导读： 对采用白云石作为发泡剂、SiC作为增粘剂制备的泡沫镁合金进行了微观表征和压缩测试，考察了SiC加入量对泡沫镁合金压缩性能和吸能性能的影响。结果表明，白云石作为发泡剂，在泡沫镁合金制备过程中并不能完全分解，未分解白云石及其分解和反应产物在孔壁处基本均匀分布，在内孔边缘局部聚集；增粘剂SiC在泡沫镁合金中以颗粒物的形式存在，主要聚集于内孔边缘及孔壁组织晶界位置。在5%~20%范围内，随着增粘剂SiC加入量的增加，泡沫镁合金的密度、压缩平台应力和单位体积内吸收的能量均表现出先减小后增大的趋势，转折点为10%。在0~1范围内，泡沫镁合金的能量吸收效率随着应变量的增加先迅速升高，随后在一定范围内上下波动，最后迅速下降，波动区为0.1~0.6。SiC加入量对泡沫镁合金能量吸收效率的影响规律不明显。
泡沫镁是一种由镁基体和大量气孔构成的具有三维孔隙结构的新型材料。相比于实体镁合金，泡沫镁合金具有更低的密度，更好的阻尼性能、吸声性能、吸能性能和热物理性能；相比于其他泡沫金属（如泡沫铝），泡沫镁合金具有更低的密度，更高的比强度和比刚度，更好的生物相容性。这些特殊的性能使得泡沫镁合金在航空航天、汽车和生物医学等领域都有着广阔的应用前景。压缩性能和吸能性能是泡沫镁两个重要的性能指数。当泡沫镁受到外力作用时，其应变明显滞后于应力，在应力-应变曲线上反应为一段很长的应力平台，在平台阶段，泡沫镁吸收大量的能量，从而实现吸能缓冲的作用，因此泡沫镁具有很好的能量吸收和抗冲击性能。
研究发现，泡沫镁的压缩性能主要受孔隙率、孔结构和载荷类型等因素的影响。当前对于泡沫镁合金制备方法的研究较多，但对于其压缩性能和吸能性能的研究报道较少，特别是对于采用白云石作为发泡剂、SiC作为增粘剂制备的泡沫镁合金。
试验原料为AZ91D合金，其化学成分见表1。发泡剂选择颗粒尺寸为178 μm的天然白云石粉末，增粘剂选择颗粒尺寸为20 μm的SiC颗粒。
1 泡沫镁合金的宏微观组织与结构
当增粘剂SiC加入量为5%时，泡沫镁合金上部发泡区域与底部无泡层发生脱离，泡沫镁合金宏观体积较小且有局部大孔缺陷；在5%~10%范围内，随着增粘剂SiC加入量的增加，泡沫镁合金宏观体积逐渐增大；在10%~20%范围内，随着增粘剂SiC加入量的增加，泡沫镁合金宏观体积逐渐减小；当增粘剂SiC加入量为15%时，泡沫镁合金孔隙结构均匀性最好，大孔缺陷最少。
图1 不同增粘剂SiC加入量下泡沫镁合金的宏观结构
（a）5%；（b）10%；（c）15%；（d）20%
在5%~20%范围内，随着增粘剂SiC加入量的增加，泡沫镁合金的密度先减小后增大；当增粘剂SiC加入量为10%时，泡沫镁合金密度最小，为0.36 g/cm3。
发泡剂白云石的密度大于镁合金熔体的密度，因此发泡剂白云石加入熔体内后会发生沉积现象，白云石分解后产生的气泡将逐渐上浮，上浮过程中相邻气泡间容易发生合并长大并逸出熔体。SiC颗粒能够作为固相粒子稳定地存在于泡沫镁合金中，从而提高镁合金熔体的粘度，当熔体粘度增大后，一方面发泡剂白云石向下沉积受到的阻力增大，从而减弱发泡剂聚集于下部的现象，有利于发泡剂均匀分布于熔体内，提高泡沫镁合金孔隙均匀性，另一方面，粘度的增加使得气泡上浮过程中受到的阻力增大，从而减少气泡上浮逸出以及气泡间的合并长大。因此，在5%~10%范围内，随着增粘剂SiC加入量的增加，泡沫镁合金的密度逐渐减小，泡沫镁合金内大孔缺陷逐渐减小；当镁合金熔体粘度过大时，一方面，搅拌过程中受到的阻力较大，难以搅拌均匀，从而使得发泡剂不能均匀分布于熔体内，另一方面，气泡长大所受的阻力增大，从而使得部分气泡难以长大甚至消失，泡沫镁合金内孔隙结构反而减少，因此在10%~20%范围内，随着增粘剂SiC加入量的增加，泡沫镁合金密度逐渐减小。
