Mg_2Si/Al复合材料制备技术研究现状

Mg2Si/Al复合材料具有较多的优点,有着广泛的应用前景。探讨了Mg2Si/Al复合材料的制备技术,总结了各种技术的优缺点,得出了适合大规模工业化的制备方法。     

Mg_2Si/Al自生复合材料的组织与力学性能研究

对金属型和砂型铸造制备的Mg_2Si/Al自生复合材料进行了磷变质和T6热处理,分析了磷变质和T6热处理对复合材料组织与性能的影响及其作用机理。结果表明:Mg_2Si/Al复合材料主要由α-Al基体、Mg_2Si增强相、CuAl_2和Si共晶相组成;P对初生Mg_2Si相形貌的影响较为显著,而对共晶硅相的影响较小;Mg_2Si相主要呈十四面体结构;P变质处理可以显著改善Mg_2Si/Al复合材料的强度和塑性。     

热处理对Mg_2Si/Al-Si复合材料组织及性能的影响

采用磷、镧复合变质的方法制备了Mg2Si/Al-Si复合材料,并研究了T6热处理对复合材料组织及性能的影响。结果表明:经T6热处理后,复合材料中的Mg2Si、共晶硅均得到一定程度的粒化;在研究范围内,复合材料的硬度和耐磨性能随固溶温度的增加而单调降低,随时效温度的增加而单调上升。经500℃×10h+175℃×10h热处理后,复合材料的硬度和耐磨性能比未热处理时分别提高了21.76%和60.3%。     

Sb对原位Mg2Si/Al-5Si复合材料显微组织的影响

研究了Sb含量对Mg2Si／Al-5Si复合材料显微组织的影响。结果表明，随着Sb含量的增加，初生Mg2Si颗粒形貌明显发生了细化，Mg2Si形态由变质前的汉字体和枝晶状变为细小的、均匀分布的颗粒状，Mg2Si体积分数也有所增加。当Sb含量为0．4％时，细化效果达到最佳，由变质前的52μm变为25μm。当Sb含量超过0．4％后，Mg2Si颗粒尺寸开始粗化，因此，过量的Sb对Mg2Si颗粒的细化无益。Sb对Mg2Si颗粒的细化主要由于AlSb引起的异质形核作用，Sb使液相线温度和熔体表面张力扩σLV降低，对Mg2Si颗粒的细化也具有一定的作用。     

Si及变质处理对Mg2Si/Mg复合材料的影响

分析了Mg-Si二元合金直接原位形成Mg2Si/Mg复合材料的过程,研究了Si含量以及变质处理对复合材料组织和性能的影响。试验结果表明,随着合金中Si含量的增加,合金的流动性降低,复合材料中原位Mg2Si的数量增多,树枝晶形态更为发达;对优化的Mg-8Si合金,进行混合稀土(MM)和Sb变质处理,可明显改善Mg2Si的形态和分布,但Sb变质的效果要好于MM。合金经质量分数为1.2%的Sb变质处理后,Mg2Si以颗粒状均匀分布在Mg基体中,从而使复合材料具有较好的耐磨性。     

原位Mg2Si/Al复合材料的变质与半固态组织演变

研究了Sr对原位Mg2Si/Al复合材料显微组织的影响,并利用等温热处理的方法成功地得到了半固态球状组织。其结果显示,Sr加入后能够改变初生Mg2Si的树枝晶形貌,随着Sr含量的增加,其形貌逐渐由多边形状变为块状,经过等温热处理后,初生Mg2Si相和α-Al相同时被球化,并简要地讨论了球化机理。     

超声波对原位Mg2Si/Al复合材料中初生Mg2Si形态的影响

采用光学显微镜和场发射扫描电镜,研究超声波对原位 Mg2Si/Al 复合材料中初生 Mg2Si 形态的影响。研究结果表明：超声波处理使初生Mg2Si的晶粒尺寸从150μm降低到20μm,初生Mg2Si形态发生改变。在二维形貌中,未实施超声波振动处理的初生Mg2Si晶粒生长为含有空腔的粗大颗粒,共晶组织生长于其中,相应的三维形态为含有漏斗状空腔的八面体和十四面体。超声波处理后的初生Mg2Si晶粒变成细小、实心三维形态的颗粒,颗粒棱角已发生钝化效应。     

燃烧合成Al/Mg_2Si复合材料的热力学分析

通过计算Al-Mg-Si体系的自由焓及绝热温度,对Al-Mg-Si体系反应中可能发生的反应进行了预测。结果表明,Al-Mg-S体系在自蔓延反应条件下,只有Mg-Si之间能发生反应,当反应体系中有O2存在时,有MgO生成,Al不能参与反应。通过实验成功地制备了Al/Mg2Si复合材料,并验证了热力学分析结果。     

