《Materials Today Communications》：Interfacial bonding and strengthening mechanism of Al-modified Ti particles reinforced VW94M magnesium matrix composites
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镁基复合材料通过纳米Al修饰Ti颗粒引入，形成Ti3Al扩散层增强界面冶金结合，促进Zr-rich纳米晶和稀土富集相析出，实现强度（319MPa）与延展性（11%）同步提升。
盛茂|张春|李新涛|张晓辉|冯波|周荣晓|郑凯红|潘福生
湖北汽车工业技术学院汽车材料学院，中国十堰市车城西路167号，442002
摘要
调控颗粒增强镁基复合材料（MMCs）的机械性能面临的关键挑战在于其固有的强度-延展性 trade-off，这严重限制了其工程应用。本研究提出了一种新方法，通过引入纳米铝改性的钛颗粒（Al@Ti）来增强VW94M合金的性能。微观结构分析表明，Al@Ti颗粒在原位反应形成了Ti?Al金属间化合物，显著提高了界面通过冶金结合的强度。更重要的是，界面处的Ti?Al扩散层促进了富锆纳米晶体的析出。此外，Al@Ti颗粒的引入还有助于在VW94M合金中形成富稀土相，从而提升了复合材料的高温性能。含有5.0 wt.% Al@Ti/VW94M的复合材料在强度和延展性方面均得到了显著提升，其屈服强度达到319 MPa，抗拉强度达到388 MPa，伸长率为11%，弹性模量为47 GPa。这些数值分别比未增强的VW94M合金提高了29%、15%、24%和6%。
引言
镁（Mg）合金由于其轻质、优异的比强度和刚度、出色的振动阻尼性能以及强大的电磁屏蔽性能，已成为重要的轻质材料[1]、[2]、[3]。这些显著的优势使其在航空航天、新能源、电子产品等领域得到了广泛应用[4]、[5]、[6]。然而，镁合金的工业化进程受到其塑性变形能力不足、弹性模量低以及环境敏感性强的严重制约[7]、[8]。为了解决这些性能瓶颈，当前的研究主要集中在两种技术途径上：合金改性[9]、[10]和颗粒增强复合材料设计[11]。其中，颗粒增强金属基复合材料由于具有优异的加工性能、成本效益高和可设计的性能特性，已成为现代工业中不可或缺的材料。传统的陶瓷增强颗粒如SiC[12]、Al?O?[13]和AlN[14]可以显著提高复合材料的强度；然而，它们自身的脆性通常会导致复合材料的韧性指标（如断裂韧性KIC）降低超过30%[15]、[16]。为了实现强度和塑性的最佳平衡，研究采用了Cu、Ti和Ni颗粒[17]、[18]、[19]作为新的增强颗粒。其中，Ti颗粒由于其低密度、高熔点以及与Mg相似的六方密排（HCP）晶体结构，有望提高复合材料的延展性并改善其与Mg基体的相容性。
Mg-RE合金作为轻质结构材料的关键研发目标，在航空航天、航空、交通等领域展示了优异的机械强度和结构稳定性[20]。将增强颗粒引入Mg-RE合金被认为是进一步提高其机械性能的有效方法。Pu等人[21]制备了TiP/VW94复合材料，与VW94合金相比，这些复合材料的抗拉强度从339 MPa提高到了367 MPa，但伸长率降低了17%。这种性能下降是由于增强相与基体相之间的界面结合强度不足，阻碍了应力传递。在复合材料系统中，界面是一个关键区域，其结合质量直接决定了材料的整体性能[22]、[23]。伸长率降低的主要原因是Ti和Mg之间的溶解速率低，以及缺乏冶金结合[24]。其次，Ti颗粒与VW94基体之间没有形成连贯的界面[25]，这阻碍了致密界面的形成。这种弱的界面结合强度导致Ti颗粒在拉伸载荷下容易从基体上脱落，从而导致材料断裂和失效，从而限制了其应用。
研究发现，Ti颗粒在高温熔化过程中可以与AZ系列镁合金中的Al元素原位反应，形成Al?Ti和Ti?Al等金属间化合物层[26]、[27]，从而促进Ti颗粒与AZ系列合金的结合。为了解决颗粒增强VW94M合金中强度提高但塑性降低的问题，并改善VW94M基体与Ti颗粒的结合，本研究采用了电爆炸方法[28]将纳米铝沉积在Ti颗粒上。所得到的铝改性钛颗粒（Al@Ti）被用作增强颗粒，通过真空搅拌铸造结合热挤压工艺制备了Al@TiP/VW94M复合材料。系统研究了Al@Ti颗粒对VW94M合金的微观结构、界面结合和机械性能的影响，并通过微观表征揭示了界面优化机制。
Al@TiP/VW94M复合材料的制备
本研究选用了商业化的镁稀土合金VW94M（成分：Mg-9Gd-4Y-1Zn-0.5Zr（重量百分比））。采用电爆炸沉积技术对Ti颗粒表面进行了改性。所使用的Ti颗粒尺寸范围为1-20 μm。铝丝通过电爆炸分解成纳米铝颗粒，随后沉积在微米级Ti颗粒表面，再在Ti颗粒上合成2.0 wt%的铝纳米颗粒，得到铝改性的Ti颗粒（Al@Ti）。
微观结构和相组成
图5(a)显示了电爆炸沉积处理后Al@Ti颗粒的XRD图谱。谱图主要由Ti相的三个主要峰组成，Al相的特征峰位于44.73°、65.13°和78.22°。根据XRD分析结果，该图谱与标准PDF卡片数据完全一致。在检测范围内未发现Ti和Al之间金属间化合物的特征散射峰，证实了
LPSO相和富稀土相
如图6所示，复合材料的相组成包括块状LPSO、层状LPSO、富稀土相、Ti颗粒和Al@Ti颗粒。Ti颗粒的加入显著增加了富稀土相的含量，这一现象由多种机制驱动。首先，VW94M基体相对于Ti颗粒具有更好的导热能力，导致颗粒-基体界面附近形成局部温度梯度，延长了固化时间
结论
本研究提出了一种在Ti颗粒表面修饰纳米铝的方法，并通过原位构建连贯界面来增强Ti颗粒与VW94M基体之间的结合。主要研究结果如下：
(a) 使用Al@Ti颗粒制备的Al@TiP/VW94M复合材料表现出最显著的晶粒细化效果，Al@Ti颗粒的加入促进了纳米晶Zr和富稀土相的形成，进一步提高了材料的熱穩定性
CRediT作者贡献声明
盛茂：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。 冯波：验证。 周荣晓：软件处理。 郑凯红：项目管理。 潘福生：资金获取。 张晓辉：监督。 张春：概念构思。 李新涛：数据分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
中国国家重点研发计划（2022YFB3708400）；广东省基础与应用基础研究重大项目（2020B0301030006）；广东省科技发展计划（2020GDASYL-20200101001）。
