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(diǎn)。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?qū)崿F(xiàn)鋁和鎂的優(yōu)勢互補(bǔ)，既能滿足綜合性能的要求，又可實(shí)現(xiàn)輕量化，在汽車、航空航天、武器裝備、管道運(yùn)輸、數(shù)碼3C等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用前景。但是由于鋁和鎂在結(jié)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(jìn)一步提高，而鎂/鋁雙金屬的性能主要和鋁-鎂連接界面有關(guān)，因此，如何調(diào)控鎂/鋁雙金屬的界面是目前的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

最近，華中科技大學(xué)蔣文明教授課題組和大連理工大學(xué)李廣宇副教授等人綜述了復(fù)合鑄造鎂/鋁雙金屬的應(yīng)用現(xiàn)狀、制備方法、存在的問題和界面強(qiáng)化方式，研究指出目前復(fù)合鑄造鎂/鋁雙金屬的強(qiáng)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(qiáng)化方法，為鎂/鋁雙金屬的應(yīng)用和發(fā)展方向提出了具體建議。

02圖文導(dǎo)讀

首先，本文總結(jié)了鎂/鋁雙金屬的制備方法及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。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(fù)合、固-液復(fù)合和液-液復(fù)合，每種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)和適用領(lǐng)域，如表1所示。其中，復(fù)合鑄造是指利用鑄造技術(shù)，將液態(tài)金屬澆注在固態(tài)合金上或周圍，或同時(shí)澆注兩種液態(tài)金屬，實(shí)現(xiàn)鋁合金與鎂合金的結(jié)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(diǎn)

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(yīng)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(huì)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(yīng)用。雙金屬性能主要與界面微觀組織和性能有關(guān)，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(yīng)力分布、相的硬度和斷裂韌性，不同因素的影響權(quán)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(shí)現(xiàn)雙金屬的強(qiáng)化。本文總結(jié)了鎂/鋁雙金屬界面調(diào)節(jié)和強(qiáng)化的方法，包括添加中間層、合金化處理、施加振動(dòng)場等，如圖3所示。下面簡要介紹不同強(qiáng)化方法。

圖2影響雙金屬性能的不同因素的權(quán)重

圖3鎂/鋁雙金屬強(qiáng)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(qiáng)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(fù)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(fù)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(xì)化晶粒，減少偏析等效應(yīng)，在鎂/鋁雙金屬的凝固過程中施加振動(dòng)可以達(dá)到同樣的效果，以增強(qiáng)雙金屬的性能。目前在復(fù)合鑄造鎂/鋁雙金屬領(lǐng)域施加的外場主要有機(jī)械振動(dòng)場和超聲場，二者均可以細(xì)化和均勻化界面中的Mg2Si強(qiáng)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(qiáng)化和廣泛被研究的方法，還有一些其他強(qiáng)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(gòu)建三維形貌等，這些方法都具有一定的強(qiáng)化效果。

復(fù)合鑄造鎂/鋁雙金屬在不同工藝和強(qiáng)化方法下的剪切強(qiáng)度如表4所示。可以發(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(qiáng)度最高，為69.8MPa，而添加Zn中間層后，雙金屬的剪切強(qiáng)度增幅最大，達(dá)到747.3%。

表4不同強(qiáng)化方法下雙金屬剪切強(qiáng)度提升比例

03結(jié)論與展望

鎂/鋁雙金屬作為一種綜合性能優(yōu)異、有利于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輕量化的新材料，其發(fā)展歷史較短，因此還有待于進(jìn)一步開展深入的研究。一方面，鎂/鋁雙金屬的結(jié)合機(jī)理還有待于進(jìn)一步研究，例如可以使用同步輻射技術(shù)、原位TEM或SEM、分子動(dòng)力學(xué)和第一性原理等先進(jìn)分析檢測技術(shù)和材料模擬計(jì)算方法原位、可視化觀察界面結(jié)合過程。另一方面，雙金屬的性能是決定其應(yīng)用的關(guān)鍵，因此需要開發(fā)一些新的有利于操作、低成本強(qiáng)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(fù)合涂層、Li涂層、Mg-Cu-Y非晶/納米晶復(fù)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(yīng)用仍然有限，有必要開發(fā)更多鎂/鋁雙金屬的應(yīng)用場景和具體零部件，例如適用于新能源汽車、無人機(jī)、探月車、戰(zhàn)斗機(jī)、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(jié)合了鋁和鎂的優(yōu)點(diǎn)，在汽車、航空航天、武器、數(shù)碼產(chǎn)品等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。復(fù)合鑄造具有成本低、容易實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合、適合制備復(fù)雜鎂/鋁雙金屬零件等特點(diǎn)。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(dǎo)致雙金屬接頭強(qiáng)度較低，這與界面微觀結(jié)構(gòu)和性能密切相關(guān)。因此，如何調(diào)控和強(qiáng)化雙金屬的界面以實(shí)現(xiàn)性能提升是該領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)和難點(diǎn)。本文綜述了復(fù)合鑄造鎂/鋁雙金屬的強(qiáng)化方法：（1）對鋁合金表面進(jìn)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(xì)小的強(qiáng)化相；（4）在金屬液充型和凝固過程中采用機(jī)械振動(dòng)和超聲振動(dòng)來細(xì)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(gòu)建三維結(jié)構(gòu)等其他方法來調(diào)控界面微觀組織和成分。上述強(qiáng)化方法可以單獨(dú)使用或組合使用以實(shí)現(xiàn)雙金屬強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)行了展望，為鎂/鋁雙金屬的發(fā)展和應(yīng)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(xué)教授，博士生導(dǎo)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(xué)家榜單，曾獲國家級、省部級科研教學(xué)成果獎(jiǎng)2項(xiàng)、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(dān)任中國材料研究學(xué)會(huì)鎂合金分會(huì)理事、中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造分會(huì)理事、中國消失模鑄造技術(shù)委員會(huì)常務(wù)副秘書長、中國半固態(tài)加工學(xué)術(shù)委員會(huì)委員等。主持國家自然科學(xué)基金3項(xiàng)（面上、青年）、國防基礎(chǔ)科研計(jì)劃項(xiàng)目、國防973項(xiàng)目子課題、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目子課題等科研項(xiàng)目20余項(xiàng)。發(fā)表SCI論文100余篇，ESI熱點(diǎn)/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(quán)發(fā)明專利30余項(xiàng)。擔(dān)任《Materials》、《ChinaFoundry》、《鑄造》、《中國鑄造裝備與技術(shù)》等期刊編委，《JournalofMagnesiumandAlloys》、《JournalofMaterialsScience&Technology》、《AdvancedPowderMaterials》、《RareMetals》、《中國有色金屬學(xué)報(bào)》中英文版等期刊青年編委。

李廣宇（第一作者），大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，副教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)檩p金屬的強(qiáng)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(xué)術(shù)論文50余篇，ESI熱點(diǎn)/高被引論文4篇，被引600余次，H指數(shù)14，授權(quán)發(fā)明專利10余項(xiàng)。主持國家自然科學(xué)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(xué)基金、國家基礎(chǔ)加強(qiáng)計(jì)劃、開放課題、校企合作等項(xiàng)目10余項(xiàng)。