范艷艷，李秋書(shū)，李亞斐

（1.河南平高電氣股份有限公司，河南平頂山市 467001；2.太原科技大學(xué)，太原 030024）

Al2O3顆粒增強(qiáng)AZ91D鎂基復(fù)合材料的研究

范艷艷1，李秋書(shū)2，李亞斐1

（1.河南平高電氣股份有限公司，河南平頂山市 467001；2.太原科技大學(xué)，太原 030024）

以平均顆粒尺寸為30nm的Al2O3顆粒作為增強(qiáng)相，采用全液態(tài)攪拌鑄造法制備了Al2O3/AZ91D復(fù)合材料。通過(guò)光學(xué)顯微分析、XRD衍射分析、SEM掃描和EDS能譜分析、硬度測(cè)試等檢測(cè)手段對(duì)復(fù)合材料的顯微組織和性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：由于初生相α-Mg在A(yíng)l2O3顆粒表面非均質(zhì)形核及Al2O3顆粒阻礙α-Mg相生長(zhǎng)的雙重作用使Al2O3/AZ91D復(fù)合材料的晶粒得到了明顯細(xì)化，而且復(fù)合材料的硬度明顯高于A(yíng)Z91D合金，并隨著Al2O3顆粒加入量的增加，其復(fù)合材料的硬度不斷提高。

Al2O3顆粒；復(fù)合材料；顯微組織；硬度

鎂基復(fù)合材料具有優(yōu)良的力學(xué)和物理性能，在新興技術(shù)領(lǐng)域中比傳統(tǒng)金屬材料和鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用潛力更大，因此，20世紀(jì)80年代末，鎂基復(fù)合材料已成為金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。過(guò)去對(duì)該材料的大量研究工作主要針對(duì)國(guó)防和航天應(yīng)用領(lǐng)域的需要，隨著新型制造工藝的研究和鎂價(jià)格的下降，鎂基復(fù)合材料在交通工具（主要指汽車(chē)、摩托車(chē)）、風(fēng)動(dòng)工具、醫(yī)療器械、運(yùn)動(dòng)娛樂(lè)器械以及其他先進(jìn)的工程領(lǐng)域有望得到更廣泛的應(yīng)用。

目前，國(guó)際上對(duì)鎂基復(fù)合材料的研究較為活躍，美國(guó)、日本、德國(guó)、加拿大、英國(guó)、中國(guó)等國(guó)家的一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都開(kāi)展了許多鎂基復(fù)合材料方面的研究工作，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出多種鎂基復(fù)合材料，主要采用石墨纖維、SiC顆粒和晶須以及Al2O3纖維和顆粒做增強(qiáng)體[1-6]。但是，現(xiàn)有的研究工作大多集中在鎂基復(fù)合材料的制備方法和工藝方面，關(guān)于鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能仍缺乏系統(tǒng)的研究，不同的研究者得出的結(jié)果有時(shí)相差甚遠(yuǎn)。因此，對(duì)鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行深入研究是非常必要的。

本研究選用工業(yè)上廣泛應(yīng)用的AZ91D鎂合金為基體，以納米級(jí)的Al2O3作為增強(qiáng)相制備鎂基復(fù)合材料，并對(duì)其組織及性能的影響機(jī)理進(jìn)行了研究，為鎂基復(fù)合材料特別是顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的進(jìn)一步研究和實(shí)際應(yīng)用提供可靠的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

本實(shí)驗(yàn)所用基體材料為AZ91D鑄造鎂合金，其成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）如表1所示。加入的增強(qiáng)相為納米級(jí)的Al2O3顆粒，顆粒尺寸大約為20～30nm，加入量分別為0.3%、0.5%和0.8%。

表1 AZ91D的化學(xué)成分

采用全液態(tài)攪拌法制備AZ91D的化學(xué)成分/AZ91鎂基復(fù)合材料，具體方法：將鎂合金放入電阻爐中熔化，期間通入0.025%的四氟乙烷（CH2FCF3）與干燥空氣的混合氣體進(jìn)行保護(hù)。待AZ91D鎂合金錠全部溶化后，將用鋁箔包好的Al2O3顆粒放入金屬液中，并進(jìn)行機(jī)械攪拌，攪拌時(shí)間約為3min，以使Al2O3顆粒在鎂液中充分?jǐn)U散。攪拌后的熔體靜置8～10min，使攪拌過(guò)程中產(chǎn)生的氧化物與熔體分離，并有利于鎂合金液中密度較大的雜質(zhì)沉淀，澆注溫度在740℃左右。合金的熱處理在SX2-4-10型箱式電阻爐中進(jìn)行，具體工藝參數(shù)為：420℃×10h固溶+170℃×16h時(shí)效。

將制備好的試樣，經(jīng)過(guò)磨平、拋光、浸蝕后，在金相顯微鏡下進(jìn)行顯微組織觀(guān)察。用Rigaku D/max2500型X衍射儀分析相組成，使用HITACHI S-3000N型掃描電鏡及XFORD-250型能譜儀進(jìn)行元素的分布分析。合金的硬度測(cè)試在HB3000型布氏硬度機(jī)上進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 鑄態(tài)下復(fù)合材料的顯微組織及分析

