鎂基復合材料原位制備技術的研究進展

佘昌俊

（鎮江市產品質量監督檢驗中心，江蘇 鎮江 212132）

鎂基復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小、表面潔凈、潤濕性好，而且系統熱力學穩定，無界面反應，增強效果更明顯。本文綜述了鎂基復合材料的原位制備技術和研究進展，闡述了各種制備技術的特點和問題，并對鎂基復合材料原位制備技術的發展提出了自己的看法。

1 鎂基復合材料原位制備技術

原位制備技術是通過元素之間或元素與化合物之間的化學反應，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相，從而增強金屬基體。目前常用的鎂基復合材料制備技術主要有自蔓延高溫合成、機械合金化、混合鹽反應和自發滲透、放熱彌散法、接觸反應法、氣液反應法和低溫反應自熔法。

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化階段,按下空白,預熱和點燃在真空或惰性氣氛,元素之間的放熱化學反應發生,并導致的持續反應釋放的熱量沒有反應,直到所有相鄰部分完成。

C F Fang[1]等人利用SHS法結合藕合場處理制備了TiB2/AZ31復合材料，其組織細小，TiB2顆粒分布均勻，抗拉強度和伸長率都較基體提高。

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

1.2 機械合金化法（MA）

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

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復合材料。較純鎂，其硬度和極限壓縮強度提高了約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合材料，其顆粒表面潔凈、尺寸細小、分散均勻，而在后期的熱加工過程中會溶解分解，分散細小的金屬復合顆粒，增強基體性能。材料易被氧化和污染是制約著MA法的發展主要問題。

1.3 混合鹽反應法(LSM)

LSM法是將含有增強體組分的鹽類混合后，當鎂加入熔體時，加入鹽中的成分在高溫作用下會被鎂還原，在熔體中發生反應，形成補強顆粒，去除多余的副產品。

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復合材料，研究了該體系反應的機理，并對熱力學進行了計算，提出反應方程式。

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

1.4 反應自發滲透法（RSI）

RSI法是將含增強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，在毛細管力的作用下，鎂熔體緩慢浸入預制塊中。發生原位反應，冷卻后即可得到致密的原位復合材料。

Chen.Liqing[4]等人采用反應自發滲透技術制備了47.5vol.%TiC/AZ91D復合材料，室溫下，抗拉強度提高了23.4%，溫度723K，應變率0.001s-1時，材料的抗拉強度較基體提高了120%。

RSI方法的特點是制備高體積分數的復合材料容易。但預制件的制備工藝復雜，成本較高。

1.5 放熱彌散法（XD）

XD法是將含有增強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、低于增強相熔點的溫度，使增強相各組分之間發生放熱化學反應，生成增強相。

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復合材料，材料具有較好的阻尼性能。

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

1.6 接觸反應法(CR)

CR法是將含增強相組分元素的固態顆粒或者粉末，預熱后放入鎂熔體中，熔體的熱量會促使固態顆粒或者粉末發生化學反應原位生成鎂基復合材料。結合機械攪拌或物理外場可以促使增強相在基體中彌散分布，獲得力學性能較好的復合材料。

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

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

1.7 氣液反應法(VLS)

VLS法是向鎂熔體中通入含有增強相組分元素的氣體，氣體直接與熔體發生反應，并在基體中擴散分布，從而生產增強顆粒。

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復合材料，原位生成的顆粒尺寸達到了微米級（小于1μm）和納米級，在基體中均勻分布，材料的抗拉強度達到了（200～230）MPa，伸長率達到了（16～47）%。

VLS法不需要粉末反應物，該技術相對簡單，易于操作。但由于該方法需要特殊的設備，反應過程和補強相的產生難以控制；氣體反應不完全，易造成材料內部缺陷。

1.8 低溫反應自熔法（LRM）

LRM法將經過預氧化的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-組分元素間的反應擴散使表面的MgO破碎，結合熱擠壓變形加工制備MgO增強復合材料。

Xi Yulin[8]等人將經過預氧化的Mg粉與鋁粉混合冷壓，采用LRM法制備了MgO/mg～7al復合材料。MgO的尺寸達到亞微米級。增強顆粒與基體的界面結合良好，分布均勻。

LRM法利用組分元素間的擴散制備復合材料，反應過程輕微可控，顆粒與基體界面潔凈、結合好。但該法生產周期長，不能直接澆注成形。

2 展望與思考

原位反應合成的鎂基復合材料具有優越的性能，應用潛力巨大。

由于原位合成制備復合材料的研究時間比較短,其工藝及基礎研究尚不成熟,仍然存在一些需要解決的問題：①探討增強體與基體的匹配種類，選擇合適的的基體與增強體以便獲得更好的綜合性能；②研究增強粒子的形成機理和作用規律，改進其動力學和熱力學系統，控制增強粒子的反應速度和大小、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原位合成技術，為鎂基復合材料的工業應用創造條件。