熱擠壓與退火處理后SiO2/Mg復合材料的織構研究

嚴 峰，陳 磊，滕穎麗

(大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

鎂具有密度低，比強度高，導電性好，散熱性好，阻尼性高等優點，并且易于機械加工和回收利用，資源儲量大，是極具潛力被大量應用的工程材料［1-4］.但是，鎂及其合金的低硬度、低強度、低模量、高熱膨脹系數等性能缺陷限制了它的廣泛應用.采用非連續增強相增強的鎂基復合材料完全消除或彌補了鎂的這些弱點，以其高比強、高比模、耐高溫、導熱、導電、熱膨脹系數小、尺寸穩定性好等優異的綜合性能在航天、航空、先進武器系統、汽車工業等領域有廣闊的應用前景［5］，并已開始具體應用.

鎂屬于六方晶系，其滑移系共有四種:基面滑移系 {0001}＜ 11ˉ20 ＞ ，棱面滑移系{10ˉ10}＜11ˉ20 ＞ ，棱錐滑移系{10ˉ11} ＜ 11ˉ20 ＞ 和棱錐滑移系{11ˉ22}＜ 11ˉ23 ＞ .在鎂基復合材料中，增強體往往選用硬、脆陶瓷粉體或晶須，這些增強體在復合材料的塑性成形或加工過程中不發生塑性變形(大長徑比增強體，如晶須，在材料的塑性變形中會隨基體轉動而形成強烈的擇優取向)，因此，對非連續增強相增強的鎂基復合材料織構的研究仍然集中在基體上.

本文以SiO2晶體顆粒增強的純鎂復合材料為研究對象，通過金相顯微鏡與X射線衍射技術，分析其在熱擠壓與退火處理后微觀組織與織構演化規律.

1 實驗材料與方法

實驗材料為采用等離子體放電燒結技術制備的2%SiO2/Mg復合材料，燒結溫度為380℃，然后在400℃，擠壓速度為0.5 mm/s，擠壓比為37∶1的條件下，將燒結后的復合材料擠壓成直徑7 mm的棒材.退火處理在箱式電阻爐中進行，退火溫度450℃，保溫30 min后水冷.

采用金相顯微鏡對擠壓棒材的縱剖面(剖面平行于擠壓方向)進行觀察.金相試樣在SiC砂紙上打磨到1500#，然后在機械拋光機上用顆粒大小1 μm的金剛石膏機械拋光，腐蝕液成分:乙醇(100 mL)，苦味酸(5 g)，醋酸(5 mL)和水(10 mL).腐蝕時間60 s.用圖像分析軟件 Image-Pro Plus6.0對金相照片進行統計，確定樣品的平均晶粒尺寸.

采用荷蘭帕納科公司(PANalytical B.V.)銳影(Empyrean)X射線衍射儀，用反射法進行織構測定.選用CuKα為入射光源，管電壓為40 KV，管電流為40 mA.

2 實驗結果與分析

燒結后的SiO2/Mg復合材料的組織如圖1所示.燒結過程對Mg顆粒形狀與尺寸沒有明顯影響，SiO2分布在鎂顆粒邊界上.從圖上看，每個Mg顆粒均由多個晶粒構成，用Image-Pro Plus6.0測得平均晶粒尺寸為39.6 μm.

1 燒結后SiO2/Mg復合材料的顯微組織

圖2為擠壓樣品的縱剖面的光學顯微鏡下的微觀組織照片，可以看到清晰的平行于擠壓方向的擠壓流線.在熱擠壓過程中，晶粒內部滑移系開動，晶粒變形，鎂顆粒因此沿擠壓方向拉伸并發生轉動，顆粒界面形成明顯流線.擠壓后晶粒尺寸明顯減小，呈等軸狀，說明熱擠壓過程中鎂基體發生動態再結晶，測得平均晶粒尺寸為9.8 μm.

圖3為擠壓樣品經400℃退火30 min后縱剖面的顯微組織.顯微組織與退火前沒有明顯變化.退火后平均晶粒尺寸略有增長，為10.2 μm，在晶粒內部可觀察到孿晶(見圖中放大部分)，擠壓態SiO2/Mg復合材料的極圖如圖4所示(極密度最大值已在極圖中標出).投影面為擠壓棒材ED/TD平面.可以看出，樣品形成強烈的＜101ˉ10＞晶向平行于擠壓軸向(ED)的纖維織構.

圖2 SiO2/Mg復合材料擠壓后的顯微組織

圖3 SiO2/Mg復合材料400℃/30 min退火后的顯微組織

圖4 熱擠壓處理后SiO2/Mg復合材料的極圖

擠壓態SiO2/Mg復合材料經退火處理后的極圖見圖5.從圖上可以看出，退火后基體的織構類型沒有發生變化，仍為 ＜101ˉ10＞晶向平行于擠壓軸向的纖維織構.不同的是{0002}極密度最大值由退火前的60 提高到72，而 {10ˉ10}和{11ˉ20}極密度最大值較退火前略有下降.M.T.Pérez-Prado等的研究認為這種現象主要是由基面平行于擠壓軸向的晶粒在退火過程中長大所致［6］.

圖5 SiO2/Mg復合材料經400℃/30 min退火處理后的極圖

3 結論

(1)SiO2/Mg復合材料在400℃擠壓過程中發生再結晶，平均晶粒尺寸由擠壓前的39.6 μm下降到 9.8 μm;

(2)SiO2/Mg復合材料在擠壓過程中基體形成＜100＞//ED纖維織構;

(3)經400℃(30 min退火后，鎂晶粒尺寸略有長大，上升到 10.2 μm;

(4)基體織構類型在退火處理后沒有改變，不同的是{0002}極密度最大值由退火前的60提高到72，而{100}和{120}極密度最大值較退火前略有下降.

［1］KOJIMA Y.Platform science and technology for advanced magnesium alloy［J］.Materials Science Forum，2000，350-351:3-18.

［2］衛愛麗，付珍，趙浩峰.鎂合金的生產及應用［J］.鑄造設備研究，2003(1):34-37.

［3］訾炳濤，王輝.鎂合金及其在工業中的應用［J］.稀有金屬，2004，28(1):229-232.

［4］曾小勤，王渠東，呂宜振，等.鎂合金應用新進展［J］.鑄造，1998(11):39-43.

［5］PEKGULERYUZ M O.Magnesium Composites-A Critical Review.Proceedings of 1st(CANCOM91)Canadian International CompositesConference and Exhibition，Monteral［C］.［s.l.］:［s.n.］，1991.

［6］PéREZ-PRADO M T，RUANO O A.Texture evolution during grain growth in annealed MG AZ61 alloy［J］.Scripta Materialia，2003(48):59-64.