導(dǎo)讀：本研究提出了一種通過液態(tài)金屬脫合金( LMD )和后續(xù)合金化相結(jié)合的方法制備具有3D雙連續(xù)結(jié)構(gòu)的金屬-金屬間化合物復(fù)合材料的新工藝。首先，采用LMD工藝制備多孔Ti結(jié)構(gòu)，然后將其浸入熔融Mg - 3Al ( wt % )金屬中。由于Al與Ti的熱力學(xué)混溶度高于Mg，隨著浸泡時(shí)間的增加，Al在Ti基體中的濃度增加。這導(dǎo)致Ti基體內(nèi)部發(fā)生順序相變：α-Ti→Ti3Al→TiAl。相變顯著影響復(fù)合材料的硬度和強(qiáng)度，其中Mg - Ti3Al - TiAl復(fù)合材料的硬度最高，約為傳統(tǒng)Mg - Ti復(fù)合材料的2倍。這一創(chuàng)新工藝為開發(fā)各種雙連續(xù)金屬-金屬間化合物復(fù)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(xué)方法選擇性地去除或溶解前驅(qū)合金的特定成分。利用酸溶液進(jìn)行化學(xué)脫合金已被廣泛探索用于制備3D互連多孔材料。在這個(gè)過程中，較低的貴金屬元素由于其電負(fù)性相對于其他合金成分較低而被選擇性電離。這導(dǎo)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(shù)量級上。然而，化學(xué)脫合金僅限于貴金屬元素，由于氧化問題而無法應(yīng)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(tài)金屬去合金化( LMD )。與化學(xué)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(qū)體合金元素和純金屬熔體之間的混合焓，通過LMD過程開發(fā)了各種3D互連的非貴金屬-金屬復(fù)合材料。這些復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的物理性能，包括高強(qiáng)度和良好的延展性，這歸因于它們獨(dú)特的機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)。它們的性能超過了預(yù)期，并優(yōu)于粉末冶金和復(fù)合鑄造等傳統(tǒng)制造方法制備的其他復(fù)合材料。

最近關(guān)于LMD的研究主要集中在LMD過程中的微觀結(jié)構(gòu)表征和相變行為。然而，對于前驅(qū)體合金中元素與金屬熔體之間復(fù)雜的LMD反應(yīng)的研究仍然有限。Joo等最近報(bào)道了( FeCo ) x Ni100 - x前驅(qū)體與Mg - 10Ca ( at % )熔體之間的復(fù)雜脫合金反應(yīng)。Ni和Co均與Mg - Ca熔體互溶，但Ni由于具有負(fù)的混合焓( -4 k J / mol )而先發(fā)生反應(yīng)。Co具有正的混合焓(約為3 k J / mol)，反應(yīng)活性較低，其溶解受相鄰熔體通道中Ni的濃度控制。這一結(jié)果表明，混合焓是LMD過程中決定化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵因素，具有錯(cuò)綜復(fù)雜的相溶關(guān)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(diào)整金屬和復(fù)合材料的組成以實(shí)現(xiàn)特定性能方面起著至關(guān)重要的作用。此外，基于合金設(shè)計(jì)策略，原位復(fù)合材料的開發(fā)涉及直接在基體中合成增強(qiáng)相。因此，有必要對LMD過程中的合金化進(jìn)行突破性研究，以開發(fā)各種先進(jìn)的3D互連材料。

一般來說，增強(qiáng)相的形狀決定了復(fù)合材料的分類為顆粒增強(qiáng)、纖維增強(qiáng)、層合或晶須增強(qiáng)。復(fù)合材料的多相特性為增強(qiáng)基體材料的性能提供了機(jī)會(huì)，但上述孤立的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)并不能克服基體與增強(qiáng)體之間的弱界面問題。金屬間化合物增強(qiáng)鋁基和鎂基復(fù)合材料被歸類為輕質(zhì)金屬間化合物復(fù)合材料，它們具有實(shí)現(xiàn)各種功能的潛力，如熱交換，減振和彈道保護(hù)。然而，大多數(shù)已報(bào)道的輕質(zhì)金屬-金屬間化合物復(fù)合材料已被開發(fā)為層合或顆粒增強(qiáng)，并且它們也存在分層問題。開發(fā)一類新型的輕質(zhì)金屬-金屬間化合物復(fù)合材料將增強(qiáng)其功能性和實(shí)用性，并拓寬其潛在的應(yīng)用。

在本研究中，檀國大學(xué)Soo-Hyun Joo教授團(tuán)隊(duì)提出了繼LMD工藝之后的后續(xù)合金化工藝。首先，利用LMD技術(shù)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(fù)合材料，系統(tǒng)地研究了Al的合金化行為、金屬間化合物的相變以及后續(xù)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(fā)的復(fù)合材料的力學(xué)行為。相關(guān)研究成果以題“Development of 3D bicontinuous metal–intermetallic composites through subsequent alloying process after liquid metal dealloying”發(fā)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(xù)合金化(步驟2 )示意圖及元素間的互溶關(guān)系。 

圖2 .通過LMD制備的( a ) Mg - Ti復(fù)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(fù)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(jié)構(gòu)：( a ) LMD制備的Mg - Ti復(fù)合材料和多孔Ti；( b )后續(xù)合金化10 ~ 7200 s制備的三相( Mg、Ti3Al、Ti Al)復(fù)合材料。dTi表示Ti基體的平均寬度。

圖4 .復(fù)合材料的顯微組織和硬度隨Mg - 3Al熔體中浸泡時(shí)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?jǐn)?shù)，( d )復(fù)合材料中心區(qū)域的維氏硬度。 

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

圖6 . ( a )三維互連三相( Mg-Ti3Al-Ti Al)復(fù)合材料上的壓痕標(biāo)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(fù)合材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線和SEM斷口形貌。Φp，60s和Φp，3600s分別表示60s和3600s復(fù)合材料的塑性應(yīng)變直至斷裂。

本研究提出了一種利用LMD和后續(xù)合金化技術(shù)制造金屬-金屬間復(fù)合材料的新方法。LMD過程產(chǎn)生三維互連的多孔Ti結(jié)構(gòu)，然后將其浸入二元Mg - 3Al熔體中以促進(jìn)Al合金化。熔體中3 wt % Al的夾雜導(dǎo)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(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致連續(xù)的相轉(zhuǎn)變(α-Ti→Ti3Al→TiAl )。令人驚訝的是，浸泡時(shí)間直接影響Ti基體面積分?jǐn)?shù)的增加- -這是LMD過程中的一個(gè)非常規(guī)觀察。值得注意的是，LMD和隨后的合金化過程產(chǎn)生了三相復(fù)合材料( Mg-Ti3Al-Ti Al)，其硬度和壓縮強(qiáng)度分別是使用傳統(tǒng)LMD方法制備的初始Mg - Ti復(fù)合材料的1.8倍和1.3倍。此外，盡管存在脆性相，該復(fù)合材料仍表現(xiàn)出顯著的抗斷裂性能。因此，所提出的后續(xù)合金化工藝可為三維互連結(jié)構(gòu)(如LMDed或3D打印材料)中的額外合金化提供有價(jià)值的指導(dǎo)，從而促進(jìn)具有高體積分?jǐn)?shù)增強(qiáng)體的韌性復(fù)合材料的發(fā)展。