粉末冶金法
• 粉末冶金法是把均匀混合的陶瓷颗粒或者增强纤维与微细 纯净的镁合金粉末进行机械混合,排列以后,在模中压制, 然后加热至合金两相区进行烧结,使增强物与镁基体聚集 成一体形成镁基复合材料的方法。 • 粉末冶金法制备镁基复合材料的优点主要在于制备过程 中基体纯镁或者镁合金不必经过全熔的高温状态,因而能 避免铸造法带来的诸如镁合金强烈氧化,基体与增强物界 面处发生过量反应等问题,且增强体颗粒在基体内分布均 匀,从而赋予镁基复合材料更高的综合性能。而且粉末冶 金法对增强体类型没有限制,可以任意改变增强物与基体 的配比,制得高体积分数增强相的镁基复合材料。缺点是 粉末冶金工艺设备复杂,成本较高,不易制备形状复杂的零 件,而且在生产过程中存在粉末燃烧、爆炸等危险,不易大 规模工业化生产。适宜在实验室中使用。
重熔稀释法
• 重熔稀释法（Remelting and Dilution，简称 RD）作为 一种原位生成技术，已经在镁基复合材料的制备中使用
• 反复塑性变形法
• 反复塑性变形（Repeated Plastic Working，简称RPW） 是 Kondoh 等人提出的一种非平衡加工技术。在材料制备 过程中，将增强相颗粒与基体材料混合均匀后，用不同的 压头交替进行压缩与挤压，经多次塑性变形后，坯体通过 固相反应可以制备原位反应生成的强化相微粒子增强的高 性能复合材料。压缩过程中，由于粒子的相对流动而互相 混合、均匀分散；挤压过程中，基体与添加粒子受剪切力 作用被细化。反复进行压缩与挤压，便可达到了晶粒细化 与均匀分散的双重效果。
以镁合金为基体的复合材料 国家重点研究院校
上海交通大学 材料科学与工程学院 轻合金精密成型国家工程研究中心 金属基复合材料国家重点实验 使上海交大走在金属基复合材料研究 的前列
存在的问题
• 镁基复合材料的复合机理、界面强化机理等基础 研究还不够充分；复合材料的制备工艺还有待于 改进和完善。 • 增强相和基体的性能还需进一步提高，目前常用 的基体合金都存在着某些不足，比如AZ91D 合金 虽然抗拉强度、压铸性能及抗腐蚀性能不错，但 抗蠕变性能不够理想。AS41B 合金抗蠕变性能不 错，但强度、硬度不尽如人意。所以发展新型的 具有优良性能的基体合金对复合材料的发展有重 要意义。镁材料的腐蚀现象严重，电化学腐蚀及 应力腐蚀现象尤为突出，杂质元素、晶粒细化和 热处理等对其腐蚀影响规律的研究报道还不够。
以镁合金为基体复合材料的优点
• 镁基复合材料是继铝基复合材料之后的又一具有 竞争力的轻金属基复合材料, 在某些方面其性能 甚至超过了铝基复合材料。 • 1.低密度（＜1．8X103kg／m3，仅为铝或铝基复 合材料的2/3 左右） • 2.高比强度和比模量 • 3.良好的耐磨性、耐高温性、耐冲击性、优良的 减震性能 • 4.良好的尺寸稳定性和铸造性能 • 5.具有电磁屏蔽和储氢特性等, 是一类优秀的结 构与功能材料, 也是当今高新技术领域中最有希 望采用的复合材料之一
• (6)镁基复合材料回收和再利用技术。这是应环 保及可持续发展要求而必须面对的新型课题。 • （7）在汽车工业中,镁压铸件的加工、循环再 生和铸造方面较铝有很大的技术优势,而且用镁 可以代替汽车上的特种塑料,因此,原位颗粒增 强镁基复合材料在汽车工业具有潜在的应用前 景和广阔的市场 • （8）镁基复合材料的智能化设计。
各种增强体的特点
