高強(qiáng)鎂合金的納米金屬改性探究論文
1 引言
鎂合金因其比重輕、抗震減震性好、可回收性佳等原因，在航空航天、軌道交通、汽車、摩托車、電子電器等領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。隨著輕量化要求的進(jìn)一步提高，鎂合金正經(jīng)歷著前所未有的好時(shí)機(jī)，但是在高強(qiáng)鎂合金研究領(lǐng)域，鎂合金的性能還難以達(dá)到市場(chǎng)需求，無(wú)法滿足客戶要求，迫切需要人們進(jìn)一步對(duì)高強(qiáng)鎂合金進(jìn)行研究和改性。納米材料由于與眾不同的物理、化學(xué)性能，在材料改性領(lǐng)域備受科研工作者和專家學(xué)者的關(guān)注。但是，在高強(qiáng)鎂合金的改性研究方面，采用納米金屬進(jìn)行改性的研究還較少。為此，本文采用攪拌輔助熔煉法制備了納米金屬鈦改性的高強(qiáng)鎂合金Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5% 納米Ti，并進(jìn)行了顯微組織、物相組成、力學(xué)性能、阻尼性能和耐磨損性能的測(cè)試與分析。
2 實(shí)驗(yàn)材料與方法
2. 1 試樣材料
實(shí)驗(yàn)以工業(yè)級(jí)金屬為原料，在JJZ-45 型中頻感應(yīng)熔煉爐中制備納米金屬鈦改性的高強(qiáng)鎂合金Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5%納米Ti。制備時(shí)，先于700 ℃熔化金屬M(fèi)g; 然后升溫至740 ℃，加入金屬Zn 和Mg-10Gd、Mg-5Zr、Mg-5Mn 中間合金; 然后降溫至710 ℃，加入納米Ti 保溫20 min; 熔煉過程中一直進(jìn)行超聲振動(dòng)輔助攪拌; 熔煉過程中采用混合氣體作為保護(hù)氣( V( SF6)∶ V( CO2) = 1∶ 6) 。實(shí)驗(yàn)采用鐵模進(jìn)行澆注，空氣冷卻，然后車除表面氧化皮得到納米金屬改性的高強(qiáng)鎂合金試樣。
2. 2 實(shí)驗(yàn)方法
納米金屬鈦改性的高強(qiáng)鎂合金Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5%納米Ti，采用X'Pert PRO 型X 射線衍射儀進(jìn)行分析。顯微組織采用PG25 型金相顯微鏡和JSM6510 型掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察，金相腐蝕劑的配比為苦味酸6 g、冰醋酸2 mL、乙醇100 mL、磷酸0. 5 mL、去離子水1 mL。力學(xué)性能采用UH-100GL 型拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)，測(cè)試溫度分別為0，25 和250 ℃，拉伸試樣的尺寸，如圖1 所示。阻尼性能采用懸臂梁方法進(jìn)行室溫測(cè)試，測(cè)試試樣尺寸為90 mm × 5 mm × 2 mm，表面粗糙度< 1. 6 μm，測(cè)試的應(yīng)變頻率為160 Hz，應(yīng)變振幅分別為6 × 10 - 5，2 × 10 - 4 和4 × 10 - 4。耐磨損性能采用THT 型高溫摩擦磨損測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試溫度分別為0，25 和250 ℃，并采用PG25 型金相顯微鏡對(duì)磨損實(shí)驗(yàn)后的試樣表面進(jìn)行觀察。
3 結(jié)果與討論
3. 1 XRD 分析
納米金屬鈦改性的高強(qiáng)鎂合金Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5% 納米Ti 的XRD 圖譜，可看出，該高強(qiáng)鎂合金由α-Mg 基體和少量的Mg3( Gd，Zn) 相、Ti 相組成; 未發(fā)現(xiàn)含Zr 的化合物相，這主要是因?yàn)楹辖鹬衂r 的添加量太少。
3. 2 顯微組織
納米Ti 高強(qiáng)鎂合金的顯微組織金相照片和SEM照片。，納米金屬鈦改性的高強(qiáng)鎂合金組織致密、晶粒較為細(xì)小，第二相分布較為均勻，呈彌散的顆粒狀分布在基體中。
3. 3 力學(xué)性能
本文對(duì)采用相同制備工藝獲得的納米鈦高強(qiáng)鎂合金以及未添加納米鈦的鎂合金分別進(jìn)行了0，25 和250℃拉伸實(shí)驗(yàn)。試樣的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。從圖5 可以看出，本文制備的納米改性高強(qiáng)鎂合金的力學(xué)性能較未添加納米鈦的Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 鎂合金顯著提高。其中在25 ℃ 測(cè)試條件下，抗拉強(qiáng)度從315 MPa 增加至564 MPa，增加了79%; 屈服強(qiáng)度從224 MPa 增加至483 MPa，增加了116%; 斷后伸長(zhǎng)率從16. 4%增加至28. 5%，增加了74%。在0 ℃測(cè)試條件下，抗拉強(qiáng)度從336 MPa 增加至588 MPa，增加了75%; 屈服強(qiáng)度從241 MPa 增加至497 MPa，增加了106%; 斷后伸長(zhǎng)率從8. 2% 增加至26. 1%，增加了218%。在250 ℃測(cè)試條件下，抗拉強(qiáng)度從134 MPa 增加至541 MPa，增加了304%; 屈服強(qiáng)度從62 MPa 增加至469 MPa，增加了656%; 斷后伸長(zhǎng)率從18. 7% 增加至39. 4%，增加了111%。
