镁基复合材料原位制备技术的研究进展

佘昌俊

（镇江市产品质量监督检验中心，江苏 镇江 212132）

镁基复合材料可以保持镁合金良好性能，同时能有效改善镁合金的力学性能、弹性模量和耐磨性能等。与外部颗粒相比，原位合成不仅颗粒细小、表面洁净、润湿性好，而且系统热力学稳定，无界面反应，增强效果更明显。本文综述了镁基复合材料的原位制备技术和研究进展，阐述了各种制备技术的特点和问题，并对镁基复合材料原位制备技术的发展提出了自己的看法。

1 镁基复合材料原位制备技术

原位制备技术是通过元素之间或元素与化合物之间的化学反应，在金属基体中原位生成一个或多个硬度高、弹性模量大的陶瓷增强相，从而增强金属基体。目前常用的镁基复合材料制备技术主要有自蔓延高温合成、机械合金化、混合盐反应和自发渗透、放热弥散法、接触反应法、气液反应法和低温反应自熔法。

1.1 自蔓延高温合成法（SHS）

合成方法是混合元素的粉末与金属粉末在强化阶段,按下空白,预热和点燃在真空或惰性气氛,元素之间的放热化学反应发生,并导致的持续反应释放的热量没有反应,直到所有相邻部分完成。

C F Fang[1]等人利用SHS法结合藕合场处理制备了TiB2/AZ31复合材料，其组织细小，TiB2颗粒分布均匀，抗拉强度和伸长率都较基体提高。

该方法具有反应速度快、纯度高、工艺简单、成本低等优点。但该方法也存在密度低、密度低、缺陷集中容易等缺点。然而，它可以通过应用外场干扰来改善。

1.2 机械合金化法（MA）

MA法是将粉末置于高能球磨机中球磨，在真空状态或气体保护氛围内，粉体反复受到强烈的冲击、变形、破碎、冷焊，形成较小尺寸的颗粒，然后通过固结成型、热处理和制备复合材料的一种方法。

Yang Z.R.等[2]将Mg、Ti、Al粉末混合，采用MA法成功制备出分布均匀良好、尺寸为2～5μm的Al3Ti/Mg复合材料。较纯镁，其硬度和极限压缩强度提高了约4倍和1.5倍，磨损损失减少了1/8，较AZ31，其硬度和极限压缩强度提高了约2倍和1.2倍，磨损损失减少了1/4。

MA法可以在常温或者低温下合成复合材料，其颗粒表面洁净、尺寸细小、分散均匀，而在后期的热加工过程中会溶解分解，分散细小的金属复合颗粒，增强基体性能。材料易被氧化和污染是制约着MA法的发展主要问题。

1.3 混合盐反应法(LSM)

LSM法是将含有增强体组分的盐类混合后，当镁加入熔体时，加入盐中的成分在高温作用下会被镁还原，在熔体中发生反应，形成补强颗粒，去除多余的副产品。

M.A.Matin[3]等人采用LSM法通过向镁熔体中加入K2TiF6和KBF4混合盐，制备了（TiB2+TiB）/Mg复合材料，研究了该体系反应的机理，并对热力学进行了计算，提出反应方程式。

LSM法的优势在于其工艺简单，周期短，原料来源广，用于制盐，成本低，复合材料可直接浇注成型，适合大批量生产。但也存在一些缺点，如反应过程中逸出气体量大，制备颗粒体积分数低，液渣清除困难等。

1.4 反应自发渗透法（RSI）

RSI法是将含增强相的组分元素粉末制成压坯，将镁熔体置于镁锭下加热至高于镁熔点的温度，在毛细管力的作用下，镁熔体缓慢浸入预制块中。发生原位反应，冷却后即可得到致密的原位复合材料。

Chen.Liqing[4]等人采用反应自发渗透技术制备了47.5vol.%TiC/AZ91D复合材料，室温下，抗拉强度提高了23.4%，温度723K，应变率0.001s-1时，材料的抗拉强度较基体提高了120%。

