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重慶大學潘復生院士團隊頂刊綜述：鈦增強鎂基復合材料的微觀組織與力學性能！

2022-08-02 14:26:15 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導論：目前，鎂基復合材料(mmc)憑借其在室溫和高溫下的高力學性能，取得了許多可喜的進展。雖然復合材料中常用的增強材料是陶瓷顆粒，但它們通常通過顯著降低延性來提高屈服和極限應力。硬金屬相，特別是鈦(Ti)被引入作為制造復合材料的備選相。它熔點高，楊氏模量高，塑性好，與Mg基體的相互溶解度低，熱膨脹系數比陶瓷顆粒更接近Mg金屬。在鎂合金基體中提供高的極限應力和延性是非常可取的。然而，鈦基復合材料的制備還面臨著許多關鍵的挑戰，如Ti的均勻性、較低的回收率、Mg與Ti之間界面結合強度的優化等。同時，不同的制備方法對鈦基復合材料的顯微組織、力學性能和界面強度有不同的影響。因此，本文著重研究了不同工藝制備ti增強復合材料的顯微組織特征和力學性能。對影響強化機理的因素進行了系統的比較和討論。對鈦基復合材料今后的研究方向、關鍵問題和發展前景進行了展望。

鎂(Mg)合金作為最輕的金屬結構材料，在汽車運輸、航空航天、電子產品等領域有著良好的應用前景，隨著人們對節能減排的日益關注，鎂(Mg)合金得到了迅速的發展。然而，由于鎂合金的性能有限，如相對較低的延展性、較低的彈性模量、較差的蠕變和耐腐蝕性能等，嚴重限制了鎂合金的廣泛應用。為了解決這些問題，我們利用合金元素或增強體的引入來改善鎂合金的力學性能。特別是對鎂基復合材料的制備進行了大量的研究。

在之前的研究中已經達成共識，通過不同的制備方法，通過加入增強材料可以顯著提高復合材料在室溫和高溫下的力學性能。陶瓷顆粒、纖維、晶須等多種增強材料已成功地應用于復合材料中。其中常用的增強體有SiC、Al2O3、AlN、TiB2、Y2O3等。然而，由于Mg基體和增強體之間的顯著剛度差異，它們往往以犧牲延性為代價來提高屈服和極限應力。為了達到高強度和高延展性的平衡，引入了硬質金屬顆粒，如鎳(Ni)、銅(Cu)、鉬(Mo)和鈦(Ti)等來增強Mg基體。它們通常具有較高的熔點、較高的楊氏模量、較高的塑性，與基體的相互溶解度較低，與Mg金屬的熱膨脹系數比陶瓷顆粒更接近。值得注意的是，在硬金屬元素中，Cu和Ni傾向于與Mg形成金屬間化合物，如Mg2Cu和Mg2Ni，這阻止了它們作為硬金屬顆粒來強化Mg基體。Mo與Mg基質沒有界面反應，但其與Mg的潤濕性和晶粒細化作用尚未得到廣泛報道。Ti與Mg呈潛在的相干晶格關系。它在鎂合金中具有被忽視的最終固溶性，并且比陶瓷顆粒具有更強的變形能力，是制備金屬增強復合材料的理想選擇。

迄今為止，人們一直致力于在鎂合金中引入金屬鈦以獲得高強度和延展性。Ti增強復合材料的力學性能受多種因素的影響，包括晶粒尺寸、金屬間相、Ti的均勻性、Ti與Mg界面結合強度等，但在不同的制備方法下，某些因素可能起主導作用。因此，本文首先介紹了鈦的優勢和挑戰作為背景。然后詳細收集了鈦基復合材料的顯微組織特征和力學性能，并根據不同的制造工藝進行了討論。重慶大學潘復生院士團隊聯合廣東省科學院新材料研究所、西南技術工程研究院等重點研究了Ti增強鎂合金的組織演變與強化機制和力學性能之間的關系。對鈦基復合材料的研究方向、關鍵問題和發展前景進行了展望。

Ti增強MMCs可以通過多種方法成功制備，如攪拌鑄造、粉末冶金、噴霧沉積技術（DMD）、物理氣相沉積、攪拌摩擦加工和累積滾壓粘合等。描述，眾所周知，影響鈦增強鎂復合材料的力學性能和微觀結構的因素在不同的鑄造方法下會有所不同。因此，它們也面臨著不同的挑戰和未來的發展方向。攪拌鑄造鈦增強鎂復合材料面臨的關鍵挑戰主要集中在以下四個方面。第一個是鎂基體中鈦含量及其回收率的限制，限制了其進一步提高力學性能。一方面，應通過試驗優化攪拌鑄造工藝。非常需要可靠的鑄造參數。另一方面，應從理論上模擬計算攪拌速度、時間和溫度對鈦顆粒在鎂熔體中沉降速度和粘度的影響，以更好地指導鑄造過程的操作。一旦提高了鈦顆粒的回收率和數量，第二個重要方面就是提高鈦顆粒的均勻性。需要開發具有高分散效率的新型攪拌裝置。由于 Ti 對 Mg 合金晶粒尺寸的影響仍遠未達成共識，下一個重要的研究領域是揭示 Ti 晶粒細化的機制。最后，由于攪拌鑄造過程中的高溫，容易發生嚴重的界面反應。因此，如何形成有利于界面強度的界面產物以及如何優化界面產物的形貌，是值得系統探索的。

鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956722001621

目前，DMD鈦基復合材料中使用的基體比較單一，以純Mg為主。然而，純Mg的力學性能還不夠好，不能滿足使用要求。需要研究如何選擇機械性能更好的基體加入Ti顆粒，如商用AZ系列和AM系列。同時，雖然在Mg和Ti的界面上發現了一些化學反應，但目前還沒有對其熱力學形成機理進行詳細的描述。此外，這三種方法(攪拌鑄造、PM和噴霧沉積)制備的mmc的Mg-Ti界面均存在界面反應。需要努力區分它們在Mg-Ti界面上的化學反應的差異，如反應強度和反應產物的類型，這對調整微結構和力學性能起著至關重要的作用。

與攪拌鑄造相比，通過 PM 制備的 Ti 增強 MMCs 的晶粒尺寸要小得多，并且顆粒分散相對更均勻。然而，通過 PM 制造的 MMC 是機械壓實的，這一特性使得它們的界面強度和顆粒分布尤為關鍵。在界面優化方面，目前的研究還處于試錯階段。未來的重點應該放在界面反應的設計上。例如，基于熱力學和動力學計算，它可以是預測反應產物和設計 Ti 和 Mg 基體之間界面相的有效方法。還可以根據合金成分和反應條件模擬出具有更好潤濕性和更高強度的界面相。高含量Ti顆粒的聚集仍是阻礙力學性能改善的主要障礙之一，是亟待突破的瓶頸。優化 PM 參數和 Ti/陶瓷顆粒的雜化可能是未來獲得更好的 Ti 顆粒分布的潛在方法。

圖1 攪拌鑄造機原理圖

圖2所示(a) Al-12.5Ti中間合金的OM [117] (b) AZ91-0.8Ti的鑄態組織[118]。

圖3所示(a) 20 vol.% TC4/AZ91復合材料不同取樣位置及(b-d)上、中、下位置光學顯微圖[124]

圖4所示，研究了鑄態和固溶Mg-Gd-Y-Zn合金的平均晶粒尺寸

圖5所示，鑄態(a) Mg94Zn2.5Y2.5Mn1和(b) Mg93.5Zn2.5Y2.5Mn1Ti0.5的SEM圖像，(c)共晶相和(d)塊狀LPSO相的EDS分析，(e)塊狀LPSO相的TEM顯微圖和選區電子衍射(SAED)圖，(f)不同Ti含量的Mg94Zn2.5Y2.5Mn1的XRD圖[94]。

圖6所示，(a) Mg-5Al-5RE-0.5Mn (AME505)-TiP復合材料的光學組織和SEM圖像，(c) Ti和AM50界面的TEM表征[52,128]。

圖7 PM過程示意圖

圖8 (a) HAADF圖像和(b-f)擠壓AZ31+15在at% Ti復合材料

圖9 Mg和Ti顆粒研磨(a) 8小時和(b) Mg和Ti顆粒研磨(c) 16小時和(d) 32小時(200轉/分)的SEM顯微圖[139]

圖10 (a)純Mg-3%Ti復合材料，(b)擠壓Mg-3%Ti復合材料的光學顯微結構[138]

圖11 (a) 9Ti/AZ31復合材料中Mg和Ti界面的TEM和(b-d) HRTEM圖

圖12 (a)用于制備復合材料的噴霧沉積方法示意圖[144]和(b)新加坡國立大學[25]中使用的DMD裝置示意圖

圖13 (a) Mg+(5.6Ti+2.5Al2O3)復合材料和(b) Mg+(5.6Ti+2.5Al2O3)BM的SEM顯微圖，(c) Mg+(5.6Ti+2.5Al2O3)復合材料中納米Al2O3的存在，(d) Mg+(5.6Ti+2.5Al2O3)BM中的納米Al2O3顆粒，(e)接收Ti顆粒，(f)球磨5.6Ti+2.5Al2O3顆粒，(g)粒徑與顆粒量的比值和(f)粒徑與顆粒長徑比的分布圖[149]