Al2O3顆粒增強AZ91D鎂基復合材料的研究

范艷艷，李秋書，李亞斐

（1.河南平高電氣股份有限公司，河南平頂山市 467001；2.太原科技大學，太原 030024）

Al2O3顆粒增強AZ91D鎂基復合材料的研究

范艷艷1，李秋書2，李亞斐1

（1.河南平高電氣股份有限公司，河南平頂山市 467001；2.太原科技大學，太原 030024）

以平均顆粒尺寸為30nm的Al2O3顆粒作為增強相，采用全液態攪拌鑄造法制備了Al2O3/AZ91D復合材料。通過光學顯微分析、XRD衍射分析、SEM掃描和EDS能譜分析、硬度測試等檢測手段對復合材料的顯微組織和性能進行了研究。研究結果表明：由于初生相α-Mg在Al2O3顆粒表面非均質形核及Al2O3顆粒阻礙α-Mg相生長的雙重作用使Al2O3/AZ91D復合材料的晶粒得到了明顯細化，而且復合材料的硬度明顯高于AZ91D合金，并隨著Al2O3顆粒加入量的增加，其復合材料的硬度不斷提高。

Al2O3顆粒；復合材料；顯微組織；硬度

鎂基復合材料具有優良的力學和物理性能，在新興技術領域中比傳統金屬材料和鋁基復合材料的應用潛力更大，因此，20世紀80年代末，鎂基復合材料已成為金屬基復合材料領域的研究熱點之一。過去對該材料的大量研究工作主要針對國防和航天應用領域的需要，隨著新型制造工藝的研究和鎂價格的下降，鎂基復合材料在交通工具（主要指汽車、摩托車）、風動工具、醫療器械、運動娛樂器械以及其他先進的工程領域有望得到更廣泛的應用。

目前，國際上對鎂基復合材料的研究較為活躍，美國、日本、德國、加拿大、英國、中國等國家的一些大學和研究機構都開展了許多鎂基復合材料方面的研究工作，現已開發出多種鎂基復合材料，主要采用石墨纖維、SiC顆粒和晶須以及Al2O3纖維和顆粒做增強體[1-6]。但是，現有的研究工作大多集中在鎂基復合材料的制備方法和工藝方面，關于鎂基復合材料的力學性能仍缺乏系統的研究，不同的研究者得出的結果有時相差甚遠。因此，對鎂基復合材料的力學性能進行深入研究是非常必要的。

本研究選用工業上廣泛應用的AZ91D鎂合金為基體，以納米級的Al2O3作為增強相制備鎂基復合材料，并對其組織及性能的影響機理進行了研究，為鎂基復合材料特別是顆粒增強鎂基復合材料的進一步研究和實際應用提供可靠的理論依據。

1 實驗材料和方法

本實驗所用基體材料為AZ91D鑄造鎂合金，其成分（質量分數）如表1所示。加入的增強相為納米級的Al2O3顆粒，顆粒尺寸大約為20～30nm，加入量分別為0.3%、0.5%和0.8%。

表1 AZ91D的化學成分

采用全液態攪拌法制備AZ91D的化學成分/AZ91鎂基復合材料，具體方法：將鎂合金放入電阻爐中熔化，期間通入0.025%的四氟乙烷（CH2FCF3）與干燥空氣的混合氣體進行保護。待AZ91D鎂合金錠全部溶化后，將用鋁箔包好的Al2O3顆粒放入金屬液中，并進行機械攪拌，攪拌時間約為3min，以使Al2O3顆粒在鎂液中充分擴散。攪拌后的熔體靜置8～10min，使攪拌過程中產生的氧化物與熔體分離，并有利于鎂合金液中密度較大的雜質沉淀，澆注溫度在740℃左右。合金的熱處理在SX2-4-10型箱式電阻爐中進行，具體工藝參數為：420℃×10h固溶+170℃×16h時效。

將制備好的試樣，經過磨平、拋光、浸蝕后，在金相顯微鏡下進行顯微組織觀察。用Rigaku D/max2500型X衍射儀分析相組成，使用HITACHI S-3000N型掃描電鏡及XFORD-250型能譜儀進行元素的分布分析。合金的硬度測試在HB3000型布氏硬度機上進行。

