米乐m6官网登录镁合金顶刊：双连续金属-金属间化合物复合材料制备新

　　导读：本研究提出了一种通过液态金属脱合金( LMD )和后续合金化相结合的方法制备具有3D双连续结构的金属-金属间化合物复合材料的新工艺。首先，采用LMD工艺制备多孔Ti结构，然后将其浸入熔融Mg - 3Al ( wt % )金属中。由于Al与Ti的热力学混溶度高于Mg，随着浸泡时间的增加，Al在Ti基体中的浓度增加。这导致Ti基体内部发生顺序相变：α-Ti→Ti3Al→TiAl。相变显著影响复合材料的硬度和强度，其中Mg - Ti3Al - TiAl复合材料的硬度最高，约为传统Mg - Ti复合材料的2倍。这一创新工艺为开发各种双连续金属-金属间化合物复合材料提供了可能。

　　去合金化，或选择性浸出，是一种广泛研究的过程，其中使用化学方法选择性地去除或溶解前驱合金的特定成分。利用酸溶液进行化学脱合金已被广泛探索用于制备3D互连多孔材料。在这个过程中，较低的贵金属元素由于其电负性相对于其他合金成分较低而被选择性电离。这导致了纳米多孔贵金属材料的形成，其韧带尺寸在几十纳米的数量级上。然而，化学脱合金仅限于贵金属元素，由于氧化问题而无法应用于非贵金属元素。2011年，Wada等人提出了一种新的去合金化工艺，称为液态金属去合金化( LMD )。与化学脱合金不同，LMD利用金属熔体而不是水溶液来防止非贵金属元素的氧化。通过考虑前驱体合金元素和纯金属熔体之间的混合焓，通过LMD过程开发了各种3D互连的非贵金属-金属复合材料。这些复合材料表现出优异的物理性能，包括高强度和良好的延展性，这归因于它们独特的机械互锁结构。它们的性能超过了预期，并优于粉末冶金和复合铸造等传统制造方法制备的其他复合材料。

　　最近关于LMD的研究主要集中在LMD过程中的微观结构表征和相变行为。然而，对于前驱体合金中元素与金属熔体之间复杂的LMD反应的研究仍然有限。Joo等最近报道了( FeCo )xNi100 - x前驱体与Mg - 10Ca ( at % )熔体之间的复杂脱合金反应。Ni和Co均与Mg - Ca熔体互溶，但Ni由于具有负的混合焓( -4 k J / mol )而先发生反应。Co具有正的混合焓(约为3 k J / mol)，反应活性较低，其溶解受相邻熔体通道中Ni的浓度控制。这一结果表明，混合焓是LMD过程中决定化学反应的关键因素，具有错综复杂的相溶关系。然而，与韧带和熔体均互溶的合金元素在熔体中的影响尚未得到广泛研究。合金化在调整金属和复合材料的组成以实现特定性能方面起着至关重要的作用。此外，基于合金设计策略，原位复合材料的开发涉及直接在基体中合成增强相。因此，有必要对LMD过程中的合金化进行突破性研究，以开发各种先进的3D互连材料。

　　一般来说，增强相的形状决定了复合材料的分类为颗粒增强、纤维增强、层合或晶须增强。复合材料的多相特性为增强基体材料的性能提供了机会，但上述孤立的增强结构并不能克服基体与增强体之间的弱界面问题。金属间化合物增强铝基和镁基复合材料被归类为轻质金属间化合物复合材料，它们具有实现各种功能的潜力，如热交换，减振和弹道保护。然而，大多数已报道的轻质金属-金属间化合物复合材料已被开发为层合或颗粒增强，并且它们也存在分层问题。开发一类新型的轻质金属-金属间化合物复合材料将增强其功能性和实用性，并拓宽其潜在的应用。

　　图2 .通过LMD制备的( a ) Mg - Ti复合材料和多孔Ti的X射线 s制备的( b )复合材料的X射线衍射图谱。

　　图4 .复合材料的显微组织和硬度随Mg - 3Al熔体中浸泡时间的变化：( a ) Ti和Mg基体中的Al浓度，( b ) Ti和Mg基体的宽度，( c ) Mg基体的面积分数，( d )复合材料中心区域的维氏硬度。

　　图5 .通过几种基于LMD的方法制备Mg - Ti ( Al )复合材料及其表面和中心区域的SEM照片：( a )使用Mg - 3Al熔体的典型一步LMD制备的复合材料；( b )使用纯Mg和Mg - 3Al熔体的连续两步LMD制备的复合材料；( c ) LMD后的后续合金化过程制备的复合材料(提出的方法)。

　　图7 .随后合金化60 s和3600 s制备的复合材料的压缩应力-应变曲线和SEM断口形貌。

　　本研究提出了一种利用LMD和后续合金化技术制造金属-金属间复合材料的新方法。LMD过程产生三维互连的多孔Ti结构，然后将其浸入二元Mg - 3Al熔体中以促进Al合金化。熔体中3 wt % Al的夹杂导致快速渗入和均匀合金化过程。Al原子选择性地与Ti基体发生反应，导致连续的相转变(α-Ti→Ti3Al→TiAl )。令人惊讶的是，浸泡时间直接影响Ti基体面积分数的增加- -这是LMD过程中的一个非常规观察。值得注意的是，LMD和随后的合金化过程产生了三相复合材料( Mg-Ti3Al-Ti Al)，其硬度和压缩强度分别是使用传统LMD方法制备的初始Mg - Ti复合材料的1.8倍和1.3倍。此外，尽管存在脆性相，该复合材料仍表现出显著的抗断裂性能。因此，所提出的后续合金化工艺可为三维互连结构(如LMDed或3D打印材料)中的额外合金化提供有价值的指导，从而促进具有高体积分数增强体的韧性复合材料的发展。