摘要
镁基复合材料作为一种性能优异的轻金属基复合材料，能够结合基体合金与增强体各自的性能优点，展现出高比强度和高比模量等一系列优异性能，在汽车、航空航天、国防军工等领域具有广泛的应用前景和市场价值。常见的镁基复合材料常选择SiC、TiC、Al2O3等陶瓷硬质颗粒作为增强体，但由于陶瓷颗粒与镁基体间界面结合差，虽然可以提升复合材料的强度和刚度，但却伴随着塑性的大幅度下降，无法满足在大多数领域中的应用。钛合金Ti-6Al-4V(TC4)颗粒具有强度高、变形性强、弹性模量高、与镁熔液润湿性好并且不发生化学反应等优点，有望实现复合材料强度、刚度和塑性同步提升。因此，开展对TC4颗粒增强镁基复合材料的研发，获得综合力学性能优异的镁基复合材料，对新型异质金属颗粒增强镁基复合材料的发展具有重大意义。 在本文工作中，采用超声波辅助半固态机械搅拌的搅拌工艺制备了不同体积分数的TC4颗粒增强AZ91镁基复合材料。研究了半固态机械搅拌温度、搅拌速率、超声温度、超声时间等参数对TC4p/AZ91镁基复合材料铸态显微组织和力学性能的影响；研究了热处理工艺对TC4p/AZ91镁基复合材料显微组织和力学性能的影响；研究了热挤压变形对TC4p/AZ91镁基复合材料的组织、力学性能的影响，分析了TC4颗粒与AZ91基体的界面结合，揭示了TC4颗粒增强AZ91镁基复合材料的强韧化机理。本文的研究结论如下： (1) 通过设置对照试验，得到最佳工艺方式和工艺参数，制备了不同体积分数的TC4p/AZ91镁基复合材料。结果表明，相比传统机械搅拌和机械搅拌加高速剪切搅拌，采用超声分散结合机械搅拌工艺可以减少团簇现象，使TC4颗粒在基体中均匀分布，同时也有效避免了夹杂、孔洞等铸造缺陷的产生。对于铸态TC4p/AZ91镁基复合材料而言，TC4 颗粒的加入提高了复合材料综合力学性能。其中，4 vol.%.TC4p/AZ91镁基复合材料综合力学性能最佳，其屈服强度和抗拉强度达到了136 MPa和216 MPa，断裂延伸率为4.8%，较AZ91基体分别提高了40.0%、33.8%和60.0%。 (2) 对TC4p/AZ91镁基复合材料进行固溶处理和时效处理。经过固溶处理后，复合材料中的 Mg17Al12相几乎全部融入基体中，没有其他杂质相生成。对其进行时效峰值测试，AZ91基体和复合材料分别在16 h和32 h达到峰值，分析表明， TC4 颗粒的引入不仅会钉扎晶界使得晶粒细化，同时也会促使Mg17Al12相的析出更加弥散。经过时效处理后，复合材料的屈服强度和抗拉强度得到进一步提高，相较于AZ91基体分别提高了31.8%和25.9%。 (3) 将均匀化处理后的TC4p/AZ91镁基复合材料进行热挤压变形。结果显示， TC4颗粒与镁基体具有良好的界面结合，在界面处形成纳米级AlTi相和Al3Ti扩散层，并且观察到TC4颗粒周围的镁基体有lt;c+agt;位错滑移的启动，有利于复合材料塑性的提升。随着TC4颗粒含量的增加，晶粒尺寸发生显著的细化，平均晶粒尺寸从 12.8 μm 降至 5.8 μm ，提高了复合材料的综合力学性能。其中， 4 vol.%TC4p/AZ91镁基复合材料综合力学性能最佳，其屈服强度和抗拉强度达到了257 MPa 和 370 MPa，断裂延伸率为 18.7%，较 AZ91 基体分别提高了 21.2%， 18.2%，16.1%，实现了强度和塑性的同步提升。
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