熱擠壓對(duì)雙尺度SiCp/AZ91鎂基復(fù)合材料顯微組織與拉伸性能的影響

王翠菊，孫雪飛，聶凱波，鄧?yán)だ?/p>

熱擠壓對(duì)雙尺度SiCp/AZ91鎂基復(fù)合材料顯微組織與拉伸性能的影響

王翠菊，孫雪飛，聶凱波，鄧?yán)だ?/p>

（太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024）

細(xì)化SiCp/AZ91鎂基復(fù)合材料基體晶粒，提高其拉伸強(qiáng)度?；诎牍虘B(tài)攪拌鑄造的方法制備出雙尺度SiCp/AZ91鎂基復(fù)合材料（標(biāo)記為M-9+S-1）。在不同溫度下對(duì)M-9+S-1進(jìn)行慢速擠壓，研究擠壓溫度對(duì)其顯微組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。SiCp一方面能夠促進(jìn)DRX形核，使M-9+S-1復(fù)合材料基體晶粒得以顯著細(xì)化；另一方面，能夠促進(jìn)大量細(xì)小Mg17Al12相的動(dòng)態(tài)析出，顯著提升熱擠壓后的性能。M-9+S-1經(jīng)250 ℃熱擠壓后，基于動(dòng)態(tài)析出和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的雙重作用，拉伸性能得以顯著提升，其中，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度可分別提升至～342 MPa和～380 MPa。

顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料；顯微組織；力學(xué)性能

作為自然界中能夠使用的最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，鎂合金具有比強(qiáng)度高、散熱性和屏蔽性好等優(yōu)點(diǎn)，是適用于航空航天、汽車、軌道交通、電子信息等領(lǐng)域的理想輕質(zhì)材料，然而，模量低和耐磨性不足等本征問題使其應(yīng)用范圍受限[1—2]。顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料（Particle reinforced magnesium matrix composite，PMMCs）可兼顧鎂合金優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)彌補(bǔ)其不足，具有生產(chǎn)成本低、性能可控和后續(xù)加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，近年來備受關(guān)注[3—6]。

國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)PMMCs的拉伸性能開展了大量研究工作，發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)化機(jī)制主要有位錯(cuò)強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、Orowan強(qiáng)化和載荷傳遞4種，但上述強(qiáng)化機(jī)制的強(qiáng)化效果與顆粒尺寸有密切聯(lián)系。微米顆粒主要在細(xì)晶強(qiáng)化和載荷傳遞作用中較為突出，因此微米顆粒的加入可大幅提高鎂的彈性模量、YS和UTS，但使其伸長(zhǎng)率降低[7]。當(dāng)顆粒尺寸小于1 μm時(shí)，位錯(cuò)強(qiáng)化效果起主導(dǎo)作用。隨著顆粒尺寸的繼續(xù)降低，位錯(cuò)強(qiáng)化和Orowan強(qiáng)化所占比重逐漸增大。當(dāng)顆粒尺寸降至納米級(jí)時(shí)，由于其特有的尺寸效應(yīng)而表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)化效果[8]。Nie等[9—10]對(duì)納米SiCp增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的研究表明，同基體合金相比，納米PMMCs具有更高的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，但由于難以制備高體積分?jǐn)?shù)的納米PMMCs，其彈性模量提高受限。理論和試驗(yàn)均已證實(shí)，單一尺寸PMMCs的強(qiáng)化效果存在短板。為充分發(fā)揮不同尺度顆粒強(qiáng)化優(yōu)勢(shì)的同時(shí)彌補(bǔ)其不足，可借鑒天然生物材料多元和多尺度的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開發(fā)兩種及多種尺度顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，有望大幅提高鎂基復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能。為此，文中基于攪拌鑄造的方式嘗試制備（亞微米+微米）雙尺度顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。基于慢速擠壓的方式，在復(fù)合材料中動(dòng)態(tài)析出納米相，探討擠壓溫度對(duì)顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料顯微組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1 材料及方法

文中以AZ91合金為基體合金，以SiC顆粒為強(qiáng)化相。AZ91合金中Al，Zn，Mn，Si元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為8.54%，0.59%，0.17%，0.015%。選用亞微米（～0.5 μm）和微米（～5 μm）兩種尺度的SiCp，二者均為6H--SiC。采用半固態(tài)攪拌鑄造的方式制備出微米顆粒體積分?jǐn)?shù)為9%、亞微米顆粒體積分?jǐn)?shù)為1%的雙尺度SiCp/AZ91鎂基復(fù)合材料（標(biāo)記為M-9+S-1），具體制備工藝如ZHANG Li等[11]所述：首先將AZ91合金加熱至720 ℃，待其熔化后，冷卻至580 ℃。將預(yù)熱至600 ℃的兩種尺度SiCp同時(shí)加入至熔體中，機(jī)械攪拌30 min，隨后升溫至720 ℃，澆鑄成形即得M-9+S-1復(fù)合材料鑄錠。

