一、背景与意义

镁合金和铝合金作为密度最低的两种工程用轻金属各自有其优缺点。镁/铝双金属是指将铝合金和镁合金使用焊接、轧制或铸造等方法连接在一起，使其不同部位满足不同的性能要求，将能够实现铝和镁的优势互补，既能满足综合性能的要求，又可实现轻量化，在汽车、航空航天、武器装备、管道运输、数码3C等领域具有重大应用前景。但是由于铝和镁在结合过程中面临的一些问题造成镁/铝双金属的性能还有待于进一步提高，而镁/铝双金属的性能主要和铝-镁连接界面有关，因此，如何调控镁/铝双金属的界面是目前的研究重点和热点。

最近，华中科技大学蒋文明教授课题组和大连理工大学李广宇副教授等人综述了复合铸造镁/铝双金属的应用现状、制备方法、存在的问题和界面强化方式，研究指出目前复合铸造镁/铝双金属的强化方法主要包括消除氧化膜、添加中间层、合金化、施加外场、二次轧制、热改性和热处理等，并提出了几种潜在的双金属强化方法，为镁/铝双金属的应用和发展方向提出了具体建议。

二、图文导读

首先，本文总结了镁/铝双金属的制备方法及各自的优缺点。根据制备前材料的状态，镁/铝双金属的制备方法可分为固-固复合、固-液复合和液-液复合，每种方法各有优缺点和适用领域，如表1所示。其中，复合铸造是指利用铸造技术，将液态金属浇注在固态合金上或周围，或同时浇注两种液态金属，实现铝合金与镁合金的结合，具体包括砂型铸造、金属型铸造、嵌入模型铸造、石墨型铸造、连续铸造、离心铸造、压铸、消失模铸造、真空滴注、固液铸轧。

表1 不同镁/铝双金属制备方法的优缺点

无论采用何种方法制备镁/铝双金属都存在一些困难，具体如下：首先，由于铝和镁的物理性质不同，界面容易产生应力集中和开裂，如图1（a）所示；其次，界面层主要由铝镁金属间化合物（Al12Mg17、Al3Mg2、Al30Mg23等）组成，这些铝镁金属间化合物属于脆硬相，抗塑性变形能力差，在外力作用下容易开裂，如图1（b）所示。第三，合金表面有难以去除的氧化膜，这些氧化膜会降低润湿性和残留在界面处形成氧化物夹杂缺陷，如图1（c）所示。

图1 镁铝双金属制备过程中的困难：（a）物理性质差异；（b）脆硬的铝镁金属间化合物；（c）氧化膜

由于上述的困难，镁/铝双金属的性能较低，这极大地影响了双金属的推广和应用。双金属性能主要与界面微观组织和性能有关，包括缺陷(夹杂、裂纹、气孔等)、界面层厚度、相组成、界面层成分均匀性和晶粒尺寸、界面取向分布和应力分布、相的硬度和断裂韧性，不同因素的影响权重如图2所示。因此，有必要通过调节界面微观组织和性能来实现双金属的强化。本文总结了镁/铝双金属界面调节和强化的方法，包括添加中间层、合金化处理、施加振动场等，如图3所示。下面简要介绍不同强化方法。

图2 影响双金属性能的不同因素的权重

图3 镁/铝双金属强化方法汇总

（1）消除氧化膜。目前主要通过“锌酸盐浸渍”和“电解抛光+阳极氧化”两种方法消除或破碎氧化膜，从而减少氧化夹杂和增加界面润湿性，如图4是使用“电解抛光+阳极氧化”方法处理后铝合金的表面形貌。

图4 铝板经“电解抛光+阳极氧化”处理后的表面SEM图像：（a）纯铝；（b）、(c) ：Al-0.08 wt. % Ga合金

（2）添加中间层。一些涂层可以减少或消除铝镁金属间化合物，并替代为低脆性相，从而提高双金属的强度。目前，在镁/铝双金属中使用的涂层如表2所示。

表2 用于镁铝双金属中的不同种类中间层

（3）合金化。合金化是通过调整基体合金的元素类型或含量来改善界面组织和性能的方法。目前，用于复合铸造合金化研究的元素可分为两大类：一类是Si元素，另一种是稀土合金，包括La、Ce、Nd、Y和Gd，如表3所示。

表3 复合铸造镁/铝双金属中使用到的合金化元素

（4）施加外场。许多研究表明，在金属凝固过程中施加外场可以细化晶粒，减少偏析等效应，在镁/铝双金属的凝固过程中施加振动可以达到同样的效果，以增强双金属的性能。目前在复合铸造镁/铝双金属领域施加的外场主要有机械振动场和超声场，二者均可以细化和均匀化界面中的Mg2Si强化相，从而提高双金属的性能。

（5）其他方法：除了上面几种主要的强化和广泛被研究的方法，还有一些其他强化方法，包括二次轧制、基体热改性、双金属热处理、基体表面构建三维形貌等，这些方法都具有一定的强化效果。

复合铸造镁/铝双金属在不同工艺和强化方法下的剪切强度如表4所示。可以发现，采用等离子喷涂Ni涂层的方法制备的镁/铝双金属剪切强度最高，为69.8 MPa，而添加Zn中间层后，双金属的剪切强度增幅最大，达到747.3%。

