PTP-164颗粒增强镁基复合材料的研究现状.pdf
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1、第 l 4卷第 3期 2 0 0 6年 6月 材料科学与工艺 MATERI ALS S CI ENCE&TECHNOLOGY V0 1 1 4 Nn 6 J u n e,2 0 0 6 颗粒增强镁基复合材料的研究现状 王 彦,王慧远,马宝霞,姜启川 (吉林大学 南岭校 区材料科学 与工程学 院教 育部 汽车材料 重点实验 室,吉林 长春 1 3 0 0 2 5)摘要:综述 了颗粒增 强镁基复合材 料常用 的基体合金,常用 的增 强相及其镁基复合材 料的制备技 术、组织 和性能等,并对颗粒增强镁基复合材料的发展进行了展望 关键 词:镁基 复合材料;颗粒增强体;制备技术;组织;性 能 中图分类号:
2、T B 3 3 l 文献标 识码:A 文章编号:1 0 0 5 0 2 9 9(2 0 0 6)0 3 0 3 2 0 0 6 The p r e s e n t s t a t us o f pa r t i c u l a t e r e i n f o r c e d m a g ne s i u m ma t r i x c o m p o s i t e s WA N G Y a n,WA N G H u i Y u a n,M A B a o X i a,J I A N G Q i C h u a n (K e y L a b o r a t o r y o f A u t o m
3、 o b i l e Ma t e ri a l s o f Mi n i s t ry o f E d u c a t i o n,D e p t o f Ma t e ri a l s C o m p a n y L i m i t e d S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g,J i l i n U n i v e r s i t y,C h a n g c h u n 1 3 0 0 2 5,C h i n a)Ab s t r a c t:Th e s t u d i e s o n p a r t i c u l a t e r e i
4、n f o r c e d ma g n e s i u m ma t r i x c o mp o s i t e s,e s pe c i a l l y o n t h e i r ma t rix,r e i n f o r c e me n t,f a b ric a t i o n t e c h n i q u e,mi c r o s t r uc t u r e a n d me c h a n i c a l p r o p e rty,a r e r e v i e we d At l a s t,t h e r e s e a r c h t r e n d o f t
5、 h e c o mp o s i t e i s a l s o d i s c u s s e d Ke y wo r d s:ma g n e s i um ma t rix c o mp o s i t e;p a rti c u l a t e r e i n f o r c e me n t;f a b ric a t i o n t e c hn i q u e;mi c r o s t r u c t u r e;me c h a n i c a l p r o p e rty 镁基复合材料因其密度小,且 比镁合金具有 更高的比强度、比刚度、耐磨性和耐高温性 能,受 到航空、航
6、 天、汽车、机械及电子等高技术领域的 重视 自2 0世纪 8 O年代至现在,镁基复合材料已 成为金属基复合材料的研究热点之一 、颗粒 增强镁基 复合材料与连续纤维增强、非 连续(短 纤维、晶须等)纤维增强镁基复合材料相 比,具有 力学性能呈各 向同性、制备工艺简单、增强体价格 低廉、易近终成型、易机械加工等特点,是 目前最 有可能实现低成本、规模化商业生产 的镁基 复合 材料 1 常用 的基体镁合金 镁基复合材料要求基体组织细小、均匀,基体合 金使用性能良好 根据镁基复合材料的使用性能,对 收稿 日期:2 0 0 40 21 8 基金项 目:国家 自然科学 基 金资助 项 目(5 0 1 7
