纳米Si C颗粒对A291D镁合金组织性能的影响

 胡  勇  倪旭武  赵龙志

（华东交通大学机电工程学院）

摘要采用高能球磨结合机械搅拌的方法制备了纳米Si C p增强A291D镁基复合材料。结果表明，加入纳米Si Cp能明显细化晶粒，且纳米Si Cp均匀分布于合金中。当加入1.5%的纳米Si Cp时，合金晶粒细化效果最佳，屈服强度、伸长率、硬度及弯曲强度较A291D镁合金分别提高了45.9%.63.4%.24.3%和6.3%。进一步提高纳米Si Cp含量，晶粒细化效果降低，力学性能下降。

关键词纳米Si Cp；A291D镁合金；微观组织；力学性能

中图分类号  TG146. 22；TG113. 25DOI：10. 15980/j．tzzz. 2016. 05.004

 镁合金具有质量轻，比强度、比刚度高，减振性、电磁屏蔽和抗辐射能力强等优点，在汽车、电子电器、航空航天和国防军事等领域具有广阔的应用前景。但是，镁合金的综合性能较低，制约了其广泛应用。纳米颗粒增强镁基复合材料能显著提高合金强度，而且保留甚至提高了镁合金基体的塑性。因此，纳米颗粒增强镁基复合材料成了研究热点。向Mg中加入2%的Si C纳米颗粒，复合材料的屈服强度和抗拉强度分别由20,0 M Pa和89.6 M Pa提高到35.9 M Pa和131.0M Pa，伸长率由14. 0%降低为l2.6%；向Mg-62n镁合金中加入1. 5%的Si C纳米颗粒，屈服强度和抗拉强度分别由54 M Pa和150 M Pa提高至76 M Pa和201M Pa，而伸长率保持为7.7%。向镁合金中加入碳纳米管后，材料的抗拉强度、伸长率、硬度和弹性模量均得到提高。

 纳米颗粒的比表面积很高，极易团聚，如何将纳米颗粒均匀分散于合金中是必须解决的一大难题。目前，镁基纳米复合材料的主要制备方法有：粉末冶金法，高能球磨法，高能超声搅拌法等。粉末冶金法和高能球磨法需将基体材料制成粉末，工艺复杂且成本较高。高能超声法是当前制备纳米复合材料应用较多的方法，但超声波衰减厉害，不易到达较深或较远的区域。为此，本课题提出高能球磨和机械搅拌混合处理的方法来分散纳米颗粒，并对其组织性能进行分析。

1  试验方法

 试验材料为A291D镁合金和平均粒径为100 nm的Si CP。首先采用超声在酒精溶液中将Si CP清洗1h，烘干。然后将Si CP高能球磨2h，活化纳米Si CP表面，使Si CP表面能提高，从而改善Si CP与熔体的润湿性。在电阻坩埚炉中熔化500 g A291D镁合金，采用覆盖剂对熔体进行保护。当温度达到700℃时，分别加入1%、1.5%、2%（质量分数）的经高能球磨的Si CP至镁合金熔体中，并进行机械搅拌5 min，搅拌速度为500 r／min，然后将熔体浇注至+25 mm×100 mm的铜模中。

 用体积分数为5%的硝酸酒精溶液腐蚀金相试样，用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)观察显微组织及断口形貌。采用多功能X射线衍射仪对试样进行物相分析(XRD)，试验条件为Cu Ka线，电压为35 kV，电流为30 m A．扫描速度为6(0)/min。

 拉伸试验在电子万能试验机上进行，拉伸速率为1mm／min。硬度测试在显微硬度计上进行，每个试样测10个值，并取平均值。弯曲试验在电子万能试验机上进行，弯曲试样尺寸为7 mm×7 mm×70 mm，跨距为50 mm。

2  结果与讨论

2.1  复合材料的显微组织

 图1为不同Si CP含量的A291D镁合金的显微组织。可以看出，Si CP可明显细化A291D镁合金的显微组织。未加Si CP时，A291D镁合金的显微组织由块状a-Mg相和不连续网状分布的β-Mg17A112相组成，见图1a。当加入1%的Si CP时，显微组织虽然得到细化，但效果不是很理想，见图1b。当加入1.5%的Si CP时，显微组织明显细化，块状的a-Mg相变为细小的蔷薇状，见图1c。进一步提高Si CP的含量，虽然显微组织比A291D镁合金的组织细小，但比加入1.5%的Si CP时的组织粗大，见图1d。图2为加入1.5%的Si CP时A291D复合材料的XRD谱。由图2可见，图谱中除了Mg和Mg17Al12的衍射峰以外，还存在Si C衍射峰，由

此说明，纳米Si CP成功加入到了合金当中。

 A291D镁合金中加入纳米Si CP可细化晶粒，其原因一是熔体凝固时，一部分纳米Si CP可作为异质形核核心；二是没有成为异质形核核心的纳米Si CP在熔体凝固时处在固液界面处，对晶粒的长大起到阻碍作用。然而，加入过量的Si CP（如2%）时，其对晶粒的细化效果变差。这是由于纳米颗粒的比表面能很高而极易团聚，加入过量Si CP时，所采取的工艺不足以对其有效分散，因而其对晶粒的细化效果变弱。