• 长纤维增强金属基复合材料性能好，但造 价昂贵，不利于向民用工业发展，另外其 各向异性也是阻碍因素之一． • 颗粒或晶须等非连续物增强金属复合材料 是各向同性的，有利于进行结构设计，可 以二次加工成型，可进一步时效强化，并 具有高的强度，模量，硬度，尺寸稳定性， 优良的耐磨、耐蚀、减振性能和高温性能， 已日益引起人们的重视。
• 增强相 增强相选择要求与铝基复合材料大致相同， 都要求物理、化学相容性好，润湿性良好， 载荷承受能力强，尽量避免增强相与基体合 金之间的界面反应等。常用的增强相主要有 纤维增强、晶须增强和颗粒增强。如C 纤维、 Ti 纤维、B 纤维，Al2O3 短纤维，SiC 晶须， B4C 颗粒、SiC 颗粒和A12O3 颗粒等。
• (3)超轻系镁基复合材料的研究。进一步研 究开发应用于航空航天结构件等方面的超 轻系镁基复合材料,Mg一Li基复合材料是首 选材料并将成为研究热点。 • (4)颗粒增强镁基复合材料热力学及动力学 的计算机模拟技术将成为研究热点之一; • (5)镁基功能复合材料的开发利用。尤其是 镁基储能材料的研究开发将会更加深入。
薄膜冶金法
• 薄膜冶金法是表面处理方法,首先制备镁基体薄膜, 然后在薄膜表面涂敷一层增强体,然后进行挤压变 形和热处理,使增强体和基体紧密结合在一起形成 镁基复合材料。 • 薄膜冶金法制备的镁基复合材料的增强相与基体 主要靠机械粘合,界面结合较差,另外制备工艺复 杂,所有操作均需在惰性气体保护下进行,设备要 求条件高,成本高。而且薄膜冶金法对增强体的种 类有限制,只能选择和基体有良好润湿性的增强体 材料才能形成结合良好、没有显微裂纹的薄膜复 合材料,工艺比较复杂,工艺过程比较长,在实际的 应用中有很大的困难
• ③以碳纤维复合材料为代表的先进复合材 料自诞生40多年来技术发展日益成熟，特 别是各种低成本制造技术的出现，为扩大 应用提供了前提条件； • ④各种原材料，如钢、铝、钛等近年来均 在大幅涨价，唯有先进复合材料总趋势是 在不断降价，使其应用更具有了竞争性。
以镁合金为基体的复合材料的特点
• 组成
自蔓延高温合成法
• 自蔓延高温合成技术 （ SelfpropagatingHigh-temperature Synthesis，简称 SHS）是将含有两种或两 种以上物质的混合物压坯的一端进行点火 引燃使其发生化学反应，仅依靠化学反应 放出的热量蔓延引起未反应的邻近部分发 生燃烧反应，直至整个坯料反应结束，其 反应的生成物一般为陶瓷或金属间化合物， 尺寸可达亚微米至微米级。
半固态搅拌熔铸法
• 半固态搅拌熔铸法就是靠桨叶旋转产生的机械搅 拌作用使半固态镁基体合金熔体形成涡流来强制 引入增强颗粒,在增强颗粒与先凝固的金属晶粒混 合均匀后再升温浇铸,凝固后得到复合材料的方法。 • 半固态成型可以减少宏观偏析,使陶瓷颗粒在基体 内分布均匀,降低凝固收缩和成型温度,很大程度 上降低了镁在高温下的氧化烧损,减小危险性 [11,12]。而且该工艺可以进行连续操作,有希望 用于大规模工业生产,但是现在半固态设备要求复 杂,成本高,且镁基复合材料的半固态工艺不成熟, 限制了半固态成型方法的广泛应用。