7、1 0 2 9,5 0 3 7 1 0 3 0)吉林大学纳米技术基金资助项 目(2 0 0 1 N M O 0 4)作者简介:王彦(1 9 7 2一),男,博士生;姜 启川(1 9 4 9一),男,博士生导师 侧重铸造性能的镁基复合材料可选择不含 Z r 的铸 造镁合金为基体;侧重挤压性能的则一般选用变形 镁合金 这些基体镁合金主要有镁 铝锌 系(A 7 31、A Z 6 1、A Z 9 1)、镁锌锆系、镁锂系、镁锌铜系(Z C 7 1)、镁锰系、镁稀土锆系、镁钍锆系和镁钕银系等 纯镁 的强度较低,不适合作为基体 一般需要添加合金元 素以合金化 主要合金元素有 A 1、M n、Z n、L i、
8、A S、Z r、1 1 1、N i 和稀土元素等 这些合金元素在镁合金中具有 固溶强化、沉淀强化和细晶强化等作用,添加少量 A I、M n、Z n、Z r、B e等可以提高强度;M n可提高耐蚀 性;Z r 可细化晶粒和提高抗热裂倾向;稀土元素除具 有类似 z r 的作用外,还可以改善铸造性能、焊接性 能、耐热性以及消除应力腐蚀倾向;L i 除可在很大程 度上降低复合材料的密度外,还可以大大改善基体 镁合金的塑性 2 常用 的颗粒增 强体 根据镁基复合材料 的使用性能、基体镁合金 的种类和成分来选择所需的颗粒增强体 要求增 强体与基体物理、化学相容性好,应尽量避免增强 维普资讯 http:/
9、第 3期 王彦,等:颗粒增强镁基 复合 材料 的研 究现状 体与基体合金之间的有害界面反应,并使其与基 体润湿性 良好,载荷承受能力强等 采取适当的工 艺措施使颗粒在基体 内分布均匀,减少颗粒间的 团聚,以改善材料受载时内部的应力分布,是保证 复合材料具有 良好性 能的关键之一 制备方法可 分为外加颗粒和原位内生颗粒法两种 外加颗粒 法制备镁基复合材料的优点是工艺简单,但易造 成颗粒表面的污染,基体和颗粒表面润湿困难,导 致界面强度的降低 原位内生法是增强颗粒在金 属基体中通过原位反应形成 的,因而热力学上稳 定,颗粒表面无污染,增强体与基体润湿性 良好,故界面结 合强度 高 原位增强体颗粒细
10、小(通 常 为亚微米至微米级),因而与外加颗粒(通常为几 十个微米)法相比,原位颗粒增强作用更显 著 但 原位反应法的缺点是反应过程往往不彻底,反应 过程中的中间相(亚稳 相)有时会作为有 害相残 留在基体中(如 Mg A I T i C体系中会生成脆 性相 T i A I 3 E 6 3)2 1 碳化物 2 1 1 S i C颗粒 S i C的硬度 高,耐磨性 能好,并具有 抗热 冲 击、抗氧化等性 能 镁没有稳定 的碳 化物,S i C在 镁中热力学上是稳定的,因此,S i C常用作镁基复 合材料 的增强相,并且来源广泛,价格便宜,用其 作为增强颗粒制备镁基复合材料具有工业化生产 前景 S
11、 i C具有 一S i C、BS i C两种 晶体结构,一S i C为密排六方结构,但 仅一S i C有许多变体结 构(即 c 值不同),BS i C为面心立方结构 S i C颗粒增强镁基复合材料是 目前研究最多 的镁基复合材料之一,其制备方式 主要是外加方 式 常用 的制 备 方 法 除搅 拌 铸 造 法(S t i r C a s t-i n g)外,还有挤压铸造法(S q u e e z e C a s t i n g)j、粉末冶金法(P o w d e r Me t a l l u r g y)、喷射沉积 法(O s p r e y P r o c e s s)、复 合 铸 造 法(C
12、 o m p o c a s t-i n g)以及机械合金化法(Me c h a n i c a l A l l o y i n g)其中搅拌铸造法是制备 S i C颗粒增强镁基复合材 料的一种典型工艺,已有几家公 司采用搅拌铸造 法成功 地开 发 出 S i C颗粒 增强镁 基 复合 材料 1 9 8 6年美 国 D o w C h e mi c a l 公司采用搅拌铸造法 制备 出 S i C。A Z 9 1,并制备 出皮带轮等样品零件,其优异的性能引起人们的普遍关注 而挤压铸 造法是 目前制备颗粒增强镁基复合材料最成功的 工艺之一 其 中,预制块 中增强体的分布,预制块 和模具的预热温度