RSI方法的特点是制备高体积分数的复合材料容易。但预制件的制备工艺复杂，成本较高。

1.5 放热弥散法（XD）

XD法是将含有增强相粉末的粉末与基体粉末按比例均匀混合，然后将坯料冷却或热压成块状。将坯料加热到高于基体熔点、低于增强相熔点的温度，使增强相各组分之间发生放热化学反应，生成增强相。

Zhang Xiuqing[5]等通过此方法制备了大小约0.2～1.0μm，分布均匀的TiC/Mg复合材料，材料具有较好的阻尼性能。

XD法工艺设备简单，成本低。与其他制备方法相比，增强相颗粒尺寸约0.1～10 m，颗粒分布较为均匀。但由于反应所需的原料均为粉体，因此粉体的供应量有限。此外，工序多、周期长、不能直接铸造成形也是制约其应用的主要原因。

1.6 接触反应法(CR)

CR法是将含增强相组分元素的固态颗粒或者粉末，预热后放入镁熔体中，熔体的热量会促使固态颗粒或者粉末发生化学反应原位生成镁基复合材料。结合机械搅拌或物理外场可以促使增强相在基体中弥散分布，获得力学性能较好的复合材料。

邓鹏[6]等在脉冲磁场下采用直接反应合成法成功制备了Mg2Si/Mg-7Al复合材料，材料组织细化，分布均匀，力学性能得到显著提高，当放电电压为300V时，抗拉强度和伸长率较未磁场处理的复合材料提升了37.3%和137.5%。

接触反应法具有成本低、工艺简单、配筋与基体结合好、配筋尺寸和配筋量易于控制等优点。通过铸造获得了各种形状和尺寸的复合材料，具有广泛的应用前景。但往往由于化学反应不充分，易造成成分偏析；反应过程剧烈难以控制，有污染气体放出。

1.7 气液反应法(VLS)

VLS法是向镁熔体中通入含有增强相组分元素的气体，气体直接与熔体发生反应，并在基体中扩散分布，从而生产增强颗粒。

Changlin Yang等[7]采用VLS法将去除水汽和氧气的氮气通入1023K的Mg-9Al熔体中,成功制备了AlN/Mg-Al复合材料，原位生成的颗粒尺寸达到了微米级（小于1μm）和纳米级，在基体中均匀分布，材料的抗拉强度达到了（200～230）MPa，伸长率达到了（16～47）%。

VLS法不需要粉末反应物，该技术相对简单，易于操作。但由于该方法需要特殊的设备，反应过程和补强相的产生难以控制；气体反应不完全，易造成材料内部缺陷。

1.8 低温反应自熔法（LRM）

LRM法将经过预氧化的Mg粉与基体其它组分元素粉末冷压成坯后，加热至高于Mg-组分元素二元共晶温度而低于Mg熔点的温度，借助Mg-组分元素间的反应扩散使表面的MgO破碎，结合热挤压变形加工制备MgO增强复合材料。

Xi Yulin[8]等人将经过预氧化的Mg粉与铝粉混合冷压，采用LRM法制备了MgO/mg～7al复合材料。MgO的尺寸达到亚微米级。增强颗粒与基体的界面结合良好，分布均匀。

LRM法利用组分元素间的扩散制备复合材料，反应过程轻微可控，颗粒与基体界面洁净、结合好。但该法生产周期长，不能直接浇注成形。

2 展望与思考

原位反应合成的镁基复合材料具有优越的性能，应用潜力巨大。

由于原位合成制备复合材料的研究时间比较短,其工艺及基础研究尚不成熟,仍然存在一些需要解决的问题：①探讨增强体与基体的匹配种类，选择合适的的基体与增强体以便获得更好的综合性能；②研究增强粒子的形成机理和作用规律，改进其动力学和热力学系统，控制增强粒子的反应速度和大小、形状和分布；③研究低成本、高效率、短流程的小尺寸颗粒增强原位合成技术，为镁基复合材料的工业应用创造条件。