1、单位代码 学 号 分 类 号 密 级 XX 大学毕业论文文献综述 院（系）名 称 工 学 院 机 械 系 专 业 名 称材 料 成 型 及 控 制 工 程 学 生 姓 名 指 导 教 师20 xx 年 3 月 20 日 粉末冶金方法制备镁基复合材料的研究1 引言相对于传统金属材料,金属基复合材料(Metal matrix materials,简称MMCs)因其兼有金属的特性(延展性和韧性)和陶瓷的特性(高强度和高模量),具有优异的力学与物理性能以及较大的材料设计自由度,已经逐渐成为国内外材料领域的研究重点。其中许多研究集中于铝基复合材料,原因在于铝密度小,是航空航天、军工制造和汽车制造等高技术
2、领域的传统材料。然而,镁是另一种重要的候选材料,镁、镁合金及镁基复合材料的密度一般小于1.8 103kg/m3,仅为铝或铝基复合材料的66%左右,因而具有更高的比强度和比刚度以及优良的力学和物理性能,在新兴高新技术领域中比传统金属材料和铝基复合材料的应用潜力更大。镁基复合材料具有优良的阻尼减震性,在汽车制造业中可以做方向盘减震轴、活塞环和支架等,还具有电磁屏蔽性,可以作通讯电子产品中手机、手提电脑等的外壳材料。2 镁基复合材料的研究镁在地壳中含量最丰富的元素之一，约占地壳总重量的2.35%，在金属元素中仅次于铝、铁元素，居第三位，在自然界中主要以白云山、菱镁矿的形式存在。此外，镁在海水中约占0
3、.13%，具有极大的潜在开发价值1。我国镁资源丰富，分布广泛，菱镁矿的质量和储量均居世界第一位，矿床主要分布在青海、山西、辽宁等地。目前我国的原镁产量居世界首位，占全球总产量的约1/3.但我国的镁产业与国外相比还处于起步阶段，大多数企业是以生产原料为主，没有足够的能力对材料进行更进一步的研究和设计，这也在很大程度上限制了镁的开发和应用2。纯镁的力学性能低，不能直接作为结构材料使用。在工业上，纯镁除了少部分用于化学工业、仪表制造及军事工业外，主要用于制造镁合金以及生产镁铝合金的合金元素。2005年，世界上的原镁约有34%用于制造镁合金，36%用于制造铝合金，其余用于炼钢脱硫剂、金属还原、化学品应
4、用、电子产品以及锻轧合金等领域3。尽管国内外在镁合金材料的研究上已经进行了大量的探索,但是到目前为止,用量最大的仍然是AZ91。该合金具有易于铸造加工、高强度、耐腐蚀和低成本的优点。但其致命的缺点为:韧性和耐冲击性低,热强性和抗蠕变性能低。其次使用得较多的有AM50/AM60(有较高的韧塑性)、AS41/AS21(稍微改善了高温蠕变性能)和AE42(有较好的抗蠕变性能)。为了改善镁合金强度低、力学性能差等缺点,人们通过向镁合金中添加高强度、高模量的陶瓷增强相或其它形式增强相制备成镁基复合材料。镁基复合材料密度小、比强度和比刚度高,具有良好的尺寸稳定性、低温超塑性和优良的铸造性能,还具有优良的力
5、学和物理性能,其综合性能优于铝基复合材料,正成为现代高新技术领域最有希望采用的一种复合材料。镁基复合材料还具有高的储氢容量、氢化动力学性能好,正逐渐成为非常有发展前景的储氢材料。镁基复合材料具有优良的阻尼减震性,在汽车制造业中可以做方向盘减震轴、活塞环和支架等,还具有电磁屏蔽性,可以作通讯电子产品中手机、手提电脑等的外壳材料。镁合金具有高的比模量、比强度,良好的阻尼性能和电磁屏蔽性能,可广泛用于航天、航空、汽车、计算机、网络等行业。但镁和镁合金比较低的强度和较差的高温性能限制了它的进一步应用,而镁基复合材料具有更高的比强度、比刚度,同时还具有较好的耐磨性、耐高温性能能4。所以相比镁合金,镁基复