13、,浸渗压力 大小均对复合材料 的微观结构和性能有重要影响 表 1给 出的是采用搅拌 铸造法制备 的铸 态 A Z 9 1和铸态 A Z 9 1+1 0 v o 1 S i C颗粒增强镁基 复合材料 的常温力学性能 从 表 1可以看出,与基体合金相比,复合材料的抗拉强度、延伸率下 降,但弹性模量、屈服强度提高 复合材料抗拉强 度减小是 因为铸态复合材料颗粒 团聚,并带有一 定量 的气孔 在拉应力作用下此处优先形成微裂 纹,从而使强度降低 颗粒增强镁基复合材料的弹 性模量可以用 J H a s h i m|4 提 出的模 型来计算,该 模型为:E E r+E,(V r+1),、一 E +E (V
14、r+1)式中:为杨 氏模量,V为体积分数,下标 c、m和 r 分别代表复合材料、金属基体和增强相 表 1 铸态 A Z 9 1、铸态 S i C Mg复合材料的室温性能 表 2给出的是采用挤 压铸造法制备 的铸态 A Z 9 1和 A Z 9 1+2 0 v o 1 S i C镁基复合材料的力 学性能 J 由表 2可以看 出,小颗粒(1 5 m)增强 的复合材料 的屈服强度和抗 拉强度均 比大颗粒(5 2 1 m)增强 的复合材料要好 这是 因为当体积 分数相同时,增 强相颗粒越小,粒子 间距 就越,、小,根据O r o w a n d 原理 f 7=7。+l,复合材料 、0A 的强度就愈高
15、表 2 挤压铸 造法 制备 的 A Z 9 1、S i C Mg复 合材 料 的 室 温性能 E GP a s MP a UT S MP a 6 E AZ l 42 2 04 OU A Z 9 1+2 0 v o 1 S i C p(1 5 m)7 1 3 3 0 3 9 0 1 3 A Z 9 1+2 0 v o 1 S i C。(5 2 )7 2 2 7 0 3 2 0 1 1 镁对 S i C具有 良好 的润湿性,并且 S i C。M g 复合材料 界面光滑,无界 面反应 采用 铸造 法制备颗粒增强镁基复合材料时,凝 固过程对界 面微观结构有着很大的影 响,进 而影 响到复合材 料的性能
16、 然而到 目前为止,关于颗粒增强镁基复 合材料的凝固过程,尤其是关于形核过程 的研究 较少 1 9 9 6年,L u o 研 究指 出,由于 一Mg与 S i C的错位度很小(约为 4 ),初生(It Mg可以 在 S i C上 形 核,其 生 长 位 向 关 系 为:(1 1 1)(0 0 0 1),并且 由于 S i C的存在限制了晶粒长大,而使复合材料 的晶粒 明显细化 1 9 9 3年,l n e m等 人 在研究 S i C。Z C 6 3时指 出,共晶相 Mg(Z n-C u)可以在具有相 同密排 六方 结构的 S i C表 面 形核 东南大学蔡叶等人 对用复合铸造法制备 维普资讯
17、 http:/ 材料科学与工艺 第【4卷 的 S i C A Z g l 的界 而微观结 构进行研 究时 发现 M g l A l 及 c u z n 栩在界面处 以 S iC颗粒 为村底 形核井向熔体 中长 大的,并且 约有 3 的 S i C颗 粒分布在初 生 d M g 内部 蔡叶等人认 为随着镁 基复合材料 凝固过程 的进行,绝大 多数 的 S i C颗 粒被初生 nMg推 到最 后凝 固 区域,同时 由于 A 1、c u、z 一 等元素在镁 中的固溶度较 低 也被推 到 最后凝 固 区域而 发 生共 晶反 应生成 Mg A I,:和 c u Z n M g A I 与 S i C颗粒
18、 界面为 半共格 界 面,当 S i C颗粒满足形拔衬底 的条件时,M g ,A I 可以 在 S i C表面形核 长大 同时 c u zn 也 可以在 S i C 表面形核长大 只有少量满足能量和结构条件的 S i C颗粒 口 f 以作为初生 d M g相形核衬底,所以,只有少量的 S i C颗粒分布在初 生 一Mg的内部,并且 该生 长位 向关 系为:(0 O O 1)(I 5 4 0)和(1 0 1 0)M J(0 0 0 1)镁不 易形成稳定 的碳化物,所 以碳化物 陶瓷 颗粒在纯 镁中是稳定的 然而,在含有 铝的镁合金(如 AZ 91)中 如果接 触时 间足够 长,则会在这 镁合金中
19、发生反应形成碳化物 如 S i C与 会发 生如下反应:4 AI+3 S iC AI C +3 S i(2)陔反应 生成的 A I C 溶于水,因而 降低镁基 复合材料的耐 蚀-性能 A I C 的形 成 同时伴 随 s i 的析出(与镁 反应生 成 M g S i),这就改 变了基 律 合金的化学成分 尽管 S i C颗 粒增 强镁 基复 合材料 的研 究 很 多 但 多集巾于制 备方法、组 织和性能 关于基 础 理论的研 究较 少 应进一 步开展 对 S i C颗粒增 强 镁基复合材料的凝固理 论研究 2 I 2 B C颗粒 B C为菱 面体站构,高熔点 高硬度,硬度 仅 次于金刚石 与立
