al熔體中,成功制備了AlN/Mg-Al復(fù)合材料，原位生成的顆粒尺寸達(dá)到了微米級（小于1μm）和納米級，在基體中均勻分布，材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了（200～230）MPa，伸長率達(dá)到了（16～47）%。

VLS法不需要粉末反應(yīng)物，該技術(shù)相對簡單，易于操作。但由于該方法需要特殊的設(shè)備，反應(yīng)過程和補強(qiáng)相的產(chǎn)生難以控制；氣體反應(yīng)不完全，易造成材料內(nèi)部缺陷。

1.8 低溫反應(yīng)自熔法（LRM）

LRM法將經(jīng)過預(yù)氧化的Mg粉與基體其它組分元素粉末冷壓成坯后，加熱至高于Mg-組分元素二元共晶溫度而低于Mg熔點的溫度，借助Mg-組分元素間的反應(yīng)擴(kuò)散使表面的MgO破碎，結(jié)合熱擠壓變形加工制備MgO增強(qiáng)復(fù)合材料。

Xi Yulin[8]等人將經(jīng)過預(yù)氧化的Mg粉與鋁粉混合冷壓，采用LRM法制備了MgO/mg～7al復(fù)合材料。MgO的尺寸達(dá)到亞微米級。增強(qiáng)顆粒與基體的界面結(jié)合良好，分布均勻。

LRM法利用組分元素間的擴(kuò)散制備復(fù)合材料，反應(yīng)過程輕微可控，顆粒與基體界面潔凈、結(jié)合好。但該法生產(chǎn)周期長，不能直接澆注成形。

2 展望與思考

原位反應(yīng)合成的鎂基復(fù)合材料具有優(yōu)越的性能，應(yīng)用潛力巨大。

由于原位合成制備復(fù)合材料的研究時間比較短,其工藝及基礎(chǔ)研究尚不成熟,仍然存在一些需要解決的問題：①探討增強(qiáng)體與基體的匹配種類，選擇合適的的基體與增強(qiáng)體以便獲得更好的綜合性能；②研究增強(qiáng)粒子的形成機(jī)理和作用規(guī)律，改進(jìn)其動力學(xué)和熱力學(xué)系統(tǒng)，控制增強(qiáng)粒子的反應(yīng)速度和大小、形狀和分布；③研究低成本、高效率、短流程的小尺寸顆粒增強(qiáng)原位合成技術(shù)，為鎂基復(fù)合材料的工業(yè)應(yīng)用創(chuàng)造條件。