首先對(duì)鑄態(tài)M-9+S-1復(fù)合材料進(jìn)行固溶處理，具體工藝為：在318 ℃處理2 h，在415 ℃處理22 h，之后進(jìn)行水淬。對(duì)固溶處理后的M-9+S-1復(fù)合材料以0.1 mm/s的下壓速度進(jìn)行熱擠壓，擠壓比為16︰1，擠壓溫度分別為250，300，350 ℃。

采用上海光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的4XC光學(xué)金相顯微鏡（OM）和捷克泰思肯公司生產(chǎn)的MIRA 3XMU掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)擠壓前后的M-9+S-1復(fù)合材料進(jìn)行組織分析。采用的腐蝕劑為：苦味酸5.5 g+酒精90 mL+乙酸5 mL+蒸餾水10 mL。采用丹東浩元儀器有限公司生產(chǎn)的DX-2700 X射線衍射儀（XRD）對(duì)M-9+S-1復(fù)合材料進(jìn)行物相分析，掃描角度范圍為20°～80°，掃描速度為0.03（°）/s。

采用在美國(guó)英斯特朗公司生產(chǎn)的Instron 5569型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)M-9+S-1復(fù)合材料進(jìn)行拉伸性能測(cè)試。試樣平行于擠壓方向，拉伸速率為0.5 mm/min，每種拉伸性能為3個(gè)測(cè)試試樣的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

M-9+S-1復(fù)合材料固溶前后的顯微組織如圖1所示。由圖1a可知，SiCp主要沿晶呈“項(xiàng)鏈狀”界分布，這是由于凝固過程中SiCp被液-固界面前沿推至界面。此外，在晶界和SiCp附近有大量第二相析出，如圖1b所示。EDS分析表明，第二相主要含有Mg和Al兩種成分，如圖1c所示。結(jié)合由圖2所示XRD圖譜可知，該相為Mg17Al12。由圖1c還可看出，Mg17Al12相主要依附SiCp析出，表明SiCp對(duì)Mg17Al12相的析出具有促進(jìn)作用。M-9+S-1復(fù)合材料經(jīng)固溶處理后的顯微組織如圖1d—e所示，可見晶界和SiCp處Mg17Al12相顯著減少，表明多數(shù)Mg17Al12相已溶入至基體中，但在SiCp附近仍有少量顆粒狀Mg17Al12相殘留，如圖1f所示。

M-9+S-1復(fù)合材料在0.1 mm/s經(jīng)不同溫度擠壓后的顯微組織見圖3。同圖1對(duì)比可知，M-9+S-1復(fù)合材料經(jīng)熱擠壓后發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶（DRX），基體晶粒得以顯著細(xì)化，如圖3a—c所示。當(dāng)擠壓溫度為250 ℃時(shí)，M-9+S-1復(fù)合材料的平均晶粒尺寸約為1.3 μm，隨著溫度升高，平均晶粒尺寸有所長(zhǎng)大。

M-9+S-1復(fù)合材料經(jīng)不同擠壓后SEM組織見圖3g—f，可見鑄態(tài)組織中“項(xiàng)鏈狀”顆粒分布消失，SiCp分布得更加均勻，并沿?cái)D壓方向有一定的定向排布特征。當(dāng)擠壓溫度由250 ℃升至350 ℃時(shí)，SiCp分布的均勻性得以進(jìn)一步提高。

由圖3g—f還可看出，M-9+S-1復(fù)合材料基體中析出了大量細(xì)小的Mg17Al12相，其對(duì)應(yīng)的放大圖分別如圖4a—c所示，可見Mg17Al12相主要沿DRX晶粒的晶界處析出，表明DRX的發(fā)生對(duì)Mg17Al12相的析出具有促進(jìn)作用。圖4d為不同溫度下M-9+S-1復(fù)合材料基體中Mg17Al12相的平均尺寸與體積分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，當(dāng)擠壓溫度為250 ℃時(shí)，Mg17Al12相的平均直徑和體積分?jǐn)?shù)分別為～0.26 μm和～7.55%，隨擠壓溫度的升高，Mg17Al12相的平均直徑增大，但體積分?jǐn)?shù)減少。當(dāng)擠壓溫度增至350 ℃時(shí)，Mg17Al12相的平均直徑增大至～0.5 μm，體積分?jǐn)?shù)降至～5.43%。