6、合材料在风力制动片的研制方面具有更大的潜在应用前景。总体而言,金属基复合材料的发展时间虽然较短,但处在一个蓬勃发展的新阶段。其中,金属基复合材料制造方法及工艺是研究比较多的一个领域,因为金属基复合材料的性能、应用、制造成本等在很大程度上取决于其制造工艺和方法。目前金属基复合材料的制备方法虽已有很多,并在制备铁基、铜基、铝基、钛基等金属基复合材料中取得了比较大的成功,但由于镁具有熔点比较低、化学活性高、易燃、易氧化等特点5，原有的许多金属基复合材料的制备工艺都无法直接应用于镁基复合材料的制备。根据镁基复合材料的特点,结合原有的金属基复合材料的制备工艺,材料工作者进行了大量的试验工作,尝试了许多新
7、的适合制备镁基复合材料的工艺方法,对研制、开发镁基复合材料起到了很好的促进作用。3 镁基合金的强化途径 纯镁的室温塑性很差，强度和硬度也比较低，不能直接作为结构材料使用。因此需要通过合金化、热处理、与增强相复合等方法来提高它的力学性能。镁及镁合金可以通过与碳纤维、SiC 颗粒、Al2O3 短纤维等增强相的复合，改善本身的力学性能，得到更加优化的性能。复合材料可以通过工艺参数的控制，得到增强与基体的良好结合，从而获得所需要的性能。复合材料的性能是由基体、增强相和它们之间的界面共同决定的，其中界面问题是复合材料研究当中至关重要的，界面结合的好坏往往与材料的性能密切相关。对于镁基复合材料来说，由于镁
8、本身的活性很高，如何防止、控制或者促使界面反应朝着所预期的方向发生，是材料设计中的关键问题。一般来说，用与镁基体较少发生互融金属颗粒作为增强相，可以在一定程度上减少陶瓷颗粒中出现的界面失效问题。陶瓷颗粒、晶须等增强镁基复合材料目前是这一领域内的研究热点，大多数的陶瓷相加入镁基体后，一方面会提高镁体的强度，另一方面又恶化了材料的塑性及阻尼性能，解决这一问题是许多科研人员的目标。SiC颗粒是目前用于比较广泛的一种增强相。颗粒增强镁基复合材料，由于制造成本相对较低，并可进行二次加工，具有工业化生产的应用前景，而且通过颗粒增强镁合金制得的复合材料，具有高的比刚度、比强度，高的抗蠕变性能和耐磨性，是一种
9、理想的、有开发应用前景的航空、航天以及汽车工业用新型结构材料。4 镁基复合材料的制备方法4.1 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。R.T.Whalen 等6用粉末冶金法制造了硼颗粒增强 Mg-Li 基复合材料,该复合材料具有硼颗粒均匀分布于基体中的组织形貌,而且其弹性模量、密度、比模量、压缩屈服强度比基体 Mg-Li 合金都有较大程度地提高。Z.T rojanova 等7用粉末冶金技术制备了纳米 Al2O3颗粒增强的镁基复合材料,其力学
10、性能得到了较大地提高；材料经 330热挤压后宏观组织清晰,材料的蠕变性能也得到提高。权高峰8 用粉末冶金法制备了 SiC 颗粒增强镁基复合材料，材料的强度稍优于铝基复合材料；而且当金属粉末尺寸与增强陶瓷颗粒尺寸之比较小时,颗粒分布较均匀，复合材料的力学性能得到改善。郗雨林等9 用粉末冶金法制备了 SiC 颗粒及晶须增强 MB15 基复合材料,SiC 颗粒和晶须能显著提高 MB15 合金的室温强度和弹性模量，相比之下,SiC 晶须的作用比颗粒更明显。粉末冶金法制备镁基复合材料的优点主要在于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
11、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。因此粉末冶金法主要应用于实验室研究，没有得到推广。4.2 熔体浸渗法 这种方法的基本过程是先把增强相预制成形，然后将基体熔体倒入，在给予一定压力或者单纯的毛细现象的作用下，使熔融的金属液浸渗到预制坯体间隙，以达到复合成型的目的。通过压力浸渗制备的Al2O3晶须增强AZ91复合材料使
