声磁耦合场下镁基复合材料微纳米增强颗粒分散行为及控制

The break of micro- and nano-particle clusters and control of particle dispersion are the key scientific issues which determine the applications promising of particle reinforced magnesium matrix composites. In this study, based on experimental results that the ultrasound can break particle clusters and the electromagnetic field controls the solidification process effectively, the new idea is proposed which multi-physical coupling field breaks particle clusters and controls the distribution of particles. Particle-reinforced magnesium matrix composites will be prepared by self-propagating high-temperature synthesis (SHS) reaction in molten magnesium, and we will research on particle distribution under multi-physical coupling field, explore and establish the processing of multi-physical coupling field breaking particle clusters in the melt, clarify the coordination mechanism of the electromagnetic field and ultrasonic field controlling the melt flow and breaking particle clusters effectively, analysis characteristics and laws of particle redistribution in the composite solidification process and the interaction law between solidification front and reinforcing particles, reveal the role of multi-physical coupling field during the solidification process and the control mechanism of particle distribution. The research results will provide the new methods and theoretical basis for controlling the distribution of particles in the metal matrix composites.

微纳米颗粒团簇的破解和颗粒的分散控制是决定颗粒增强镁基复合材料应用前途的关键科学问题，本研究基于实验中发现的超声可破解颗粒团簇和电磁场有效控制凝固进程的现象，提出利用声磁耦合场破解颗粒团簇并控制其分布的新思路。采用熔体自蔓延法制备颗粒增强镁基复合材料，研究声磁耦合场下增强颗粒的分布；探索建立声磁耦合场高效破解复合材料熔体内增强颗粒团簇所需工艺，阐明电磁场、超声场在控制熔体流动与高效破解颗粒团簇中的协调机制；分析声磁耦合场下复合材料凝固过程中颗粒再分布的特征和规律以及凝固前沿与增强颗粒间的作用规律，揭示凝固过程中声磁耦合场的作用及颗粒分散控制机制。研究结果将为控制金属基复合材料中增强颗粒的分布提供新方法和理论依据。

本项目围绕镁基复合材料中增强颗粒的分布控制问题，从物理外场控制、增强相凝固析出行为以及机械合金化工艺入手，重点探索了声磁耦合场的颗粒团簇破解行为、增强相晶粒层面的分布控制以及颗粒团簇的球磨分散行为。.在水模拟、复合材料熔铸实验研究和理论分析的基础上，掌握了超声场分布、破解能力以及声磁耦合场下金属熔体流动的一般规律。通过磁场类型的优化，明确了实现声磁耦合场高效破解复合材料熔体内增强颗粒团簇所需的工艺条件和参数，并建立了工艺参数与增强颗粒分布规律之间的关系。揭示了声磁耦合场的作用及颗粒分散控制机制，解决了超声破解作用区域小的技术难题，实现了增强颗粒的破解和均质化分布，并同时提升了镁基复合材料强度和塑性。为金属基复合材料增强相的工业化分散技术提供了新方案。在此基础上，改善了镁基复合材料的变形行为，并弱化了变形织构。另外，通过稀土合金化“中和”自蔓延体系产物中残余Al，拓展了Al-Ti-X自蔓延体系在无铝镁合金中的应用。.提出了“双向动态再结晶”优化变形织构的理念。基于晶粒层面硬质相分布设计，实现晶内-晶界双向再结晶高效诱发，进而高效弱化镁基体变形织构，大幅提升了镁基复合材料的成形性能。首次实现了Mg-RE合金高品质轧制。.借助纳米粉体的高表面活性，通过机械合金化实现了原位纳米增强颗粒的原位高效合成、分布控制与高密度引入。制备出高强性能优异兼备良好塑性（>400MPa、>10%）的纯镁基体复合材料。.执行过程中，严格按照项目计划书开展研究并已全部完成。截止到2017年12月，本项研究获授权发明专利7项。已发表学术期刊论文14篇，期刊录用论文1篇，学术会议论文3篇，其中，SCI刊源文章12篇，EI刊源14篇。.本项目的研究结果发展和拓宽了复合材料中增强颗粒分布的可控制备技术，并为高性能颗粒增强金属基复合材料的设计和制备提供可借鉴的思路和手段。圆满完成项目预定的各项内容和研究目标。