表4 不同强化方法下双金属剪切强度提升比例

三、结论与展望

镁/铝双金属作为一种综合性能优异、有利于进一步实现轻量化的新材料，其发展历史较短，因此还有待于进一步开展深入的研究。一方面，镁/铝双金属的结合机理还有待于进一步研究，例如可以使用同步辐射技术、原位TEM或SEM、分子动力学和第一性原理等先进分析检测技术和材料模拟计算方法原位、可视化观察界面结合过程。另一方面，双金属的性能是决定其应用的关键，因此需要开发一些新的有利于操作、低成本强化方法，例如新的去氧化膜方法（氟铝酸铯）、新的中间层（稀土涂层、Ni-Cr复合涂层、Li涂层、Mg-Cu-Y非晶/纳米晶复合涂层等）和合金化元素（Li、Er、Sc、Sr等）、施加外场（超声场、电磁场、重力场、辐射场等）等。最后，镁/铝双金属的应用仍然有限，有必要开发更多镁/铝双金属的应用场景和具体零部件，例如适用于新能源汽车、无人机、探月车、战斗机、卫星等的轻量化、高性能零部件。

四、文章信息

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2023年第11卷第9期：

[1] Guangyu Li, Wenming Jiang*, Feng Guan, Zheng Zhang, Junlong Wang, Yang Yu, Zitian Fan. Preparation, interfacial regulation and strengthening of Mg/Al bimetal fabricated by compound casting: A review [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2023, 11(9): 3059-3098。

五、中文摘要

镁/铝双金属结合了铝和镁的优点，在汽车、航空航天、武器、数码产品等领域具有广泛的应用前景。复合铸造具有成本低、容易实现冶金结合、适合制备复杂镁/铝双金属零件等特点。然而，由于铝和镁物理性能的差异、金属表面氧化膜以及界面处脆硬铝镁金属间化合物的存在，导致双金属接头强度较低，这与界面微观结构和性能密切相关。因此，如何调控和强化双金属的界面以实现性能提升是该领域的研究焦点和难点。本文综述了复合铸造镁/铝双金属的强化方法：（1）对铝合金表面进行“锌酸盐浸渍”和“电解抛光+阳极氧化”处理，以去除和破坏氧化膜，提高铝和镁之间的润湿性；（2）通过添加中间层（Zn、Ni 和Ni-Cu）来减少或消除不利的铝镁金属间化合物；（3）通过向铝合金或镁合金中添加硅元素或稀土元素，调控界面微观组织的演化过程，形成细小的强化相；（4）在金属液充型和凝固过程中采用机械振动和超声振动来细化和均匀化界面组织；（5）采用二次轧制、热处理、热改性、嵌体表面构建三维结构等其他方法来调控界面微观组织和成分。上述强化方法可以单独使用或组合使用以实现双金属强化。其中，通过在铝合金表面等离子喷涂Ni涂层的方法制备的镁/铝双金属剪切强度最高，为69.8 MPa。最后，本文对镁/铝双金属的未来发展方向进行了展望，为镁/铝双金属的发展和应用提供了一些新的思路。

六、英文摘要

Mg/Al bimetal combines the advantages of both aluminum and magnesium and has broad application prospects in automotive, aerospace, weapons, digital products and so on. The compound casting has the characteristics of low cost, easy to achieve metallurgical combination and suitable for the preparation of complex bimetallic parts. However, bimetallic joint strength is low due to differences of physical properties between Al and Mg, oxide film on metallic surface and interfacial Al-Mg IMCs, which is closely related to the interfacial microstructure and properties. Therefore, how to control the interface of the bimetal to achieve performance enhancement is the focus and difficulty in this field. At present, there are mainly the following strengthening methods. First, the “zincate galvanizing” and “electrolytic polishing+anodic oxidation” technology were exert on the surface of Al alloy to remove and break the oxide film, which improved the wettability between Al and Mg. Second, the undesirable Al-Mg IMCs were reduce or elimination by adding the interlayers (Zn, Ni and Ni-Cu). Thirdly, the evolution process of interfacial microstructure was changed and fine strengthening phases were formed by adding Si element to Al alloy or rare earth element to Mg alloy. Fourthly, mechanical vibration and ultrasonic vibration were applied in the process of the filling and solidification to refine and homogenize the interfacial structure. Finally, some other methods, including secondary rolling, thermal modification, heat treatment and constructing exterior 3D morphology, also can be used to regulate the interfacial microstructure and compositions. The above strengthening methods can be used alone or in combination to achieve bimetallic strengthening. Finally, the future development direction of the Mg/Al bimetal is prospected, which provides some new ideas for the development and application of the Mg/Al bimetal.

七、作者简介

第一作者/通讯作者简介：

蒋文明（通讯作者），华中科技大学教授，博士生导师，材料成型及控制工程专业教研室主任，入选全球前2%顶尖科学家榜单，曾获国家级、省部级科研教学成果奖2项、全国铸造行业最美科技工作者、江苏省科技创新（双创）人才等。担任中国材料研究学会镁合金分会理事、中国机械工程学会铸造分会理事、中国消失模铸造技术委员会常务副秘书长、中国半固态加工学术委员会委员等。主持国家自然科学基金3项（面上、青年）、国防基础科研计划项目、国防973项目子课题、国家重点研发计划项目子课题等科研项目20余项。发表SCI论文100余篇，ESI热点/高被引论文5篇，出版专著1部，编写著作/教材6部。申请/授权发明专利30余项。担任《Materials》、《China Foundry》、《铸造》、《中国铸造装备与技术》等期刊编委，《Journal of Magnesium and Alloys》、《Journal of Materials Science & Technology》、《Advanced Powder Materials》、《Rare Metals》、《中国有色金属学报》中英文版等期刊青年编委。

李广宇（第一作者），大连理工大学材料科学与工程学院，副教授，博士生导师。主要研究方向为轻金属的强化、双金属的界面调控、增材制造、数字化成型等。发表学术论文50余篇，ESI热点/高被引论文4篇，被引600余次，H指数14，授权发明专利10余项。主持国家自然科学基金青年基金和中国博士后基金，并作为骨干参与国家自然科学基金、国家基础加强计划、开放课题、校企合作等项目10余项。