2 實驗結果及分析

2.1 鑄態下復合材料的顯微組織及分析

不同Al2O3加入量復合材料的金相組織如圖1所示。

根據Mg-Al二元合金相圖和Mg-Al-Zn三元合金相圖[7]，AZ91鎂合金的鑄態組織由基體相α-Mg固溶體、沿晶界呈不連續網狀或塊狀分布的共晶組織α+β（Mg17Al12）和晶粒內部的黑色析出相 β（Mg17Al12）顆粒組成（如圖 1所示）。圖 1（b）~（d）是不同 Al2O3加入量下合金的鑄態顯微組織。圖1（b）為加入0.3%Al2O3顆粒后復合材料的顯微組織，可以看出，納米Al2O3顆粒的加入使共晶組織α+β（Mg17Al12）細化，沿晶界分布的半連續的網狀的β（Mg17Al12）相減少，其中一部分轉變為細小、彌散、均勻分布的顆粒狀，促使樹枝晶組織向等軸晶組織轉化，說明納米Al2O3顆粒的加入改善了合金的鑄態組織。由圖1（c）明顯可以看出，隨著Al2O3加入量的進一步增加，當達到0.5%時，出現更多細小、彌散分布的顆粒，但是晶粒尺寸沒有明顯的變化。由圖1（d）可見，當Al2O3加入量為0.8%時，合金的連續網狀組織更加明顯，而且晶粒有長大的趨勢，晶界處出現了鈍化現象。

圖2為Al2O3加入量為0.8%時合金的XRD衍射譜圖，從圖中可以看出加入Al2O3后合金中除了AZ91D合金的Mg和Mg17Al12，還檢測到了新的化合物相Al2O3和MgO，分析原因是由于Al2O3在純鋁中是穩定的，但在Al-Mg合金中，一部分的Al2O3顆粒與鎂合金接觸并向晶內滲透、擴散發生界面反應，形成MgO或尖晶石MgAl2O4，反應式如下[8-9]：

圖1 不同Al2O3加入量的復合材料鑄態組織

圖2 含0.8%Al2O3的AZ91D鎂基復合材料XRD衍射譜

Al2O3+MgO→MgAl2O4

其中，MgAl2O4是良好的結合劑，更能促進界面的結合，但經XRD分析，只生成了MgO，說明實驗條件沒有達到生成MgAl2O4的要求。

圖3為加入量為0.8%Al2O3的合金的背散射圖片和能譜分析結果，由能譜結果分析可知，加入Al2O3后顆粒沿晶界和晶內分布，但是由于尺寸大小的限制，在SEM圖片中不能看到Al2O3顆粒的具體分布形貌。觀察掃描電鏡圖片可以看出復合材料的表面平整，基體與顆粒增強體結合良好。

顆粒增強鎂基復合材料晶體結構的形成受多方面因素的影響，在本實驗中，從圖1中加入Al2O3顆粒前后合金的鑄態顯微組織變化可以看出，加入Al2O3顆粒后可以明顯細化基體晶粒尺寸，分析認為：Al2O3顆粒對鑄態復合材料基體組織的細化作用可能是初生相α-Mg相在Al2O3顆粒表面非均質形核及Al2O3顆粒阻礙初生α-Mg相生長共同作用的結果。

2.2 固溶處理后復合材料的顯微組織

圖4為420℃×10h固溶處理后復合材料的顯微組織，從圖中明顯可以看出加入0.3%的Al2O3納米顆粒后，復合材料的組織相對未加時的AZ91D合金得到了明顯的細化，當加入量為0.5%時，合金的晶粒與加入量為0.3%時相比變化不大，但是當加入量達到0.8%時，復合材料的組織則有明顯的粗化現象。由于AZ91D中的主要強化相為β-Mg17Al12相，其熔點較低（437℃），高溫易軟化，因此固溶后的組織與圖1的鑄態顯微組織相比，呈網絡狀或斷續網狀分布的β-Mg17Al12相基本上完全融入α-Mg基體中，能明顯看到晶界。在合金的每個晶粒內部，可看到一些不規律分布的網狀組織，作者認為這些組織為在熱處理過程中形成的亞晶界，它為面缺陷的一種，將合金組織分成若干區域的邊界，每個區域內具有相同的晶體結構，區域之間有不同的取向。

為了確定圖4中的黑點狀化合物成分，對含0.5%Al2O3的合金試樣進行了掃描電鏡和能譜分析，如圖5所示。對譜圖4所指化合物成分的能譜分析結果顯示，該化合物各元素的原子百分比為：O∶Mg∶Al∶Mn=4.0∶17.29∶46.00∶42.70，則可判定此化合物為AZ91D合金中的微量元素Mn固溶于Al中形成的化合物MnAl。

