01背景與意義

鎂合金和鋁合金作為密度最低的兩種工程用輕金屬各自有其優(yōu)缺點。鎂/鋁雙金屬是指將鋁合金和鎂合金使用焊接、軋制或鑄造等方法連接在一起，使其不同部位滿足不同的性能要求，將能夠實現(xiàn)鋁和鎂的優(yōu)勢互補，既能滿足綜合性能的要求，又可實現(xiàn)輕量化，在汽車、航空航天、武器裝備、管道運輸、數(shù)碼3C等領域具有重大應用前景。但是由于鋁和鎂在結合過程中面臨的一些問題造成鎂/鋁雙金屬的性能還有待于進一步提高，而鎂/鋁雙金屬的性能主要和鋁-鎂連接界面有關，因此，如何調(diào)控鎂/鋁雙金屬的界面是目前的研究重點和熱點。

最近，華中科技大學蔣文明教授課題組和大連理工大學李廣宇副教授等人綜述了復合鑄造鎂/鋁雙金屬的應用現(xiàn)狀、制備方法、存在的問題和界面強化方式，研究指出目前復合鑄造鎂/鋁雙金屬的強化方法主要包括消除氧化膜、添加中間層、合金化、施加外場、二次軋制、熱改性和熱處理等，并提出了幾種潛在的雙金屬強化方法，為鎂/鋁雙金屬的應用和發(fā)展方向提出了具體建議。

02圖文導讀

首先，本文總結了鎂/鋁雙金屬的制備方法及各自的優(yōu)缺點。根據(jù)制備前材料的狀態(tài)，鎂/鋁雙金屬的制備方法可分為固-固復合、固-液復合和液-液復合，每種方法各有優(yōu)缺點和適用領域，如表1所示。其中，復合鑄造是指利用鑄造技術，將液態(tài)金屬澆注在固態(tài)合金上或周圍，或同時澆注兩種液態(tài)金屬，實現(xiàn)鋁合金與鎂合金的結合，具體包括砂型鑄造、金屬型鑄造、嵌入模型鑄造、石墨型鑄造、連續(xù)鑄造、離心鑄造、壓鑄、消失模鑄造、真空滴注、固液鑄軋。

表1不同鎂/鋁雙金屬制備方法的優(yōu)缺點

無論采用何種方法制備鎂/鋁雙金屬都存在一些困難，具體如下：首先，由于鋁和鎂的物理性質(zhì)不同，界面容易產(chǎn)生應力集中和開裂，如圖1（a）所示；其次，界面層主要由鋁鎂金屬間化合物（Al12Mg17、Al3Mg2、Al30Mg23等）組成，這些鋁鎂金屬間化合物屬于脆硬相，抗塑性變形能力差，在外力作用下容易開裂，如圖1（b）所示。第三，合金表面有難以去除的氧化膜，這些氧化膜會降低潤濕性和殘留在界面處形成氧化物夾雜缺陷，如圖1（c）所示。

圖1鎂鋁雙金屬制備過程中的困難：（a）物理性質(zhì)差異；（b）脆硬的鋁鎂金屬間化合物；（c）氧化膜

由于上述的困難，鎂/鋁雙金屬的性能較低，這極大地影響了雙金屬的推廣和應用。雙金屬性能主要與界面微觀組織和性能有關，包括缺陷(夾雜、裂紋、氣孔等)、界面層厚度、相組成、界面層成分均勻性和晶粒尺寸、界面取向分布和應力分布、相的硬度和斷裂韌性，不同因素的影響權重如圖2所示。因此，有必要通過調(diào)節(jié)界面微觀組織和性能來實現(xiàn)雙金屬的強化。本文總結了鎂/鋁雙金屬界面調(diào)節(jié)和強化的方法，包括添加中間層、合金化處理、施加振動場等，如圖3所示。下面簡要介紹不同強化方法。

圖2影響雙金屬性能的不同因素的權重

圖3鎂/鋁雙金屬強化方法匯總

（1）消除氧化膜。目前主要通過“鋅酸鹽浸漬”和“電解拋光+陽極氧化”兩種方法消除或破碎氧化膜，從而減少氧化夾雜和增加界面潤濕性，如圖4是使用“電解拋光+陽極氧化”方法處理后鋁合金的表面形貌。

