超细钒颗粒与晶粒双峰分布协同强韧化镁基复合材料的可控制备及其力学行为研究

Magnesium matrix composites are ideal materials for realizing lightweight of high-end equipment, but the poor comprehensive mechanical properties limit their application and promotion in the field of high-end equipment. Hence, development of new lightweight and high-performance magnesium matrix composites has been a hot issue for scholars at home and abroad. In this project, a kind of ultrafine vanadium particles reinforced AZ31 magnesium matrix composites (Vp/AZ31 composites) with the matrix structure of submicron-micron bimodal grain size distributions is prepared by powder metallurgy process. By giving full play to the strengthened and toughened advantages of each component and its synergistic coupling effect, the "strong combination" between reinforced particles and bimodal matrix structure will be realized, thus giving good comprehensive mechanical properties of bimodal-grained structure Vp/AZ31 composites. Meanwhile, the effects of preparation parameters on the microstructure of Vp/AZ31 composites will be systematically studied, while the evolution law and regulation mechanism of the microstructure during preparation process will be revealed. Then, the controllable preparation of bimodal-grained structure Vp/AZ31 composites will be realized. In addition, the inherent relation between macro-mechanical behavior and microstructure of bimodal-grained structure Vp/AZ31 composites will be established, and the synergistic strengthening and toughening mechanism of ultrafine vanadium particles and bimodal grain size distributions for magnesium matrix composites will be clarified, so as to provide theoretical guidance for its engineering application in the field of high-end equipment.

镁基复合材料是实现高端装备轻量化的理想材料，但较差的综合力学性能限制了其在高端装备领域中的应用推广，研发新型轻质高性能镁基复合材料一直是国内外学者研究的热点。本项目拟采用粉末冶金的工艺方法，制备一种具有亚微米晶-微米晶双峰分布基体结构的超细钒颗粒增强AZ31镁基复合材料(Vp/AZ31复合材料)，通过充分发挥各组元的强韧化优势及其协同耦合效应，实现颗粒增强体与双峰基体组织的“强强联手”，从而赋予双峰结构Vp/AZ31复合材料良好的综合力学性能。同时，系统研究各制备工艺参数对Vp/AZ31复合材料微观组织的影响，揭示材料制备过程中的微观组织演化规律及其调控机理，实现双峰结构Vp/AZ31复合材料的可控制备。此外，建立双峰结构Vp/AZ31复合材料的宏观力学行为与其微观组织间的内在联系，阐明超细钒颗粒与晶粒双峰分布对镁基复合材料的协同强韧化机理，从而为其在高端装备领域的工程化应用提供理论指导。

镁合金作为目前工业应用中最轻的金属结构材料，具有比强度和比刚度高、二次利用性能优异等诸多优点，是实现高端装备轻量化的理想材料，但严重的强塑性倒置限制了它的应用推广，因此，研发新型高强耐热镁基复合材料已经成为推动镁合金材料向高端装备领域发展所亟待解决的问题。.本项目采用粉末冶金的工艺方法，制备了具有亚微米晶-微米晶双峰分布基体结构的超细钒颗粒增强AZ31镁基复合材料(Vp/AZ31复合材料)，通过充分发挥各组元的强韧化优势及其协同耦合效应，实现了颗粒增强体与双峰基体组织的“强强联手”，赋予双峰结构Vp/AZ31复合材料良好的综合力学性能，主要完成了以下工作：（1）研究了机械球磨过程中，各工艺参数对双峰结构Vp/AZ31复合粉末微观组织的影响，揭示了材料制备过程中的微观组织演化规律及其调控机理，确定了最佳球磨工艺参数，实现了双峰结构Vp/AZ31复合材料的可控制备。（2）阐明了Vp/AZ31复合粉末的组织热稳定性与晶粒长大行为，建立了晶粒长大动力学方程，确定了退火工艺参数与粉末组织状态间的响应关系，揭示了热处理过程中组织结构演变规律与机理。（3）采用真空热压烧结和包套热挤压的致密化工艺手段，成功制备了致密性良好，且基体晶粒尺寸在3μm以下的双峰Vp/AZ31镁基复合材料。阐明了不同工艺条件下材料组织结构的演变规律与机理，确定了制备双峰Vp/AZ31基复合材料的最佳工艺条件。（4）研究了双峰结构Vp/AZ31复合材料的室温及高温力学行为，明晰了材料宏观力学行为与其微观组织间的内在联系，揭示了复合材料的主要强化机制，建立了材料力学性能与其组织结构间的响应关系。（5）确立了双峰Vp/AZ31镁基复合材料的本构方程，揭示了超细钒颗粒与晶粒双峰分布对镁基复合材料的协同强韧化机理，实现了材料强度与塑性、韧性指标的合理配置。.本项目的开展，为进一步提升镁基复合材料的综合力学性能提供了重要的研究基础和科学依据，为推动镁合金在高端装备领域的工程化应用提供了理论指导，具有较高的实际意义和学术价值。