20、方氮 化硼,是密度最低 的陶 瓷材 料,热膨胀 系数 棚 当低,价格 也较便 宜 B C颗 粒 增强镁基复台 材料的制备方法有挤压铸造 法、粉 末 冶金 法、压 力 浸 渗 法(P r e s s u r e i n f i l t ra t io n)和只适用 于 M gL i 基体台金的箔冶金 扩 散焊接法(F o i l M e t a ll u r g y)B C颗粒 增强镁 基复合材 料具 有很 大 的应 用 潜 力 据报 道,B C (2 0 v o 1)Mg 复 合 材 料 的 性 能 较S i C (3 0 v o 1)A I 高 文献:l 8 研 究 了 B C Z M 5
21、复合材料 的挤 压铸造 I=艺及其二 次加 性 能,测 试了 B C Z M5的抗 腿强 度、硬度、密度 等性 能 结 果表明:B C Z M5复合材料具有 低密窿、高 强度、高硬度、良好 的成型性能和二次加工 陛能 郝元恺等 人 认为纯镁 与 B C颗粒 不发生 界面反应,M g对 B c颗粒聚集体具有 良好的润 湿性 B a d i n i 等 人 认 为在镁 基复合材料 中 B c 增 强颗 粒是稳 定 的,尽 管在 4 0 5 长时间 的固溶 处理过 程中 B C可能与镁基体 中的 A l 发生界面 反应,但是从动力学角度来 l阱反应速度是很 低的 而金 头男等 人、对(S i C +
22、B C)A Z 9 1微 观结 构 的研 究表 明:S i C 本身并没有 直接参 与界面化 学反 应,而是 B C颗粒 在制 备过 程中发 生氧化,生成玻璃态 的 B O ,液态的 B O、流动到 S iC 的 表面,进 而 与液 态 M g发 生 反 应,生 成 M 和 M g B 因此 在 M g台金基 复台 材料 中,B C没有 S i C稳定 但是,关于 B C颗粒增强镁基复合材料的界面问 题还要进一步研究,制备工艺等也需要一定的改进 2 1 3 F i C颗粒 T i C为面心立方 品格,具 有高熔 点、高硬度及 高温稳定性 好 等优点 T i C与镁 的润 湿性好 于与 铝的润湿
23、性 且不 和镁 发生 界 面反 应。因此,_r i c是作 为馐的增强相的较佳选择 T iC颗粒增强 镁 基复合材料 的制 备方法有搅 拌铸造法、机械 合金化(M A)、中问台金 法 和高温 自蔓延 法(S HS)”等 文献 2 6 制备的 T i C颗粒增 强镁基复 台材 料 中,T iC颗粒 整体分布相 对均匀,但由于 T iC颗 粒足外加的,T i C颗粒表面存 在一定的污染 降低 了基体与 T i C颗粒 的结合强度 文 献采用 中间合 金法 制备了。l i C A Z 9 I 复合材 料,由于 T i C颗粒 星由 A J Ti C体系 S HS反 应生成 的,颗粒 周围 被 A l
24、 包 围,表面 清洁,因此 T iC颗粒 与基体 界面 结 合良好 图 l(a)和(b)分别给 出了 S H S法制备 的 F i CA I 中 间台金 和 T i C A Z 9 1 D复台材料 组 织 可 以看 出,复合材料中 T iC颗粒细小、形状 圆褴,且分布均 匀 从 表 3可 以看 出,T i C AZ 9 l 复合材 料的硬 度、拉 伸强 度、耐 瞎性 与基 体 Z 9 1 相比得到了很 大的提 高,而延伸率下降 陶 I 巾间 金法制备 T i c 颗 粒增 强镁基复台材料(a)S H N浊制 备的 t i c A I I,州 盘(h 1】i C M(I D)材料 文献 6 3
25、o一 3 4】将 灿一 n c或M g A 1 一 I i c体系的预制块加入 到镁 液中,利用在镁熔体 内发 生的 S H S 反应,成功地制备出了 T i C颗粒增强镁基 维普资讯 http:/ 第 3 朝 王彦,等:颗粒增强镁基复合材料 的研究现状 3 2 3 复合 材料 研 究表 明:预 制块 含 量、预热 温 度”、镁液温度:、反应物粒度 和稀 释剂 等工 艺因素对镁熔体 内的 S H S发应有很大影响 在采用 反应物粒度为微米级的 一 一 c体系中,当 含 量为 l 0 卅 或 5 时,在熔体 内很难发生 S HS 反应;当 A J禽量为2 o 州 时,尽管能够发生 S H S反
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