鎂課堂:(八十五)鎂合金板帶材生產(chǎn)4
2017年03月14日 9:25 5993次瀏覽 來源: 中國有色金屬報(bào) 分類: 鎂資訊 作者: 王祝堂
復(fù)合材料的性能決定于基體、增強(qiáng)相及它們之間的界面,但是在鎂基復(fù)合材料中,界面特性起著至關(guān)重要的作用,因此鎂及鎂合金有很高的化學(xué)活性,易與增強(qiáng)相發(fā)生界面反應(yīng),生成有害產(chǎn)物。
界面問題不可小覷
常用的增強(qiáng)材料有碳纖維、SiC、Al2O3、B4C及B纖維,在制備鎂基復(fù)合材料時(shí),由于溫度較高,增強(qiáng)相會(huì)與鎂熔體發(fā)生反應(yīng),如用Al2O3顆粒與短纖維作為增強(qiáng)相,則可與鎂發(fā)生反應(yīng):
3Mg+Al2O3=2Al+3MgO
降低基體與增強(qiáng)相之間的結(jié)合強(qiáng)度。
若用的Al2O3中殘留有SiO2,則它可與Mg反應(yīng)產(chǎn)生Si:
2Mg+SiO2=Si+2MgO
生成的Si繼續(xù)與Mg反應(yīng):
2Mg+Si=Mg2Si
Mg2Si對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度不利,因此鎂合金復(fù)合材料宜少用或不用Al2O3作為增強(qiáng)材料。
碳纖維具有高強(qiáng)度、高模量、低密度等特點(diǎn),且不與Mg反應(yīng),是一種好的鎂基復(fù)合材料增強(qiáng)相,但若鎂合金含有Al與Li等合金化元素,則會(huì)與碳反應(yīng)生成Al4C3、Li4C化合物,損傷碳纖維,降低復(fù)合材料性能。不過,對(duì)碳纖維進(jìn)行C-Si-O梯度表面涂層處理,可以大大提高界面結(jié)合強(qiáng)度。
B4C一般不與純鎂反應(yīng),但其表面有一層B2O3膜,可與鎂熔體反應(yīng)生成MgB2:
4Mg+B2O3=MgB2+MgO
生成的MgB2可以提高M(jìn)g熔體與B4C之間的潤濕性,提高界面結(jié)合強(qiáng)度。
SiC在鎂基復(fù)合材料制備過程中不會(huì)與基體發(fā)生界面反應(yīng),但其表面上的SiO以及在SiC預(yù)制坯時(shí)膠黏劑中存在的SiO2則易與鎂基體發(fā)生有害反應(yīng)。
由以上分析可見,SiCp和B4Cp(p代表顆粒)比較適合于制備鎂基復(fù)合材料,由于它們?cè)阪V熔體中的穩(wěn)定性高,可以用熔體攪拌工藝制造復(fù)合材料。在生產(chǎn)鎂基復(fù)合材料時(shí),不同的制備工藝宜選擇適合的增強(qiáng)相。采用噴射沉積和快凝/粉末冶金法時(shí),由于不會(huì)產(chǎn)生界面化學(xué)反應(yīng),故增強(qiáng)相選擇比較自由。用鑄造法時(shí),由于增強(qiáng)相與熔體直接接觸,而且時(shí)間長,溫度高,易誘發(fā)界面化學(xué)反應(yīng),故增強(qiáng)相選擇應(yīng)慎重。
鎂基復(fù)合材料組織
鎂基復(fù)合材料的組織與其他金屬基復(fù)合材的相似,也是纖維狀、顆粒狀或晶須增強(qiáng)相分布于基體之中,由于它們的膨脹系數(shù)相差較大,在增強(qiáng)相外圍存在高密度的位錯(cuò)纏結(jié)和殘余應(yīng)力,有利于提高材料強(qiáng)度。增強(qiáng)材料還可以細(xì)化基體合金晶粒。細(xì)化機(jī)制:一是增強(qiáng)化表面作為基體合金的非法均勻晶核提高了形核速率。二是增強(qiáng)相吸收基體熱量,提高了界面處的冷卻速度。三是增強(qiáng)相阻礙晶界移動(dòng)而阻礙晶粒長大。因此,相同基體成分合金的晶粒,復(fù)合材料的比鑄錠冶金材料的小得多、例如AZ81/SiCp復(fù)合材料基體的晶粒尺寸約為鑄造合金AZ80合金晶粒的1/3,因而復(fù)合材料有更高的力學(xué)性能。
有人觀察到,在AZ81/SiCp復(fù)合材料中,在SiCp表面上有Mg17Al12相形核并向熔體內(nèi)擴(kuò)展長大,它們之間的界面為半共格,但由于凝固時(shí)界面有排斥作用,SiC顆粒易富集于晶界。
也有研究者發(fā)現(xiàn),在ZCM30/SiCp復(fù)合材料中,在SiC顆粒表面有薄片狀共晶相生成,它與SiC的結(jié)合強(qiáng)度比基體與SiC間的結(jié)合強(qiáng)度大一些,因而復(fù)合材料內(nèi)共晶相的生成有利于力學(xué)性的提高。
有人在研究真空壓力浸漬制備ZM5/SiCp復(fù)合材料時(shí),發(fā)現(xiàn)界面結(jié)合緊密,而且有Al偏聚,導(dǎo)致界面處有針狀和塊狀β-Mg17Al12相析出,由于SiC粒子表面吸附了一定量的氧,在制備復(fù)合材粒時(shí),鎂與氧反應(yīng),生成MgO,附著在界面上,在界面附近基體中存在著高密度的位錯(cuò)纏結(jié)組織。
責(zé)任編輯:淮金
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