图2 增粘剂SiC加入量对泡沫镁合金密度和孔隙率的影响
制备的泡沫镁合金相邻两气孔之间通过孔壁隔开，气孔表面为一层带有褶皱的薄膜，薄膜上附有形状不一的小颗粒，颗粒在气孔边缘出现富集。该部位除了含有大量Mg元素外，还含有C、O、Ca、Al、Si等元素，推测此处有未分解的发泡剂白云石或其分解产物和反应产物，如CaMg(CO3)2、MgO、CaO、Al2O3、Al4C3、Mg2C等，此外还分布有增粘剂SiC颗粒。
图3 泡沫镁合金内孔的SEM照片和EDS结果
（a）泡沫镁合金内孔SEM照片；（b）方框处放大；（c）A点EDS结果
泡沫镁合金孔壁处组织除灰黑色基体和沿晶界呈网状分布的第二相外，还存在着大量沿晶界分布的尖角状颗粒物。为确定颗粒物成分，对其进行EDS分析发现，颗粒物内含有大量Si元素，而Si元素主要来源于增粘剂SiC，因此认为孔壁组织中出现的白色颗粒物为SiC颗粒，其在孔壁组织中主要沿晶界分布，与第二相混杂在一起。
泡沫镁合金中除了含有大量的Mg外，还有Mg17Al12、SiC、MgO、Al2O3、MgCO3、Al2Ca、Al4C3、CaCO3、CaO等相的存在，由此也可证明，发泡剂白云石在泡沫镁合金制备过程中未完全分解，增粘剂SiC能够稳定地存在于泡沫镁合金中。
图4 泡沫镁合金孔壁处的SEM照片及EDS结果
（a）泡沫镁合金孔壁处的SEM照片；（b）A点EDS结果
图5 泡沫镁合金XRD图谱
2 SiC加入量对泡沫镁合金压缩性能的影响
泡沫镁合金压缩变形过程主要经历3个阶段，即弹性变形阶段、塑性平台阶段和致密化阶段。在变形初期，由于泡沫镁合金具有一定的强度，泡沫镁合金孔壁并不会马上出现裂纹和坍塌，此时泡沫镁合金发生弹性形变，随着应变增加，泡沫镁合金受到的应力逐渐增大；越过屈服点后，泡沫镁合金进入塑性变形阶段，泡沫镁合金孔壁出现裂纹并逐渐崩塌，随着应变的增加，泡沫镁合金所受应力上下波动，整体上呈现出一段较长的应力平台；随着变形的进一步进行，泡沫镁合金孔壁全部崩塌，泡沫镁合金进入致密化过程，此时泡沫镁合金变形过程趋于实体金属变形过程，随着应变的增加，泡沫镁合金所受应力迅速增加。
不同增粘剂加入量下泡沫镁合金应力-应变曲线波动较大，容易出现相交点，规律性不强。总体上，随着增粘剂SiC加入量的增加，泡沫镁合金弹性变形阶段先变短后变长，平台应力先减小后增大，转折点为10%，应力平台长度大致相同。
图6 增粘剂SiC加入量对泡沫镁合金压缩应力-应变曲线的影响
SiC在泡沫镁合金中除了可作为增粘剂发挥作用外，还可作为增强相提高泡沫镁合金的强度。在10%~20%范围内，随着增粘剂SiC加入量的增加，泡沫镁合金内颗粒增强相增多，泡沫镁合金强度提高，出现裂纹和孔壁坍塌所需应力增大，平台应力增大。当增粘剂SiC加入量为5%时，虽然颗粒增相较少，但熔体粘度适中，有利于增粘剂和发泡剂的均匀分布，避免出现局部团聚，使得泡沫镁合金结构更加均匀，缺陷较少，平台应力反而比增粘剂SiC加入量为10%时高。
