高強AZ61Mg-18%Ti復合材料的制備及力學性能

張小紅 ，于 歡 ，胡連喜

1) 無錫職業(yè)技術學院教務處，無錫 214121 2) 齊魯工業(yè)大學(山東省科學院)山東省輕質高強金屬材料省級重點實驗室，濟南 250014 3) 齊魯工業(yè)大學(山東省科學院)山東省科學院新材料研究所，濟南 250014 4) 哈爾濱工業(yè)大學材料科學與工程學院，哈爾濱 150001

鎂合金被認為是21世紀最有發(fā)展前景的綠色金屬結構材料[1-3]。鎂合金的比強度和比剛度高、切削性好、電磁屏蔽性好，被應用于航空航天、汽車、軌道交通等領域，可實現(xiàn)輕量化，有助于提高能源的利用效率，改善環(huán)境污染問題[4-7]。然而，多數(shù)鎂合金強度低，無法滿足高端結構應用性能的需求。因此，研究如何提高鎂合金的強度性能具有極為重要的意義與應用價值[2,8]。

鎂合金具有較高的Hall-Petch系數(shù)。因此，細化晶?？梢悦黠@提高鎂合金室溫強度[9-11]。王辛[12]研究了納米晶鎂合金粉末的氫化-脫氫制備工藝，通過熱固結成形工藝成功獲得了超細晶AZ31鎂合金，材料的晶粒尺寸約為800 nm，屈服強度為278 MPa。另一方面，多數(shù)鎂合金在高溫下的強度較低，尤其是納米晶和超細晶鎂合金材料，其高溫強度與室溫相比有大幅下降。

為了提高鎂合金的強度，同時改善其耐熱性能，本文向鎂合金中添加高熱穩(wěn)定性超細Ti彌散相，利用機械球磨、真空熱壓與熱擠壓制備出具有超細晶鎂合金基體+亞微米Ti顆粒+納米Ti3Al相彌散強化的AZ61Mg-Ti復合材料，并研究了復合材料的組織特征與室溫力學性能。

1 實驗材料及方法

以AZ61Mg及純Ti粉末為原料，按AZ61Mg-18%Ti（質量分數(shù)）的成分配比，進行機械球磨，采用復合球磨工藝[13]，高速球磨的球磨轉速400 r/min，球磨時間16 h，低速球磨的球磨轉速200 r/min，球磨時間16 h，球料比分別為60:1和30:1，制備出納米晶AZ61Mg-18%Ti復合材料粉末，粉末形貌與微觀組織如圖1所示。由圖1（a）可知，粉末大小較為均勻；圖1（b）表明鎂基體（A區(qū)）具有納米晶結構，平均晶粒尺寸約46 nm，Ti單質粒子（B區(qū)）尺寸為亞微米級別。Ti顆粒尺寸與分布如圖1（c）～圖1（f）所示，根據能譜分析結果，白色顆粒為Ti相，灰色為Mg相，表明機械球磨可實現(xiàn)Ti顆粒尺寸超細化并使其在鎂基體中均勻彌散分布。對Ti顆粒尺寸進行統(tǒng)計，結果如圖1（d）所示，Ti顆粒尺寸分布符合高斯曲線，其平均尺寸約為274 nm，74%Ti顆粒介于100～280 nm之間。

圖1 復合材料微觀組織、尺寸分布及能譜分析：（a）復合粉末掃描電鏡顯微形貌；（b）復合粉末透射電鏡顯微形貌；（c）Ti單質粒子掃描電鏡顯微形貌；（d）Ti顆粒尺寸分布；（e）C點能譜分析；（f）D點能譜分析Fig.1 Microstructure, size distribution, and energy dispersive spectrometer (EDS) analysis of the composites: (a) scanning electron microscope (SEM) image of the composite powders; (b) transmission electron microscope (TEM) image of the composite powders;(c) SEM image of Ti particle; (d) particle size distribution of Ti; (e) EDS analysis of point C; (f) EDS analysis of point D

采用真空熱壓與熱擠壓工藝對AZ61Mg-18%Ti復合材料粉末進行固結致密。首先，將AZ61Mg-18%Ti復合材料粉末真空熱壓成φ52 mm圓柱塊體，熱壓工藝參數(shù)為真空度1×10?3Pa，壓力50 MPa，溫度450 ℃，時間60 min；然后，對熱壓坯料進行熱擠壓塑性變形，獲得棒材，擠壓工藝參數(shù)為擠壓溫度250 ℃，模具溫度250 ℃，擠壓比11:1，工藝示意圖如圖2所示。

圖2 真空熱壓和熱擠壓工藝示意圖Fig.2 Schematic diagram of the vacuum hot pressing and hot extrusion