由此可以看出，本文制備的納米金屬改性高強(qiáng)鎂合金具有較佳的力學(xué)性能，納米金屬鈦的添加不僅提高了Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 鎂合金的室溫和低溫力學(xué)性能，而且顯著提高了合金的高溫力學(xué)性能。這主要是因?yàn)榧{米Ti 的添加，顯著細(xì)化了Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 鎂合金的內(nèi)部顯微組織，促使合金中的第二相以顆粒狀彌散分布在基體中，使其在高溫環(huán)境下更有效地抵制高溫變形，從而提高了合金的高溫力學(xué)性能。
可以看出，本文制備的納米Ti 高強(qiáng)鎂合金的拉伸斷口的斷裂方式都是韌性斷裂與解理斷裂的混合斷裂方式，但斷口中韌窩較未添加納米Ti 的Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 鎂合金更加細(xì)小、數(shù)量更多，撕裂棱明顯減少，表現(xiàn)出更好的拉伸性能。這與合金的強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果一致。
3. 4 阻尼性能
采用相同制備工藝獲得的納米Ti 高強(qiáng)鎂合金以及未添加納米Ti 的鎂合金，在室溫下的阻尼性能測(cè)試。
從測(cè)試結(jié)果以看出，與未添加納米Ti 的Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 鎂合金相比，添加了納米Ti 的高強(qiáng)鎂合金Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5%納米Ti 的'阻尼損耗因子得到了明顯提高。其中，在6 × 10 - 5 應(yīng)變振幅下，高強(qiáng)鎂合金Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5%納米Ti 的阻尼損耗因子較Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 鎂合金從1. 731 × 10 - 3 增加至2.662 × 10 - 3，提高了54%; 在20 × 10 - 5 應(yīng)變振幅下，高強(qiáng)鎂合金Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5%納米Ti 的阻尼損耗因子較Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 鎂合金從1. 911 × 10 - 3 增加至3. 384 × 10 - 3，提高了77%; 在40 × 10 - 5 應(yīng)變振幅下，高強(qiáng)鎂合金Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5% 納米Ti 的阻尼損耗因子較Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 鎂合金從1. 983 ×10 - 3增加至3. 582 × 10 - 3，提高了81%。阻尼損耗因子表征了材料的阻尼性能，阻尼損耗因子越大，材料的阻尼性能越好。由此可以看出，納米Ti 的添加，顯著改善了Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 鎂合金的阻尼性能。
3. 5 耐磨損性能
采用相同制備工藝獲得的Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5%納米Ti 高強(qiáng)鎂合金以及未添加納米Ti 的Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 鎂合金，分別在0，25 和250 ℃進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)。
在磨損時(shí)間為40 min 的情況下，當(dāng)耐磨損性能測(cè)試溫度從0 ℃提高至250 ℃時(shí)，高強(qiáng)鎂合金Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5%納米Ti 的磨損體積和摩擦因數(shù)都較未添加納米Ti 的Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 鎂合金明顯減小，合金的耐磨損性能得到明顯提高。其中， 250 ℃磨損體積從1. 9 mm3 減小至0. 6 mm3，減小了68%; 250 ℃摩擦因數(shù)從0. 267 減小至0. 238，減小了11%。由此可以看出，納米Ti 的添加顯著提高了在低溫、室溫和高溫環(huán)境下的耐磨損性能。