Ca、Sc对原位Mg_2Si/Mg-Al复合材料组织的影响

在原位合成制备Mg2Si/Mg-A1复合材料过程中,加入Ca、Sc作为变质剂,并采用光学显微镜研究了单独变质与复合变质对材料组织的影响。结果表明:Ca、Sc都是有效的变质剂,尤其是复合变质,能使初生Mg2Si尺寸由40～130μm减小至6～7μm,其形态由不规则变为规则的多边形;共晶Mg2Si亦趋向于弥散分布,变质效果显著。     

Si含量和冷却速率对Mg2Si/Al复合材料组织与耐磨性能的影响

用浇注方法制备了不同的Mg2Si/Al复合材料,研究Si含量和冷却速率对Mg2Si/Al复合材料的组织与耐磨性能的影响并分析其机理。结果表明,随着Mg2Si/Al复合材料中Si含量的上升,初生Mg2Si相的数量逐渐增多而尺寸不断减小,初生Si相的数量不断增加而尺寸基本不变或略有增加;随着冷却速率的增加,Mg2Si/Al复合材料中的初生Mg2Si相和Si相的数量不断增加且尺寸不断减少;在干滑动磨损条件不变的前提下,随着Si含量的逐渐上升,Mg2Si/Al复合材料的磨损体积不断减小。     

Nd对原位自生Mg2Si/Al复合材料的变质作用

采用稀土元素Nd对原位自生Mg2Si/Al复合材料进行变质处理;利用X射线衍射仪和金相显微镜等方法分析了变质前后合金的微观组织;并对Nd的变质机理进行了分析.结果表明:在原位自生Mg2Si/Al复合材料中添加适量的Nd对初生和共晶Mg2Si能够同时起到良好的变质作用.当Nd含量达到0.5％时,初生Mg2Si的形貌由粗大的树枝状或多角形块状转变为细小的块状,平均尺寸由47.5 μm减小到13.0 μm;共晶Mg2Si也由粗大的片状转变为细小的片状、纤维状或点状.其变质机理可能与Nd元素富集于Mg2Si相固-液界面降低Mg2Si相与Al液间界面张力及由富集所引起的成分过冷有关.     

固溶处理对原位合成Mg_2Si/AZ91D复合材料组织及性能的影响

研究固溶处理对Mg-SiO2体系原位合成制备的Mg2Si/AZ91D复合材料的组织和性能的影响。结果表明：AZ91D镁合金在加入SiO2（其中Si占合金质量的1.5%）后,出现了粗大的汉字状Mg2Si相,固溶处理改变了Mg2Si相的形貌与分布,并使β-Mg17Al12相溶入到基体中;随着固溶时间的增加,汉字状的Mg2Si相熔断、球化,在420℃保温16h时Mg2Si相最为细小、弥散;固溶处理后复合材料的抗拉强度增加了14.9%,伸长率增加了38.9%。固溶处理时在Mg2Si/Mg界面间的界面张力作用下,Mg2Si相不断熔断、聚集、扩散,最终获得球化的Mg2Si相。     

Nd对Mg2Si/Al复合材料干滑动摩擦磨损行为的影响

考察了Nd对原位自生Mg2Si/Al复合材料显微组织和干滑动摩擦磨损行为的影响.结果表明,在Mg2Si增强的Al基复合材料中添加适量的稀土元素Nd,对初生和共晶Mg2Si能够同时起到良好的变质作用,初生Mg2Si的形貌由粗大的树枝状或多角形块状转变为细小的块状,而共晶Mg2Si则由粗大的片状转变为细小的片状、纤维状或点状.并且初生和共晶Mg2Si尺寸大大减小.添加Nd后复合材料的磨损率和摩擦因数均比未添加Nd的复合材料低;添加0.5％的Nd(质量分数)使复合材料的磨损机理由磨粒、粘着及疲劳的综合磨损转变为单一的轻微磨粒磨损.     

Mg对原位合成TiB_2/Al-7Si复合材料的微观组织及力学性能的影响

通过向铝液中加入一定比例的KBF4和K2TiF6制备出了TiB2/Al-7Si复合材料,利用XRD,SEM,金相显微镜,硬度(HV)测试和磨损试验等材料分析方法研究了Mg对复合材料的微观组织和力学性能的影响。研究表明,K2TiF6和KBF4混合盐原位反应的生成物为平均尺寸为0.5μm左右的TiB2颗粒。复合材料的硬度和耐磨性随着TiB2含量的增加提高。添加1.5%的Mg改善了TiB2颗粒与铝液界面的润湿性,增加了合金熔体的粘度,阻碍了TiB2颗粒的团聚,明显细化了TiB2颗粒且分布更加均匀,增强了TiB2颗粒的弥散强化和细晶强化效果,复合材料的硬度和耐磨性显著改善。过量的Mg元素(3.0%)会造成TiB2颗粒细化效果的下降,但硬度和耐磨性能继续得到改善,这可能与合金凝固中析出的初晶Mg2Si颗粒和时效过程中析出β′或β″相有关。     