圖1 M-9+S-1復(fù)合材料的固溶前后的顯微組織

圖2 M-9+S-1復(fù)合材料的固溶前后的XRD

擠壓溫度對(duì)Mg17Al12相的影響與DRX情況密切相關(guān)。前期研究表明，在變形過程中，因SiCp同基體變形不匹配，在其周圍會(huì)形成一個(gè)顆粒直徑大小的高密度位錯(cuò)、高取向梯度的區(qū)域，稱為PDZ[12]。研究認(rèn)為，PDZ的形成有利于促進(jìn)DRX形核，從而導(dǎo)致DRX晶粒細(xì)化。正是由于PDZ對(duì)DRX的促進(jìn)作用，M-9+S-1復(fù)合材料在較低的擠壓溫度下（250 ℃），DRX已完全發(fā)生，如圖3a所示。此時(shí)，DRX晶粒細(xì)小，晶界數(shù)量較多，為Mg17Al12相的析出提供了較多的形核位置，但由于溫度低，Al原子擴(kuò)散困難，故Mg17Al12相數(shù)量多但尺寸小。隨著擠壓溫度的升高，一方面DRX晶粒尺寸增大，晶界數(shù)量減少，Mg17Al12相的形核位置減少；另一方面，Al原子擴(kuò)系數(shù)增大，易于同Mg作用生成Mg17Al12相。上述兩方面的原因，導(dǎo)致Mg17Al12相數(shù)量減少但尺寸增大。

圖3 M-9+S-1復(fù)合材料熱擠壓后的OM和SEM組織

圖4 M-9+S-1復(fù)合材料擠壓后的高倍SEM組織及Mg17Al12相尺寸與體積分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)

除DRX外，SiCp對(duì)Mg17Al12相的析出也有重要影響。M-9+S-1復(fù)合材料微米SiCp附近的SEM組織及EDS如圖5所示?？梢?，微米SiCp附近Mg17Al12相數(shù)量較多，而遠(yuǎn)離SiCp處Mg17Al12相數(shù)量較少，表明微米SiCp對(duì)Mg17Al12相的動(dòng)態(tài)析出具有促進(jìn)作用。遠(yuǎn)離微米SiCp處的SEM組織放大見圖6，結(jié)合EDS可知，Mg17Al12相內(nèi)含Si元素，這是由于亞微米SiCp被Mg17Al12相包覆的結(jié)果?？梢?，在熱擠壓過程中，亞微米SiCp也可作為Mg17Al12相的形核質(zhì)點(diǎn)，對(duì)Mg17Al12相的動(dòng)態(tài)析出具有促進(jìn)作用。正是由于Mg17Al12相在亞微米SiCp表面的包覆析出，M-9+S-1復(fù)合材料第二相的尺寸較大。

2.2 力學(xué)性能

鑄態(tài)M-9+S-1復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度（YS）、抗拉強(qiáng)度（UTS）和伸長(zhǎng)率分別為～161 MPa，～178 MPa，～0.6%，如圖7所示。經(jīng)250 ℃的熱擠壓后，YS，UTS和伸長(zhǎng)率均得以顯著提升，分別增至～342 MPa，～380 MPa，～1.4%，分別提高了～112%，～113%，～133%。

圖5 M-9+S-1復(fù)合材料微米SiCp附近的SEM組織及EDS面掃

圖6 M-9+S-1復(fù)合材料遠(yuǎn)離微米SiCp處的SEM組織及EDS面掃

圖7 M-9+S-1復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度（YS）、抗拉強(qiáng)度（UTS）和伸長(zhǎng)率

一般認(rèn)為細(xì)化晶粒是提高材料強(qiáng)度和塑性的主要方式。如2.1所述，M-9+S-1復(fù)合材料在250 ℃擠壓后的平均晶粒尺寸僅有～1.3 μm，正是基體晶粒的顯著細(xì)化，使其YS，UTS和伸長(zhǎng)率均得以大幅提高。此外，M-9+S-1復(fù)合材料經(jīng)熱擠壓后SiCp分布更加均勻，從而使其載荷傳遞作用得以充分發(fā)揮，不僅有利于提高強(qiáng)度，還有利于改善塑性。由圖3—6還可以看出，M-9+S-1復(fù)合材料基體在熱擠壓過程中動(dòng)態(tài)析出了大量細(xì)小的Mg17Al12相（平均直徑為～0.26 μm），在250 ℃擠壓時(shí)，體積分?jǐn)?shù)可達(dá)7.55%，基于其對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，亦可產(chǎn)生優(yōu)異的強(qiáng)化效果。伴隨著擠壓溫度的升高，盡管顆粒的分布均勻性得以改善，但因基體晶粒長(zhǎng)大，Mg17Al12相粗化且體積分?jǐn)?shù)降低，使M-9+S-1復(fù)合材料的YS和UTS有所降低。