在250 ℃測(cè)試環(huán)境下，隨著磨損時(shí)間的延長(zhǎng)，添加了納米Ti 的高強(qiáng)鎂合金的磨損體積和摩擦因數(shù)都較未添加納米Ti 的Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 鎂合金有所減少。綜上，認(rèn)為納米Ti 的添加，顯著改善了Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 鎂合金的耐磨損性能。圖12 為250 ℃條件下磨損40 min 后上述兩種鎂合金的試樣表面形貌。從圖12 可以看出，未添加納米Ti的Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 鎂合金的磨損表面出現(xiàn)了較多的起皮或脫落，試樣的磨損現(xiàn)象非常嚴(yán)重; 而添加納米Ti 的Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5% 納米Ti 高強(qiáng)鎂合金磨損表面未有明顯的起皮或脫落，僅出現(xiàn)了輕微的磨痕，試樣的磨損現(xiàn)象輕微。這也可以看出高強(qiáng)鎂合金Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5%納米Ti 的耐磨損性能較Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 鎂合金得到了明顯提高。這與試樣的磨損體積、摩擦因數(shù)測(cè)試結(jié)果一致。
綜上所述，納米金屬鈦的添加，顯著提高了Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 高強(qiáng)鎂合金的力學(xué)性能、阻尼性能和耐磨損性能。在力學(xué)性能方面，由于納米Ti 的添加，顯著細(xì)化了合金晶粒，促使合金中的第二相以細(xì)小顆粒狀彌散分布在鎂基體中，從而顯著提高了在拉伸過程中合金抵抗變形的能力，也提高了合金的力學(xué)性能。在阻尼性能方面，納米Ti 的添加，促進(jìn)合金在交變應(yīng)力作用下的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)加劇，而位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)會(huì)消耗能量，從而使合金表現(xiàn)出更好的阻尼性能。在耐磨損性能方面，納米Ti 的添加，使得在摩擦磨損過程中納米粒子較合金中的其它粗晶粒優(yōu)先軟化，表現(xiàn)出小尺寸效應(yīng)，從而提高合金的耐磨損性能。
4 結(jié)論
為了提高高強(qiáng)鎂合金的力學(xué)性能，在Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 鎂合金中添加了1. 5% 納米Ti，并對(duì)制備出的鑄態(tài)鎂合金試樣進(jìn)行了OM、SEM、XRD 等分析，并分別進(jìn)行了兩種鎂合金的力學(xué)性能、阻尼性能和耐磨損性能測(cè)試與分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn):
( 1) 納米金屬鈦改性的高強(qiáng)鎂合金Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5% 納米Ti 由α-Mg 基體和少量的Mg3( Gd，Zn) 相、Ti 組成; 納米金屬鈦的添加，可以顯著提高鎂合金Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 的力學(xué)性能、耐磨損性能和阻尼性能。
( 2) 在25 ℃測(cè)試條件下，本文制備的納米改性高強(qiáng)鎂合金Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5%納米Ti 較未添加納米Ti 的Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 鎂合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別增加79%，116% 和74%; 在0℃測(cè)試條件下分別增加75%，106% 和218%; 在250℃測(cè)試條件下分別增加304%，656%和111%。
( 3) 與Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 鎂合金相比，高強(qiáng)鎂合金Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5% 納米Ti 在6 × 10 - 5，20 × 10 - 5， 40 × 10 - 5 應(yīng)變振幅下的阻尼性能分別提高54%、77%和81%; 250 ℃磨損體積和摩擦因數(shù)分別減小68%和11%。
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