 纳米Si CP均匀分散于合金当中，是获得高性能复合材料的基础。图3为A291D镁合金中加入1.5%的Si CP时的显微组织。由图3a可看出，Si CP非常均匀地分布在合金当中，然而，在局部位置也存在Si CP的团聚（见图3a箭头）。为了解团聚处Si CP的分布情况，对该处进一步放大观察，发现Si CP并没有聚成一团，在小范围内仍呈弥散分布，见图3b。由此可知，对Si CP高能球磨后再加入熔体进行强烈的机械搅拌，Si CP可实现均匀分布。这是由于高能球磨可活化Si CP表面，使Si CP表面能提高，从而改善Si CP与熔体的润湿性。当其加入到熔体之后，强烈的机械搅拌可有效地分散Si CP。

2.2复合材料的力学性能

2.2.1拉伸性能

 图4为不同Si CP含量对A291D镁合金拉伸性能的影响。可以看出，A291D镁合金的屈服强度和伸长率随Si CP含量的增加而先增大后减小。未加Si CP时，其屈服强度和伸长率分别为85 M Pa和4.1%。加入1%的纳米Si CP后，其屈服强度和伸长率提高至112M Pa和5.9%，较A291D镁合金的屈服强度和伸长率分别提高了31. 8%和43. 9%。当Si CP含量为1.5%时，其屈服强度和伸长率增至124 M Pa和6.7%，相比于基体合金，分别提高了45. 9%和63. 4%。继续提高S iCP的含量，其屈服强度和伸长率则都有所下降，但屈服强度仍然比A291D镁合金的高，而伸长率则与A291D镁合金的相差不大。

 加入Si CP后，由于镁基体和Si CP点阵常数和晶体结构的不同，镁基体与Si CP之间的界面不可能完全一致。因此，复合材料强度的提高可从4个方面来解释：①位错增加  纳米Si CP与基体之间热膨胀系数不同，在冷却过程中，由于热收缩作用，在两者的界面上产生应变错配，将使纳米颗粒增强镁基复合材料的热应力提高，这些热应力将在纳米Si CP与镁基体的界面上产生新的位错，导致位错密度增加，使强度提高；②弥散‘强化材料中弥散分布的纳米Si CP可明显阻碍位错运动，对相邻晶粒起到钉扎作用，从而提高合金的强度；③载荷传递  由于纳米Si CP与基体结合良好，因此在拉伸过程中，应力将从较软的基体传递到较硬的纳米Si CP上，由于纳米Si CP的强度较基体高得多，对较软的基体起到保护作用，从而提高了强度；④细晶强化  由图1可知，Si CP的加入明显细化了晶粒。根据Hall-Petch公式，材料屈服强度与晶粒尺寸的关系可表示为：

 图5为A291D镁合金和Si CP含量为1.5%的复合材料的拉伸断口形貌。由图5a可见，A291D镁合金的拉伸断口断面起伏不平，断面中可观察到撕裂棱和韧窝，且断口上有沿晶裂纹出现，属准解理断裂。当加入1. 5%的Si CP后，合金断口中韧窝数量增多，其断裂特征由准解理断裂向韧性断裂转变，见图5b。

2.2.2硬度

 图6为纳米Si CP含量对A291D镁合金硬度的影响。可以看出，加入Si CP可明显提高镁合金的硬度，未加入Si CP时，A291D镁合金的硬度(HV)为73.6。加入1.0%的Si CP时，硬度(HV)提高了16. 1%，达到85.5。当Si CP含量为1.5%时，硬度(HV)提高了24. 3%，达到91.5。继续增加Si CP含量时，硬度下降，但仍比A291D镁合金的高。加入Si CP之所以能提高A291D镁合金的硬度，这是因为Si CP可与镁合金基体形成应力场，当基体表面受到压力时，这种应力场能有效抵抗外力作用，使处于晶格上的原子不会轻易偏离原位置，宏观上表现为硬度提高，表面受力不容易出现划痕或者凹陷。但当Si CP含量较少时，其在A291D基体中分布不充分，导致材料某些区域Si CP含量过少甚至没有，因此硬度提高不明显。而当Si CP含量过多时，因Si CP发生团聚，也导致硬度降低。

2.2.3弯曲强度

 根据纳米Si Cp对A291D镁合金组织及力学性能和显微硬度的影响，测试A291D镁合金及加入1.5%纳米Si Cp后的抗弯强度，见图7。A291D镁合金的抗弯强度为221 M Pa，加入1.5%的Si Cp后，其抗弯强度达到235 M Pa，较基体合金提高了6.3%。图8为A291D镁合金及加入1. 5%纳米Si Cp后的抗弯断口形貌。可以看出，A291D镁合金的弯曲断口上存在明显的解理舌和撕裂棱，见图8a。加入1.5%的Si Cp后，断面存在着大块而且相对光滑的凹凸面，这说明材料在断裂之前有过一定的塑变行为，并且断面上存在穿晶断裂，这样的断裂方式必须要在较大的载荷下才会发生，因此材料的抗弯强度较高，见图7。

3  结  论

 (1)采用高能球磨结合机械搅拌的混合方法能有效地将纳米Si Cp均匀分散于A291D镁合金中，晶粒尺寸随纳米Si Cp含量的增加而减小，当纳米Si Cp含量为1. 5%时，晶粒细化效果最佳。

 (2)加入1.5%的纳米Si Cp后，A291D镁合金的屈服强度、伸长率、硬度( HV)及抗弯强度提高至124M Pa、6.7%、91.5和235 M Pa，分别比未加纳米Si Cp时提高了45. 9%、63. 4%，24. 3%和6.3%。