圖4鋁板經(jīng)“電解拋光+陽極氧化”處理后的表面SEM圖像：（a）純鋁；（b）、(c)：Al-0.08wt.%Ga合金

（2）添加中間層。一些涂層可以減少或消除鋁鎂金屬間化合物，并替代為低脆性相，從而提高雙金屬的強度。目前，在鎂/鋁雙金屬中使用的涂層如表2所示。

表2用于鎂鋁雙金屬中的不同種類中間層

（3）合金化。合金化是通過調(diào)整基體合金的元素類型或含量來改善界面組織和性能的方法。目前，用于復合鑄造合金化研究的元素可分為兩大類：一類是Si元素，另一種是稀土合金，包括La、Ce、Nd、Y和Gd，如表3所示。

表3復合鑄造鎂/鋁雙金屬中使用到的合金化元素

（4）施加外場。許多研究表明，在金屬凝固過程中施加外場可以細化晶粒，減少偏析等效應，在鎂/鋁雙金屬的凝固過程中施加振動可以達到同樣的效果，以增強雙金屬的性能。目前在復合鑄造鎂/鋁雙金屬領域施加的外場主要有機械振動場和超聲場，二者均可以細化和均勻化界面中的Mg2Si強化相，從而提高雙金屬的性能。

（5）其他方法：除了上面幾種主要的強化和廣泛被研究的方法，還有一些其他強化方法，包括二次軋制、基體熱改性、雙金屬熱處理、基體表面構建三維形貌等，這些方法都具有一定的強化效果。

復合鑄造鎂/鋁雙金屬在不同工藝和強化方法下的剪切強度如表4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，采用等離子噴涂Ni涂層的方法制備的鎂/鋁雙金屬剪切強度最高，為69.8MPa，而添加Zn中間層后，雙金屬的剪切強度增幅最大，達到747.3%。

表4不同強化方法下雙金屬剪切強度提升比例

03結論與展望

鎂/鋁雙金屬作為一種綜合性能優(yōu)異、有利于進一步實現(xiàn)輕量化的新材料，其發(fā)展歷史較短，因此還有待于進一步開展深入的研究。一方面，鎂/鋁雙金屬的結合機理還有待于進一步研究，例如可以使用同步輻射技術、原位TEM或SEM、分子動力學和第一性原理等先進分析檢測技術和材料模擬計算方法原位、可視化觀察界面結合過程。另一方面，雙金屬的性能是決定其應用的關鍵，因此需要開發(fā)一些新的有利于操作、低成本強化方法，例如新的去氧化膜方法（氟鋁酸銫）、新的中間層（稀土涂層、Ni-Cr復合涂層、Li涂層、Mg-Cu-Y非晶/納米晶復合涂層等）和合金化元素（Li、Er、Sc、Sr等）、施加外場（超聲場、電磁場、重力場、輻射場等）等。最后，鎂/鋁雙金屬的應用仍然有限，有必要開發(fā)更多鎂/鋁雙金屬的應用場景和具體零部件，例如適用于新能源汽車、無人機、探月車、戰(zhàn)斗機、衛(wèi)星等的輕量化、高性能零部件。

該文章發(fā)表在《JournalofMagnesiumandAlloys》2023年第11卷第9期：

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鎂/鋁雙金屬結合了鋁和鎂的優(yōu)點，在汽車、航空航天、武器、數(shù)碼產(chǎn)品等領域具有廣泛的應用前景。復合鑄造具有成本低、容易實現(xiàn)冶金結合、適合制備復雜鎂/鋁雙金屬零件等特點。然而，由于鋁和鎂物理性能的差異、金屬表面氧化膜以及界面處脆硬鋁鎂金屬間化合物的存在，導致雙金屬接頭強度較低，這與界面微觀結構和性能密切相關。因此，如何調(diào)控和強化雙金屬的界面以實現(xiàn)性能提升是該領域的研究焦點和難點。本文綜述了復合鑄造鎂/鋁雙金屬的強化方法：（1）對鋁合金表面進行“鋅酸鹽浸漬”和“電解拋光+陽極氧化”處理，以去除和破壞氧化膜，提高鋁和鎂之間的潤濕性；（2）通過添加中間層（Zn、Ni和Ni-Cu）來減少或消除不利的鋁鎂金屬間化合物；（3）通過向鋁合金或鎂合金中添加硅元素或稀土元素，調(diào)控界面微觀組織的演化過程，形成細小的強化相；（4）在金屬液充型和凝固過程中采用機械振動和超聲振動來細化和均勻化界面組織；（5）采用二次軋制、熱處理、熱改性、嵌體表面構建三維結構等其他方法來調(diào)控界面微觀組織和成分。上述強化方法可以單獨使用或組合使用以實現(xiàn)雙金屬強化。其中，通過在鋁合金表面等離子噴涂Ni涂層的方法制備的鎂/鋁雙金屬剪切強度最高，為69.8MPa。最后，本文對鎂/鋁雙金屬的未來發(fā)展方向進行了展望，為鎂/鋁雙金屬的發(fā)展和應用提供了一些新的思路。