M-9+S-1復(fù)合材料擠壓后的正面拉伸斷口如圖8所示。在不同擠壓溫度的斷口上均發(fā)現(xiàn)了細(xì)小的微裂紋，如圖8紅色箭頭所示。圖8中A—I相的EDS結(jié)果如表1所示。結(jié)合EDS結(jié)果可知，D，F(xiàn)，H處黃色箭頭所示為Mg17Al12相，A，B，C，E，G，I紅色箭頭所示為SiCp。當(dāng)擠壓溫度為250 ℃時(shí)，在SiCp與基體間存在微裂紋，如圖8a所示。此外，還可以發(fā)現(xiàn)SiCp自身的斷裂現(xiàn)象，如圖8d所示。擠壓溫度升至300 ℃時(shí)，除了SiCp與基體界面脫粘及其自身斷裂以外，還可以發(fā)現(xiàn)Mg17Al12相的斷裂現(xiàn)象，如圖8b和e所示。當(dāng)溫度升至350 ℃時(shí)，Mg17Al12相的斷裂現(xiàn)象越發(fā)明顯，如圖8c和f所示。

表1 擠壓態(tài)M-9+S-1復(fù)合材料的EDS結(jié)果（原子數(shù)分?jǐn)?shù)）

Tab.1 EDS results of the as-extruded M-9+S-1 composite (atom fraction) %

圖8 M-9+S-1復(fù)合材料熱擠壓后正面拉伸斷口

M-9+S-1復(fù)合材料擠壓后的側(cè)面拉伸斷口，如圖9所示。不同擠壓溫度下的側(cè)面斷口上，均在顆粒密集區(qū)發(fā)現(xiàn)了微裂紋?？梢姡琈-9+S-1復(fù)合材料在拉伸變形時(shí)，在顆粒密集區(qū)更易發(fā)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致顆粒與基體界面處、顆粒自身缺陷處更易誘發(fā)微裂紋的形核和擴(kuò)展，從而導(dǎo)致材料斷裂，與圖8結(jié)果一致。

圖9 M-9+S-1復(fù)合材料熱擠壓后的側(cè)面拉伸斷口

3 結(jié)語(yǔ)

1）因SiCp對(duì)DRX形核的促進(jìn)作用，M-9+S-1復(fù)合材料經(jīng)熱擠壓后基體晶粒得以顯著細(xì)化，隨擠壓溫度的升高，晶粒尺寸長(zhǎng)大。

2）M-9+S-1復(fù)合材料在熱擠壓過程中析出了大量細(xì)小的Mg17Al12相，SiCp對(duì)Mg17Al12相的析出具有促進(jìn)作用。

3）M-9+S-1經(jīng)250 ℃熱擠壓后，YS，UTS和伸長(zhǎng)率均得以顯著提升，分別提高了～112%，～113%和～133%。隨擠壓溫度的升高，因基體晶粒長(zhǎng)大、Mg17Al12相的粗化和體積分?jǐn)?shù)的減少，YS，UTS有所降低。

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Microstructure and Tensile Properties of Bimodal Size SiCp/AZ91 Magnesium-Based Composite Influenced by Hot Extrusion

WANG Cui-ju, SUN Xue-fei, NIE Kai-bo, DENG Kun-kun

(College of Materials Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

To refine grain size and improve the tensile strength of the SiCp/AZ91 magnesium-based composite, the present work fabricated bimodal size SiCp/AZ91 magnesium-based composite (denoted as “M-9+S-1”) through semi-solid stir casting technology. After extruding M-9+S-1 at different temperature with low speed, its microstructure and tensile properties were investigated. The results indicate that the existence of SiCpcan not only promote the nucleation of DRX and result in the obvious grain refinement of M-9+S-1 composite, but also is propitious to the dynamic precipitation of Mg17Al12phase for the significant improvement of properties after hot extrusion. With the double effect of DRX and dynamic precipitation promoted SiCp, the tensile properties of M-9+S-1 composite are improved obviously after extrusion at 250 ℃, and the YS and UTS of which are improved to ～342 MPa and ～380 MPa, respectively.

particle reinforced magnesium-based composite; microstructure; mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.03.007

TG146

A

1674-6457(2021)03-0070-07

2021-01-12

國(guó)家自然科學(xué)基金（52001223，51771128，51771129）

王翠菊（1983—），女，博士，主要研究方向?yàn)殒V合金及其復(fù)合材料成形。

鄧?yán)だぃ?983—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)殒V、鋁輕金屬及其復(fù)合材料制備與成形。