● 摘要
超轻镁锂基合金及其复合材料具有低比重、高比强度和比模量等特性，其开发和应用研究已引起国内外的广泛关注。设计开发新型超细颗粒（0.1~3µm）增强镁锂基复合材料，突破原有强化模式，对复合材料性能提升具有重要意义。本文提出了先复合球磨改性超细金属间化合物颗粒增强体，再通过搅拌铸造制备超细颗粒增强镁锂基复合材料的新方法，改善了超细增强体颗粒的表面状态，解决了超细颗粒增强金属基复合材料中的团聚问题，制备出新型超轻高比强超细YAl2颗粒增强Mg-Li-Al基复合材料。从颗粒增强Mg-Li-Al基复合材料的颗粒/基体界面表征入手，揭示了过渡型界面层及过渡性质对颗粒增强Mg-Li-Al基复合材料失效及力学性能的影响规律及作用机制；最后研究了塑性变形方式、颗粒增强体及基体状态对颗粒增强Mg-Li-Al基复合材料变形行为的影响规律。
在复合材料制备方面，从超细YAl2颗粒的制备入手，研究了不同的球磨方式及工艺参量对超细YAl2颗粒细化行为的影响规律和细化机制；进而通过复合球磨实现了对超细YAl2颗粒的预分散和表面改性，研究了复合球磨工艺参量对YAl2颗粒表面改性行为的影响规律和表面改性机制；在此基础上，设计开发了包括机械搅拌及气体保护系统的超细颗粒增强镁锂基复合材料的专用熔炼设备，形成了超细颗粒增强镁锂基复合材料的制备技术。结果表明，采用行星式球磨和砂磨相结合的方法可以制备出平均粒径约为0.22μm的超细YAl2粉体；通过YAl2-Mg复合球磨法能够实现对YAl2颗粒的预分散和表面改性；在氩气保护下将YAl2-Mg复合粉末预压块加入熔体，在机械搅拌辅助下有效的克服了超细颗粒的团聚问题，制备出组织均匀的超细金属间化合物颗粒增强镁锂基复合材料。
在复合材料表征方面，从超细YAl2颗粒增强Mg-Li-Al基复合材料组织与性能的表征入手，采用综合考虑各强化机制的计算模型，研究了复合材料的屈服强度和各强化机制对其的贡献随颗粒尺寸以及体积分数的变化规律，通过模型预测了YAl2颗粒对复合材料的晶粒细化作用，探讨了超细增强体颗粒表面状态、尺寸及分布对复合材料显微组织的影响规律。结果表明，YAl2p(0.1~3μm)/Mg-Li-Al复合材料主要由β相和YAl2增强体组成，具有良好的可轧性；超细YAl2颗粒在基体中均匀分布，与基体间界面结合状态良好。挤压态5Vol%YAl2p(0.1~3µm)/Mg-Li-Al复合材料的抗拉强度和弹性模量分别达到225MPa和80GPa，比基体合金分别提高了84%和135%，且延伸率维持在7%左右。
在颗粒/基体界面研究方面，通过纳米压痕仪和扫描电镜手段相结合对YAl2金属间化合物颗粒增强Mg-Li-Al基复合材料的过渡型界面层进行了表征，探讨了过渡型界面层的形成机制；研究了增强体类型对颗粒增强Mg-Li-Al基复合材料的颗粒/基体界面、失效及力学性能的影响规律；通过引入包含过渡型界面层的单胞模型，探讨了过渡型界面层存在及过渡性质对颗粒增强Mg-Li-Al基复合材料失效和力学性能的影响机制。结果表明，YAl2金属间化合物颗粒和Mg-Li-Al合金基体间存在由原子扩散主导且具有一定厚度的过渡型界面层，界面层的硬度及模量介于增强体和基体之间，热处理能够使界面层变宽且性质过渡更为缓和。过渡型界面层的存在和缓和的过渡性质能够减缓复合材料内部，尤其是界面处的应力应变集中，提高复合材料的载荷承受能力和塑性。
在复合材料变形行为方面，以轧制、等通道挤压和高压扭转为变形手段，研究了不同塑性变形方式对复合材料组织与性能的影响规律，探讨了超细颗粒存在、增强体类型和基体状态对颗粒增强Mg-Li-Al基复合材料变形行为的影响。结果表明，塑性变形可促进Mg-Li-Al基复合材料基体中α相回溶和细化，在变形过程中表现出软化特性，并具有更好的塑性变形能力。室温高压扭转时超细YAl2颗粒能够抑制YAl2p/Mg-Li-Al复合材料基体内位错的迁移，促进复合材料的形变强化，变形后复合材料的强度和塑性同时提升，其中抗拉强度提升18%，延伸率从7%提升至30%。