不同Al2O3加入量復(fù)合材料的金相組織如圖1所示。

根據(jù)Mg-Al二元合金相圖和Mg-Al-Zn三元合金相圖[7]，AZ91鎂合金的鑄態(tài)組織由基體相α-Mg固溶體、沿晶界呈不連續(xù)網(wǎng)狀或塊狀分布的共晶組織α+β（Mg17Al12）和晶粒內(nèi)部的黑色析出相 β（Mg17Al12）顆粒組成（如圖 1所示）。圖 1（b）~（d）是不同 Al2O3加入量下合金的鑄態(tài)顯微組織。圖1（b）為加入0.3%Al2O3顆粒后復(fù)合材料的顯微組織，可以看出，納米Al2O3顆粒的加入使共晶組織α+β（Mg17Al12）細(xì)化，沿晶界分布的半連續(xù)的網(wǎng)狀的β（Mg17Al12）相減少，其中一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小、彌散、均勻分布的顆粒狀，促使樹(shù)枝晶組織向等軸晶組織轉(zhuǎn)化，說(shuō)明納米Al2O3顆粒的加入改善了合金的鑄態(tài)組織。由圖1（c）明顯可以看出，隨著Al2O3加入量的進(jìn)一步增加，當(dāng)達(dá)到0.5%時(shí)，出現(xiàn)更多細(xì)小、彌散分布的顆粒，但是晶粒尺寸沒(méi)有明顯的變化。由圖1（d）可見(jiàn)，當(dāng)Al2O3加入量為0.8%時(shí)，合金的連續(xù)網(wǎng)狀組織更加明顯，而且晶粒有長(zhǎng)大的趨勢(shì)，晶界處出現(xiàn)了鈍化現(xiàn)象。

圖2為Al2O3加入量為0.8%時(shí)合金的XRD衍射譜圖，從圖中可以看出加入Al2O3后合金中除了AZ91D合金的Mg和Mg17Al12，還檢測(cè)到了新的化合物相Al2O3和MgO，分析原因是由于A(yíng)l2O3在純鋁中是穩(wěn)定的，但在A(yíng)l-Mg合金中，一部分的Al2O3顆粒與鎂合金接觸并向晶內(nèi)滲透、擴(kuò)散發(fā)生界面反應(yīng)，形成MgO或尖晶石MgAl2O4，反應(yīng)式如下[8-9]：

圖1 不同Al2O3加入量的復(fù)合材料鑄態(tài)組織

圖2 含0.8%Al2O3的AZ91D鎂基復(fù)合材料XRD衍射譜

Al2O3+MgO→MgAl2O4

其中，MgAl2O4是良好的結(jié)合劑，更能促進(jìn)界面的結(jié)合，但經(jīng)XRD分析，只生成了MgO，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)條件沒(méi)有達(dá)到生成MgAl2O4的要求。

圖3為加入量為0.8%Al2O3的合金的背散射圖片和能譜分析結(jié)果，由能譜結(jié)果分析可知，加入Al2O3后顆粒沿晶界和晶內(nèi)分布，但是由于尺寸大小的限制，在SEM圖片中不能看到Al2O3顆粒的具體分布形貌。觀(guān)察掃描電鏡圖片可以看出復(fù)合材料的表面平整，基體與顆粒增強(qiáng)體結(jié)合良好。

顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料晶體結(jié)構(gòu)的形成受多方面因素的影響，在本實(shí)驗(yàn)中，從圖1中加入Al2O3顆粒前后合金的鑄態(tài)顯微組織變化可以看出，加入Al2O3顆粒后可以明顯細(xì)化基體晶粒尺寸，分析認(rèn)為：Al2O3顆粒對(duì)鑄態(tài)復(fù)合材料基體組織的細(xì)化作用可能是初生相α-Mg相在A(yíng)l2O3顆粒表面非均質(zhì)形核及Al2O3顆粒阻礙初生α-Mg相生長(zhǎng)共同作用的結(jié)果。

2.2 固溶處理后復(fù)合材料的顯微組織

圖4為420℃×10h固溶處理后復(fù)合材料的顯微組織，從圖中明顯可以看出加入0.3%的Al2O3納米顆粒后，復(fù)合材料的組織相對(duì)未加時(shí)的AZ91D合金得到了明顯的細(xì)化，當(dāng)加入量為0.5%時(shí)，合金的晶粒與加入量為0.3%時(shí)相比變化不大，但是當(dāng)加入量達(dá)到0.8%時(shí)，復(fù)合材料的組織則有明顯的粗化現(xiàn)象。由于A(yíng)Z91D中的主要強(qiáng)化相為β-Mg17Al12相，其熔點(diǎn)較低（437℃），高溫易軟化，因此固溶后的組織與圖1的鑄態(tài)顯微組織相比，呈網(wǎng)絡(luò)狀或斷續(xù)網(wǎng)狀分布的β-Mg17Al12相基本上完全融入α-Mg基體中，能明顯看到晶界。在合金的每個(gè)晶粒內(nèi)部，可看到一些不規(guī)律分布的網(wǎng)狀組織，作者認(rèn)為這些組織為在熱處理過(guò)程中形成的亞晶界，它為面缺陷的一種，將合金組織分成若干區(qū)域的邊界，每個(gè)區(qū)域內(nèi)具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，區(qū)域之間有不同的取向。