• (1)低成本制备技术的开发。原位生成的陶瓷颗粒 增强相具有表面无污染、良好的界面相容性和高 结合度等传统工艺不具备的特性,因此,借鉴目前 原位内生颗粒增强铝基复合材料较为成熟的制备 技术来探索原位内生颗粒增强镁基复合材料,尤其 是改善界面结合行为,结合自发浸渗的原位合成技 术来获得近终成型的镁基复合材料 • (2)增强体的选择。采用超细增强体(如亚徽米、 纳米增强体),研究其制备的关键技术,即增强体的 分散性和基体界面的相容性,从而在提高强度的同 时细化晶粒、提高塑性以获得优良综合性能的材 料。
• 此外，材料的回收性能也是制约镁基复合 材料应用的一个重要问题，镁基复合材料 由于本身的结构特性，使得它的回收再利 用难度很大，这也极大制约了它的进一步 应用。因此如何开发一种科学适用的回收 体系，充分利用材料并有利于环境保护， 也是镁基复合材料研究领域的一大热点。
展望
• 从目前发展趋势看, 简化现有制备工艺、 改善成形性以降低制备成本是发展 以镁合金为基体的复合材料的攻克点,从而 能实现大规模的商业化。以下几个方面将 会成为今后的研究热点 :
我国以镁合金为基体的复合材料的 研究现状
• 我国结合国防军工及高技术发展的需要,开展了颗粒与 纤维增强镁基复合材料的研发,已有较好的研究基础。 在镁基复合材料的复合和成形技术研究方面,已基本掌握 精密铸造、挤压成形、超塑成形、搅拌铸造、真空压力浸 渍等技术,并达到了国际先进水平。在铸造法制备颗粒增 强镁基复合材料的研究方面,我国已解决复合材料铸造成 形中存在的一些问题,如气孔、夹杂缺陷等,并可以浇注复 杂的薄壁铸件。已成功浇注了精密铸件,制成了颗粒增强 镁基复合材料飞机液压分油盖、卫星遥感镜身和镜盒,并 获得了应用。火箭用延伸喷管动作筒的应用研究也取得了 较大进展。一些民用品如摩托车轮毂等也通过了试车。
以镁合金为基体的复合材料 的应用及发展现状 应用
• 镁基复合材料的应用从近期发展看,镁基复合材料 并没有大规模地应用于常规结构件中,但它们在航 空航天和汽车电子工业中的众多构件方面有着广 阔的应用及前景。
车身构架使用轻量化材料
EOS 6D镁合金机身骨架，机顶采用 高级复合材料
Hale Waihona Puke 三星900X3A-A01的侧面 外壳铝镁合 金材质 笔记本的重量仅为1.350千克
DMD 法
• DMD 法（Disintegrated Melt Deposition）是 Gupta等人 提出的，先将基体与增强体颗粒在氩气保护下加热熔化并 过热，然后将过热处理的镁熔体搅拌均匀， • 由两个氩气喷嘴将射流均匀地喷射沉积到底部的基板 • 上制备复合材料。 • 用 DMD 法制备的复合材料基体与增强相之间的 • 界面良好，增强相在基体里分布均匀，起到显著的晶 • 粒细化作用，极大限度地抑制了孔洞的产生，是一种 • 新型而有效的镁基复合材料的制备方法。
材料制备
• 由于镁的熔点与铝相近，镁基复合材料的制备工 艺与铝基复合材料相似。纤维、颗粒、晶须增强 镁基复合材料的制备方法主要有搅拌铸造、挤压 铸造以及粉末冶金，除了这些传统的制备方法以 外，近年还出现了机械合金化、熔体浸渗、DMD 法、自蔓延高温合成法、重熔稀释法、反复塑性 变形等新型制备方法。
• 镁基复合材料主要由镁合金基体、增强相和基体 与增强相间的接触面——界面组成。 • 基体 • 常用基体合金目前主要有：Mg-Mn，Mg-A1，MgZn，Mg-Zr（锆），Mg-Li 和Mg-Re（铼），此外， 还有于较高温度下工作的2 个合金系Mg-Ag 和 Mg-Y（钇）。镁基复合材料根据其使用性能选择 基体合金。侧重铸造性能的，可选择铸造镁合金 为基体；侧重挤压性能的，则一般选用变形镁合 金。