3 泡沫镁合金的能量吸收性能
3.1 SiC加入量对泡沫镁合金能量吸收特性的影响
图7为增粘剂SiC加入量对泡沫镁合金能量吸收特性曲线的影响。可以看出，当应变量较小时，单位体积吸收的能量增加较缓慢，当应变量较大时，单位体积内吸收的能量增加较快；当SiC作为增粘剂且应变量小于0.8时，相同应变量下，随着增粘剂SiC加入量的增加，泡沫镁合金单位体积内吸收的能量先减小后增大，转折点为10%。在应变初期，泡沫镁合金发生弹性变形，随着应变量增加，泡沫镁合金单位体积内吸收的能量缓慢增加；随着压缩过程进行，泡沫镁合金逐渐进入塑性变形平台阶段，此时由于平台应力大小和平台长度的不同，泡沫镁合金单位体积内吸收的能量差别逐渐明显，泡沫镁合金的能量吸收能力主要取决于平台阶段的应力-应变情况；当泡沫镁合金内的孔隙结构全部坍塌后，泡沫镁合金此时的压缩变形情况与实体镁合金类似，随着应变量增加，泡沫镁合金单位体积吸收的能量迅速增加。
当采用SiC作为增粘剂时，在5%~20%范围内，随着增粘剂SiC加入量的增加，平台应力先减小后增大，泡沫镁合金压缩应力-应变曲线对应的面积先减小后增大，泡沫镁合金单位体积内吸收的能量先减小后增大，转折点为10%。
图7 增粘剂SiC加入量对泡沫镁合金能量吸收特性曲线的影响
3.2 SiC加入量对泡沫镁合金能量吸收效率的影响
泡沫镁合金能量吸收效率变化同样经历3个阶段：当应变量较小时，随着应变量增加，泡沫镁合金的能量吸收效率快速增长；当越过能量吸收效率顶点后，随着应变量增加，泡沫镁合金的能量吸收效率在一定范围内波动，形成一个较长的平台区域，在本试验中平台区域多出现在应变量为0.1~0.6范围内，平台区域泡沫镁合金的吸能效率多在0.5~0.9范围内波动；当应变量大于0.6时，随着应变量增加，泡沫镁合金的能量吸收效率迅速下降。相同应变量下，SiC加入量对泡沫镁合金能量吸收效率的影响不明显。
图8 增粘剂SiC加入量对泡沫镁合金能量吸收效率的影响
泡沫镁合金能量吸收效率与其压缩变形状态有关。变形初期，泡沫镁合金发生弹性变形，此时材料能量吸收效率较高，随着应变量增加，泡沫镁合金能量吸收效率迅速增加；在应力平台阶段，泡沫镁合金孔壁开始坍塌，能耗机制发挥作用，泡沫镁合金压缩应力在一定范围内上下波动，此时能量吸收较为平稳，泡沫镁合金能量吸收效率出现一个平台区域并在此区域上下波动；当泡沫镁合金孔壁完全坍塌后，泡沫镁压缩过程与实体镁合金类似，孔壁的能耗机制失去作用，泡沫镁合金能量吸收效率迅速下降。
4 结论
（1）白云石作为发泡剂，在泡沫镁合金制备过程中并不能完全分解，未分解白云石及其分解和反应产物在孔壁处基本均匀分布，在内孔边缘局部聚集；增粘剂SiC在泡沫镁合金中以颗粒物的形式存在，主要聚集于内孔边缘及孔壁组织晶界位置。
（2）当增粘剂SiC加入量在5%~20%范围内，随着增粘剂SiC加入量的增加，泡沫镁合金的密度先减小后增大，转折点为10%。
（3）在5%~20%范围内，随着增粘剂SiC加入量的增加，泡沫镁合金压缩平台应力和单位体积内吸收的能量先减小后增大，转折点为10%，综合考虑，增粘剂SiC加入量为20%时最好。
（4）在0~1范围内，泡沫镁合金的能量吸收效率随着应变量的增加先迅速升高，随后在一定范围内上下波动，最后迅速下降，波动区为0.1~0.6。SiC加入量对泡沫镁合金能量吸收效率的影响规律不明显。