為了確定圖4中的黑點(diǎn)狀化合物成分，對(duì)含0.5%Al2O3的合金試樣進(jìn)行了掃描電鏡和能譜分析，如圖5所示。對(duì)譜圖4所指化合物成分的能譜分析結(jié)果顯示，該化合物各元素的原子百分比為：O∶Mg∶Al∶Mn=4.0∶17.29∶46.00∶42.70，則可判定此化合物為AZ91D合金中的微量元素Mn固溶于A(yíng)l中形成的化合物MnAl。

2.3 Al2O3對(duì)AZ91D鎂合金硬度的影響

圖3 含0.8%Al2O3的AZ91D合金的SEM圖片和EDS分析

圖4 固溶處理后復(fù)合材料的顯微組織

圖5 含0.5%Al2O3的AZ91D固溶態(tài)合金的SEM圖片和EDS分析

圖6為鑄態(tài)和固溶時(shí)效處理后復(fù)合材料的硬度與Al2O3加入量的關(guān)系曲線(xiàn)，從圖中可以看出，未加入Al2O3納米顆粒時(shí)AZ91D鎂合金的鑄態(tài)硬度為54.3HB，但當(dāng)加入Al2O3顆粒后，其布氏硬度明顯增加，當(dāng)加入量為0.3%時(shí)，復(fù)合材料的布氏硬度為66.8HB，Al2O3加入量增至0.5%時(shí)，復(fù)合材料硬度為73.2；而加入量為0.8%時(shí)，其硬度可達(dá)80.4HB，比未加的AZ91D合金提高了約48.1%。

圖6 Al2O3/AZ91D復(fù)合材料的硬度與Al2O3顆粒加入量的關(guān)系

以上結(jié)果表明，加入Al2O3顆粒可以使AZ91D鎂合金的布氏硬度得到顯著提高，究其原因：一方面是由于作為第二相的Al2O3顆粒的細(xì)晶強(qiáng)化作用；另一方面，Al2O3顆粒的加入導(dǎo)致了在復(fù)合材料的基體尤其是發(fā)生界面反應(yīng)附近的基體中產(chǎn)生高密度的位錯(cuò)和大量的孿晶，有效地抵制了局部的變形，從而提高了合金的硬度。而熱處理后復(fù)合材料硬度的提高則是固溶時(shí)效強(qiáng)化的結(jié)果。

3 結(jié)論

（1）在A(yíng)Z91D合金中加入Al2O3后所制得的復(fù)合材料，由于初生相α-Mg在A(yíng)l2O3顆粒表面非均質(zhì)形核及Al2O3顆粒阻礙初生α-Mg相生長(zhǎng)的雙重作用，使AZ91D鎂合金的組織得到了明顯的細(xì)化。

（2）加入Al2O3顆粒后復(fù)合材料的布氏硬度明顯高于未加時(shí)的AZ91D鎂合金的布氏硬度，并且隨著Al2O3顆粒加入量的增加，其布氏硬度不斷增加。經(jīng)固溶時(shí)效處理后復(fù)合材料的布氏硬度相對(duì)于鑄態(tài)時(shí)復(fù)合材料來(lái)說(shuō)也得到了一定程度的提高。

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A study on AZ91D Mg Matrix Compound Materials Enforced by Al2O3Particles

FAN YanYan1，LI QiuShu2，LI YaFei1
（1.Henan Pinggao Electric Co.Ltd.，pingdingshan 467001，Henan China；2.Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，Shanxi China）

The Al2O3/AZ91D Mg matrix composite，Which is AZ91D Mg alloy reinforced by Al2O3particulates with average sizes of 30nm，had been fabricated using the fluxless casting technique.The microscopic structure and performance of compound material has been studied by means of optical microscopic，XRD，SEM and EDS，hardness testing and so on.Experimental results showed that the Al2O3/AZ91D matrix grains were obviously refined by both heterogeneous nucleation of primary phase α-Mg on the surface of Al2O3particles and prohibited growth of α-Mg phase.The Brinell hardness of Al2O3/AZ91D magnesium matrix composite was obviously higher than AZ91D alloys，and Brinell hardness of Al2O3/AZ91D magnesium matrix composite can be continuously enhanced with the increasing of addition of Al2O3particles.

Al2O3particles；Mg matrix composite；Microscopic structure；Hardness

TG 146.2+2；

A

1006-9658（2011）01-4

山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目（2007032037）

2010－09－01

2010－132

范艷艷（1984-），女，河南平頂山人，助理工程師，碩士，主要從事鑄造技術(shù)工作