2 結果與討論

采用Quanta 200FEG型掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）對球磨態(tài)粉末和第二相Ti顆粒尺寸進行觀察。利用X射線衍射儀 （X-ray diffraction，XRD）測定球磨態(tài)、真空熱壓態(tài)和擠壓態(tài)復合材料的相組成。使用Talos F200X型透射電鏡（transmission electron microscope，TEM）觀察真空熱壓態(tài)和擠壓態(tài)復合材料顯微組織。

2.1 X射線衍射圖譜分析

圖3為不同狀態(tài)AZ61Mg-18%Ti復合材料的X射線衍射圖譜。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，球磨態(tài)復合材料由Mg相和Ti相構成，沒有探測到Mg17Al12相衍射峰，證實了初始材料在球磨過程中發(fā)生了β相的分解。對比球磨態(tài)和真空熱壓態(tài)鎂相衍射峰形貌可以發(fā)現(xiàn)，鎂基體半峰寬減小，這是由于真空熱壓時，在高溫環(huán)境中納米晶鎂基體發(fā)生了晶粒長大。從圖3中Ti相及Ti3Al相放大衍射峰可以看出，真空熱壓態(tài)和擠壓態(tài)復合材料中Ti相(002)和(101)衍射峰消失，熱壓態(tài)和擠壓態(tài)復合材料在2θ為41.1°時的衍射峰為Ti3Al相，同時觀察到熱壓態(tài)和擠壓態(tài)復合材料的Ti3Al相(301)衍射峰。由此可知，粉末在熱固結過程中發(fā)生了Ti與Al的原位反應，生成了Ti3Al相，消耗了部分Ti相，這與之前的研究結果相吻合[13]。對比真空熱壓態(tài)和擠壓態(tài)復合材料Ti3Al相(201)峰可以發(fā)現(xiàn)，擠壓后該峰強度有所增加，證實了有更多的Ti與Al發(fā)生反應，生成Ti3Al相。

圖3 不同狀態(tài)AZ61Mg?18%Ti復合材料X射線衍射圖譜Fig.3 XRD patterns of the AZ61Mg?18%Ti composites in the various states

2.2 微觀組織分析

圖4所示為擠壓態(tài)AZ61Mg-18%Ti復合材料顯微組織和Ti顆粒尺寸分布。從圖4（a）可知，擠壓后Ti單質粒子仍然在鎂基體彌散分布，大部分顆粒尺寸達到亞微米級別，在鎂基體中沒有出現(xiàn)團聚、偏聚的現(xiàn)象，因此，擠壓塑性變形沒有改變第二相顆粒在鎂基體中彌散分布的狀態(tài)。對圖4（a）中第二相Ti顆粒的尺寸進行了統(tǒng)計，結果如圖4（b）所示，彌散相的平均尺寸約為265 nm，與球磨態(tài)復合材料彌散相尺寸接近，無明顯的第二相顆粒尺寸增長，證實Ti顆粒作為彌散相具有優(yōu)異熱穩(wěn)定性。同時，擠壓態(tài)復合材料中絕大部分第二相顆粒屬于亞微米級別，部分顆粒尺寸達到納米級別，細小的彌散相將帶來突出的彌散強化效果。

圖4 擠壓態(tài)AZ61Mg?18%Ti復合材料微觀組織（a）和Ti顆粒尺寸分布（b）Fig.4 Microstructure (a) and Ti particle size distribution (b) of the as-extruded AZ61Mg?18%Ti composites

圖5為真空熱壓態(tài)及熱擠壓態(tài)AZ61Mg-18%Ti復合材料的透射顯微組織形貌。由圖5（a）可知，熱壓態(tài)材料中基體鎂晶粒（藍色橢圓標記）的大小介于40～120 nm，平均尺寸82 nm，相對于球磨態(tài)鎂基體晶粒尺寸46 nm，晶粒有所增大，然而仍屬于納米晶范疇。由圖5（b）可知，擠壓態(tài)復合材料中鎂晶粒最大為270 nm，大部分鎂晶粒小于200 nm，平均晶粒尺寸為180 nm，因此，擠壓過程中納米晶鎂晶粒長大，但擠壓態(tài)復合材料鎂基體仍屬于亞微米晶尺度，證實了彌散分布的細小第二相顆粒可以抑制納米晶鎂晶粒在固結成形過程中的長大，改善了熱穩(wěn)定性。圖5中黃色虛線標記為彌散分布的第二相顆粒，其中部分第二相顆粒尺寸約為10 nm。對擠壓態(tài)復合材料進行了高分辨透射電子顯微鏡觀察，結果如圖5（c）和圖5（d）所示，由晶面間距確定彌散分布的納米級顆粒為Ti3Al相。對比球磨態(tài)復合材料的顯微形貌，證實此納米級別第二相顆粒為熱壓和熱擠壓固結成形過程中生成的，結合X射線衍射峰的分析，證實此納米級別第二相顆粒為原位生成的Ti3Al相。對比圖5（a）和圖5（b），擠壓后Ti3Al相明顯增多，與X射線衍射峰強度的演變吻合。