2.3 Al2O3對AZ91D鎂合金硬度的影響

圖3 含0.8%Al2O3的AZ91D合金的SEM圖片和EDS分析

圖4 固溶處理后復合材料的顯微組織

圖5 含0.5%Al2O3的AZ91D固溶態合金的SEM圖片和EDS分析

圖6為鑄態和固溶時效處理后復合材料的硬度與Al2O3加入量的關系曲線，從圖中可以看出，未加入Al2O3納米顆粒時AZ91D鎂合金的鑄態硬度為54.3HB，但當加入Al2O3顆粒后，其布氏硬度明顯增加，當加入量為0.3%時，復合材料的布氏硬度為66.8HB，Al2O3加入量增至0.5%時，復合材料硬度為73.2；而加入量為0.8%時，其硬度可達80.4HB，比未加的AZ91D合金提高了約48.1%。

圖6 Al2O3/AZ91D復合材料的硬度與Al2O3顆粒加入量的關系

以上結果表明，加入Al2O3顆粒可以使AZ91D鎂合金的布氏硬度得到顯著提高，究其原因：一方面是由于作為第二相的Al2O3顆粒的細晶強化作用；另一方面，Al2O3顆粒的加入導致了在復合材料的基體尤其是發生界面反應附近的基體中產生高密度的位錯和大量的孿晶，有效地抵制了局部的變形，從而提高了合金的硬度。而熱處理后復合材料硬度的提高則是固溶時效強化的結果。

3 結論

（1）在AZ91D合金中加入Al2O3后所制得的復合材料，由于初生相α-Mg在Al2O3顆粒表面非均質形核及Al2O3顆粒阻礙初生α-Mg相生長的雙重作用，使AZ91D鎂合金的組織得到了明顯的細化。

（2）加入Al2O3顆粒后復合材料的布氏硬度明顯高于未加時的AZ91D鎂合金的布氏硬度，并且隨著Al2O3顆粒加入量的增加，其布氏硬度不斷增加。經固溶時效處理后復合材料的布氏硬度相對于鑄態時復合材料來說也得到了一定程度的提高。

[1] Capel H，Harris S J，Schulz P，etal.Correlation between manufacturing conditions and properties of carbon fibre reinforced Magnesium[J].Materials Science and Technology，2000，16（7）:765-768.

[2] 李新林，王慧遠，姜啟川.顆粒增強鎂基復合材料的研究現狀及發展趨勢[J].材料科學與工藝，2001，9（2）:219-224.

[3] Saravanan R A，Surappa M K.Fabrication and charaterisation of pure magnesium-30 vol.%SiCP particle composite[J].Materials Science and Engineering，2000，A 276:108-116.

[4] Lim SCV，Gupta M，Lu L.Processing，microstructure，and properties of Mg-SiC composites synthesised using fluxless casting process[J].Materials Science and Technology，2001，17:823-832.

[5] Hu L X，Wang E D.Fabrication and mechanical properties of SiCw/ZK51A magnesium matrix composite bytwo-step squeeze casting[J].Materials Science and Enginering，2000，A278:267-271.

[6] Jayalakshmi S，Kailas S V，Scshan S.Tensile behaviour of squeeze cast AM100 magnesium alloy and its Al203 fibre reinforced composites[J].Composites，2002，A33:1135-1140.

[7] Nair K S，Mittal M C.Rare earths in magnesium alloys[J].Material Science，1988，30（1）:89-104.

[8] 廖恒成，吳申慶.碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的制備與界面行為[J].材料科學與工程，1992，9（2）:33-39.

[9] Lloyd D J.Particle reinforced Aluminum and Magnesium Matrix Composites[J].Intal Mater Reviews，1994，39（1）:1-22.

A study on AZ91D Mg Matrix Compound Materials Enforced by Al2O3Particles

FAN YanYan1，LI QiuShu2，LI YaFei1
（1.Henan Pinggao Electric Co.Ltd.，pingdingshan 467001，Henan China；2.Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，Shanxi China）

The Al2O3/AZ91D Mg matrix composite，Which is AZ91D Mg alloy reinforced by Al2O3particulates with average sizes of 30nm，had been fabricated using the fluxless casting technique.The microscopic structure and performance of compound material has been studied by means of optical microscopic，XRD，SEM and EDS，hardness testing and so on.Experimental results showed that the Al2O3/AZ91D matrix grains were obviously refined by both heterogeneous nucleation of primary phase α-Mg on the surface of Al2O3particles and prohibited growth of α-Mg phase.The Brinell hardness of Al2O3/AZ91D magnesium matrix composite was obviously higher than AZ91D alloys，and Brinell hardness of Al2O3/AZ91D magnesium matrix composite can be continuously enhanced with the increasing of addition of Al2O3particles.

Al2O3particles；Mg matrix composite；Microscopic structure；Hardness

TG 146.2+2；

A

1006-9658（2011）01-4

山西省科技攻關項目（2007032037）

2010－09－01

2010－132

范艷艷（1984-），女，河南平頂山人，助理工程師，碩士，主要從事鑄造技術工作