07

Mg/Albimetalcombinestheadvantagesofbothaluminumandmagnesiumandhasbroadapplicationprospectsinautomotive,aerospace,weapons,digitalproductsandsoon.Thecompoundcastinghasthecharacteristicsoflowcost,easytoachievemetallurgicalcombinationandsuitableforthepreparationofcomplexbimetallicparts.However,bimetallicjointstrengthislowduetodifferencesofphysicalpropertiesbetweenAlandMg,oxidefilmonmetallicsurfaceandinterfacialAl-MgIMCs,whichiscloselyrelatedtotheinterfacialmicrostructureandproperties.Therefore,howtocontroltheinterfaceofthebimetaltoachieveperformanceenhancementisthefocusanddifficultyinthisfield.Atpresent,therearemainlythefollowingstrengtheningmethods.First,the“zincategalvanizing”and“electrolyticpolishing+anodicoxidation”technologywereexertonthesurfaceofAlalloytoremoveandbreaktheoxidefilm,whichimprovedthewettabilitybetweenAlandMg.Second,theundesirableAl-MgIMCswerereduceoreliminationbyaddingtheinterlayers(Zn,NiandNi-Cu).Thirdly,theevolutionprocessofinterfacialmicrostructurewaschangedandfinestrengtheningphaseswereformedbyaddingSielementtoAlalloyorrareearthelementtoMgalloy.Fourthly,mechanicalvibrationandultrasonicvibrationwereappliedintheprocessofthefillingandsolidificationtorefineandhomogenizetheinterfacialstructure.Finally,someothermethods,includingsecondaryrolling,thermalmodification,heattreatmentandconstructingexterior3Dmorphology,alsocanbeusedtoregulatetheinterfacialmicrostructureandcompositions.Theabovestrengtheningmethodscanbeusedaloneorincombinationtoachievebimetallicstrengthening.Finally,thefuturedevelopmentdirectionoftheMg/Albimetalisprospected,whichprovidessomenewideasforthedevelopmentandapplicationoftheMg/Albimetal.

第一作者/通訊作者簡介：

蔣文明（通訊作者），華中科技大學教授，博士生導師，材料成型及控制工程專業(yè)教研室主任，入選全球前2%頂尖科學家榜單，曾獲國家級、省部級科研教學成果獎2項、全國鑄造行業(yè)最美科技工作者、江蘇省科技創(chuàng)新（雙創(chuàng)）人才等。擔任中國材料研究學會鎂合金分會理事、中國機械工程學會鑄造分會理事、中國消失模鑄造技術委員會常務副秘書長、中國半固態(tài)加工學術委員會委員等。主持國家自然科學基金3項（面上、青年）、國防基礎科研計劃項目、國防973項目子課題、國家重點研發(fā)計劃項目子課題等科研項目20余項。發(fā)表SCI論文100余篇，ESI熱點/高被引論文5篇，出版專著1部，編寫著作/教材6部。申請/授權發(fā)明專利30余項。擔任《Materials》、《ChinaFoundry》、《鑄造》、《中國鑄造裝備與技術》等期刊編委，《JournalofMagnesiumandAlloys》、《JournalofMaterialsScience&Technology》、《AdvancedPowderMaterials》、《RareMetals》、《中國有色金屬學報》中英文版等期刊青年編委。

李廣宇（第一作者），大連理工大學材料科學與工程學院，副教授，博士生導師。主要研究方向為輕金屬的強化、雙金屬的界面調(diào)控、增材制造、數(shù)字化成型等。發(fā)表學術論文50余篇，ESI熱點/高被引論文4篇，被引600余次，H指數(shù)14，授權發(fā)明專利10余項。主持國家自然科學基金青年基金和中國博士后基金，并作為骨干參與國家自然科學基金、國家基礎加強計劃、開放課題、校企合作等項目10余項。