圖5 AZ61Mg-18%Ti復合材料透射電鏡顯微組織形貌：（a）熱壓態(tài)顯微形貌；（b）擠壓態(tài)顯微形貌；（c）擠壓態(tài)高分辨顯微形貌；（d）擠壓態(tài)高分辨放大顯微形貌Fig.5 TEM images of the AZ61Mg-18%Ti composites: (a) the hot pressed; (b) the extruded; (c) the HTEM images as extruded;(d) the amplification HTEM images as extruded

2.3 力學性能與強化機制

圖6為商業(yè)AZ61鎂合金及不同工藝制備的AZ61Mg-18%Ti復合材料室溫壓縮應力應變曲線?？梢钥闯?，熱壓態(tài)材料的屈服強度為440 MPa，遠高于商業(yè)AZ61鎂合金的70 MPa。但是，真空熱壓制備的復合材料塑性不佳，壓縮斷裂應變?yōu)?.4%，主要是由于未實現(xiàn)粉末的完全致密，粉末顆粒之間的結合強度較差；擠壓態(tài)復合材料屈服強度和壓縮斷裂應變分別為547 MPa和8%，相比于真空熱壓狀態(tài)力學性能得到明顯改善。隨后，對鎂合金進行退火熱處理，可以發(fā)現(xiàn)復合鎂合金材料性能進一步優(yōu)化，壓縮屈服強度和抗壓強度達到606 MPa和698 MPa，與此同時，材料塑性優(yōu)化非常明顯，斷裂應變?yōu)?2%，與擠壓態(tài)相比提高50%，主要是由于熱處理過程中粉末顆粒之間冶金結合強度得到提升。Sun等[14]采用熱擠壓制備了高強SiCp/AZ91（體積分數(shù)10%）鎂基復合材料，鎂基體晶粒尺寸細化至500 nm，材料屈服強度可達372 MPa，斷裂應變?yōu)?.5%。Homma等[15]采用擠壓和T5時效處理制備了高強Mg-1.8Gd-1.8Y-0.7Zn-0.2Zr鎂合金，材料晶粒尺寸約為1100 nm，屈服強度和斷裂應變分別為524 MPa和5.7%。

圖6 商業(yè)AZ61鎂合金和不同狀態(tài)AZ61Mg-18%Ti復合材料室溫壓縮應力應變曲線Fig.6 Compression strain-stress curves of the commercial AZ61 alloys and the AZ61Mg-18%Ti composites

AZ61Mg-18%Ti復合材料的強化機制包括： （1）晶界強化，根據Hall-Petch公式，超細晶鎂合金基體強度與常規(guī)組織相比提升明顯；（2）彌散強化，彌散分布的亞微米級Ti相與納米級Ti3Al相產生Orowan強化，抑制位錯運動，使得復合材料強度得到顯著提高；（3）承載強化，相對于鎂基體相，Ti相及Ti3Al相均具有極高強度，可以產生承載增強效應；（4）固溶強化，機械球磨使鎂合金基體中過飽和固溶了Al和Ti元素，且在熱壓和擠壓后仍有較高的固溶量，產生強化效果。經相關計算表明，本文獲得的AZ61Mg-18%Ti復合材料晶界強化和彌散強化的效果顯著，是該材料的最主要強化因素。

3 結論

（1）通過機械球磨+真空熱壓+熱擠壓工藝獲得了AZ61Mg-18%Ti復合材料，鎂基體晶粒尺寸屬于亞微米晶范疇，平均晶粒尺寸為180 nm，亞微米級Ti相與納米級Ti3Al相呈顆粒狀，在鎂基體中均勻彌散分布，平均顆粒尺寸分別為265 nm和10 nm。

（2）AZ61Mg-18%Ti復合材料具有卓越的室溫力學性能。真空熱壓態(tài)材料的室溫屈服強度、抗壓強度和壓縮斷裂應變分別為440 MPa、444 MPa和3.4%，熱擠壓及后續(xù)的退火處理能夠進一步顯著優(yōu)化力學性能，室溫壓縮屈服強度、抗壓強度和斷裂應變達到606 MPa、698 MPa和12%。

（3）分析AZ61Mg-18%Ti復合材料的強化機制發(fā)現(xiàn)，細晶強化和彌散強化是最主要的強化機制。