12、其有着良好的力学性能，它的优点是可以制备出增强相体积分数较高的复合材料，缺点是采用压力浸渗的方法，会不可避免的出现基体与加入相界面润湿不完全的现象，并且不合适制备形状复杂的零件。4.3 搅拌铸造法 这种方法是制备镁基复合材料的一种典型工艺，通常分为全液态搅拌铸造、半固态搅拌铸造和流变铸造三类。一般的工艺过程是在Ar或者CO2/SF6气氛保护下进行镁合金熔炼，之后将增强相预热后加入熔浆中进行搅拌。全液态铸造一方面会因为搅拌过程中负压会使复合材料容易吸气而形成气孔，另一方面增强相与基体的密度差异会导致在此过程中出现颗粒的沉积及团聚等现象。半固态成型在一定程度上避免了上述问题的出现，而且同时降低了镁
13、在高温下的氧化和烧损，较有希望应用于大规模的工业生产。流变铸造又称搅熔铸造，是在半固态金属中加入增强相，经过一定时间后升温至液相线以上，搅拌后再冷却。4.4 原位反应自生法这种方法也称为自生复合或原位复合，它是通过在镁合金基体中加入合金元素或化合物，在制备复合材料的过程中使其在基体内发生反应，从而形成一种或几种增强相，从而得到复合材料的方法。由于这种方法所得到的增强相是在基体中原位生成的，一般来说与基体的化学相容性比较好，界面污染较小，而且生成物的尺寸细小，分布均匀，很大程度上解决了复合材料当中对性能影响巨大的增强相偏聚问题，是目前镁基复合材料研究当中的一个热点，但它的难点在于如何选择反应物及
14、如何控制工艺的实施。5 课题的提出及研究内容5.1 课题提出的背景 镁基复合材料有较高的强度、高的弹性模量、低的热膨胀系数以及尺寸稳定性。是继铝基复合材料之后的又一种具有良好性能等的轻金属基复合材料，而且它在某些方面具有比铝基材料更好的性能。因此,对它的制备方法、组织结构及力学行为有必要进行进一步的研究。粉末冶金相对于其他制备工艺有成本低、易实现等优势，能够减少氧化、偏聚等现象，适合应用于镁基复合材料的制备。增强相的选择要考虑多个方面的因素，长纤维增强镁基复合材料的性能比较好，但其价格昂贵，不利于向大规模的工业生产发展，同时它本身的各向异性也是阻碍其进一步推广的因素之一。用高强度、高模量、低密
15、度的颗粒或晶须等非连续物增强镁基复合材料可以减少上述不利因素的影响，有利于大批量生产和再加工。晶须增强作为复合材料的一个研究方向，在镁基复合材料中有着广泛的应用10。5.2 本课题的研究内容 本课题选用粉末冶金的方法制备SiC增强镁基复合材料，对其力学性能、组织结构及增强机理对复合材料性能的影响进行了研究。主要内容如下：(1)探索用粉末冶金法制备SiC增强镁基复合材料的工艺路线，并对工艺参数进行优化；(2)研究SiC增强镁基复合材料的力学性能，揭示材料组织结构与力学性能的关系；(3)研究SiC增强镁基复合材料的摩擦磨损性能；(4)通过有限元方法研究SiC增强镁基复合材料界面的细观力学。参考文献
16、参考文献1 史文方，周昆，我国在镁合金的开发应用现状及展望，汽车工艺与材料 J ，2004,6.2 姚素绢等，镁及镁合金的应用于研究，世界有色金属 J ，2005,1.3 Nick Fantetti，全球镁的供应与需求，中国有色金属 J ，2006,8.4 Si-Yong Chang,Sung Jun ChoSung-Kil Hong,etal.Microst ructure and tensile properties of bi-materials with macro-interface between unreinforcrd magnesium and composites J.Journal of Alloys and Compounds,2001.5 中国机械工程学会铸造专业学会，铸造手册(第三卷:铸造非铁合金)M.北京机械工业出版社,1993.6 Whalen R T,Doncel G G,Robinson S.Letal.Mechanical properties of part iculate composites based on a boby-centered-