Al-P和Al-Ti-B对Mg_2Si/Al复合材料显微组织的影响

研究了Al-3P和Al-5Ti-1B中间合金单独加入以及同时加入时对Mg2Si/Al复合材料显微组织的影响,并探讨了其作用机理。结果表明,Al-P和Al-Ti-B中间合金均可对Mg2Si产生较好的细化和变质效果,并且Al-Ti-B对Al-P的细化变质效果有促进作用,初生Mg2Si颗粒形态由枝晶变为多边形,平均颗粒尺寸由100μm以上细化至20μm左右。     

RE对原位TiB_2/Al-7Si复合材料组织及性能的影响

采用混合盐反应法原位合成TiB2/Al-7Si复合材料,在添加适量Mg元素的基础上,研究了RE元素对复合材料微观组织和力学性能的影响。结果表明,加入适量RE元素,不仅能够细化α-Al和共晶Si相,而且能够增大TiB2颗粒与铝基体的润湿性,有效地阻止TiB2颗粒的团聚,使TiB2颗粒更加细小且分布均匀;加入0.6%RE后,硬度提高幅度约为12.9%,磨损失重量减少11%～19%,摩擦因数减小6%～12%,复合材料的硬度和耐磨性明显改善。     

微量B_2O_3及超声处理对原位Mg_2Si/AM60复合材料组织的影响

研究了微量B2O3、超声处理对原位Mg2Si/AM60复合材料组织的影响。结果表明:随着B2O3加入量增加至0.60%(质量分数,下同)时,Mg2Si/AM60复合材料组织先逐渐细化后粗化,生成的Fe B减少了杂质Fe。当B2O3加入量为0.40%时,Mg2Si/AM60复合材料组织中的半连续网状Mg17Al12细化成颗粒状,粗大汉字状Mg2Si转变成细小的纤维状、颗粒状,其平均晶粒尺寸由未加入时的140μm细化至50μm,其细化程度主要与Al B2的异质形核密切相关;后续施加的600 W连续超声对熔体处理60 s,使得复合材料中的Mg17Al12、Mg2Si变得更加细小、均匀。     

Bi变质原位自生Mg2Si/Al复合材料的研究

采用纯Bi对原位自生Mg2Si/Al复合材料进行变质;采用金相显微镜等观察了变质前后材料的微观组织;测试了材料的拉伸性能;并对变质前后合金的断口形貌进行了分析.结果表明,在原位自生Mg2Si/Al复合材料中添加适量的金属Bi对初生Mg2Si和共晶Mg2Si能够同时起到良好的变质作用,初生Mg2Si的形貌由粗大的树枝状或多角形块状转变为细小的块状,尺寸由70 μm减小到6 μm,而共晶Mg2Si则由粗大的片状转变为细小的片状、纤维状或点状.经1.0％的Bi变质后,材料的拉伸性能得到大幅度提高,抗拉强度从175 MPa提高到260MPa,提高了48.6％,伸长率从3.5％提高到7.0％.     

原位Mg2 Si/Al复合材料半固态组织的形成与演变

研究了P对原位Mg2Si/Al复合材料显微组织的影响,利用等温热处理的方法成功地得到了基体与增强体双相球化的半固态球状组织,探讨了球化机理.结果表明,P孕育变质后,铸态组织中Mg2Si增强相由粗大的枝晶转变为细小的块状,经过等温热处理后的半固态组织,增强相分布均匀、尺寸细小,均表现为规则的球形,而α-AI的形貌也变得较为圆整.此外,随着热处理保温时间的增加,Mg2Si尺寸没有明显的变化,相反,α-Al的尺寸却有明显的增加.     

钇对Mg2Si/AZ91D复合材料中Mg2Si相变质的影响

研究了不同含量的钇对Mg2Si/AZ91D复合材料中Mg2Si相形貌的影响.结果表明:Y对Mg2Si/AZ91D复合材料中共晶Mg2Si有明显的细化变质效果,合金液经0.8％Y变质后,共晶Mg2Si相由粗大的树枝状或汉字状转变为颗粒状.在1.2％添加范围内,随Y加入量的增加,对共晶Mg2Si相的细化变质效果增强,未出现过变质现象.固溶处理能使Mg2Si/AZ91D复合材料中枝状或汉字状Mg2Si发生部分溶解,并依靠原子扩散自发粒状化,Y的细化变质能促进Mg2Si相固溶处理时的粒状化.