高强镁合金的纳米金属改性探究

1 引言

镁合金因其比重轻、抗震减震性好、可回收性佳等原因，在航空航天、轨道交通、汽车、摩托车、电子电器等领域得到越来越多的应用。随着轻量化要求的进一步提高，镁合金正经历着前所未有的好时机，但是在高强镁合金研究领域，镁合金的性能还难以达到市场需求，无法满足客户要求，迫切需要人们进一步对高强镁合金进行研究和改性。纳米材料由于与众不同的物理、化学性能，在材料改性领域备受科研工作者和专家学者的关注。但是，在高强镁合金的改性研究方面，采用纳米金属进行改性的研究还较少。为此，本文采用搅拌辅助熔炼法制备了纳米金属钛改性的高强镁合金Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5% 纳米Ti，并进行了显微组织、物相组成、力学性能、阻尼性能和耐磨损性能的测试与分析。

2 实验材料与方法

2. 1 试样材料

实验以工业级金属为原料，在JJZ-45 型中频感应熔炼炉中制备纳米金属钛改性的高强镁合金Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5%纳米Ti。制备时，先于700 ℃熔化金属Mg; 然后升温至740 ℃，加入金属Zn 和Mg-10Gd、Mg-5Zr、Mg-5Mn 中间合金; 然后降温至710 ℃，加入纳米Ti 保温20 min; 熔炼过程中一直进行超声振动辅助搅拌; 熔炼过程中采用混合气体作为保护气( V( SF6)∶ V( CO2) = 1∶ 6) 。实验采用铁模进行浇注，空气冷却，然后车除表面氧化皮得到纳米金属改性的高强镁合金试样。

2. 2 实验方法

纳米金属钛改性的高强镁合金Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5%纳米Ti，采用XPert PRO 型X 射线衍射仪进行分析。显微组织采用PG25 型金相显微镜和JSM6510 型扫描电子显微镜进行观察，金相腐蚀剂的配比为苦味酸6 g、冰醋酸2 mL、乙醇100 mL、磷酸0. 5 mL、去离子水1 mL。力学性能采用UH-100GL 型拉伸实验机，测试温度分别为0，25 和250 ℃，拉伸试样的尺寸，如图1 所示。阻尼性能采用悬臂梁方法进行室温测试，测试试样尺寸为90 mm 5 mm 2 mm，表面粗糙度 1. 6 m，测试的应变频率为160 Hz，应变振幅分别为6 10 - 5，2 10 - 4 和4 10 - 4。耐磨损性能采用THT 型高温摩擦磨损测试仪进行测试，测试温度分别为0，25 和250 ℃，并采用PG25 型金相显微镜对磨损实验后的试样表面进行观察。

3 结果与讨论

3. 1 XRD 分析

纳米金属钛改性的高强镁合金Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5% 纳米Ti 的XRD 图谱，可看出，该高强镁合金由-Mg 基体和少量的Mg3( Gd，Zn) 相、Ti 相组成; 未发现含Zr 的化合物相，这主要是因为合金中Zr 的添加量太少。

3. 2 显微组织

纳米Ti 高强镁合金的显微组织金相照片和SEM照片。，纳米金属钛改性的高强镁合金组织致密、晶粒较为细小，第二相分布较为均匀，呈弥散的颗粒状分布在基体中。

3. 3 力学性能

本文对采用相同制备工艺获得的纳米钛高强镁合金以及未添加纳米钛的镁合金分别进行了0，25 和250℃拉伸实验。试样的力学性能测试结果如图5 所示。从图5 可以看出，本文制备的纳米改性高强镁合金的力学性能较未添加纳米钛的Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 镁合金显著提高。其中在25 ℃ 测试条件下，抗拉强度从315 MPa 增加至564 MPa，增加了79%; 屈服强度从224 MPa 增加至483 MPa，增加了116%; 断后伸长率从16. 4%增加至28. 5%，增加了74%。在0 ℃测试条件下，抗拉强度从336 MPa 增加至588 MPa，增加了75%; 屈服强度从241 MPa 增加至497 MPa，增加了106%; 断后伸长率从8. 2% 增加至26. 1%，增加了218%。在250 ℃测试条件下，抗拉强度从134 MPa 增加至541 MPa，增加了304%; 屈服强度从62 MPa 增加至469 MPa，增加了656%; 断后伸长率从18. 7% 增加至39. 4%，增加了111%。

由此可以看出，本文制备的纳米金属改性高强镁合金具有较佳的力学性能，纳米金属钛的添加不仅提高了Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 镁合金的室温和低温力学性能，而且显著提高了合金的高温力学性能。这主要是因为纳米Ti 的添加，显著细化了Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 镁合金的内部显微组织，促使合金中的第二相以颗粒状弥散分布在基体中，使其在高温环境下更有效地抵制高温变形，从而提高了合金的高温力学性能。

可以看出，本文制备的纳米Ti 高强镁合金的拉伸断口的断裂方式都是韧性断裂与解理断裂的混合断裂方式，但断口中韧窝较未添加纳米Ti 的Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 镁合金更加细小、数量更多，撕裂棱明显减少，表现出更好的拉伸性能。这与合金的强度测试结果一致。

3. 4 阻尼性能

采用相同制备工艺获得的纳米Ti 高强镁合金以及未添加纳米Ti 的镁合金，在室温下的阻尼性能测试。

从测试结果以看出，与未添加纳米Ti 的Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 镁合金相比，添加了纳米Ti 的高强镁合金Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5%纳米Ti 的阻尼损耗因子得到了明显提高。其中，在6 10 - 5 应变振幅下，高强镁合金Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5%纳米Ti 的阻尼损耗因子较Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 镁合金从1. 731 10 - 3 增加至2.662 10 - 3，提高了54%; 在20 10 - 5 应变振幅下，高强镁合金Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5%纳米Ti 的阻尼损耗因子较Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 镁合金从1. 911 10 - 3 增加至3. 384 10 - 3，提高了77%; 在40 10 - 5 应变振幅下，高强镁合金Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5% 纳米Ti 的阻尼损耗因子较Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 镁合金从1. 983 10 - 3增加至3. 582 10 - 3，提高了81%。阻尼损耗因子表征了材料的阻尼性能，阻尼损耗因子越大，材料的阻尼性能越好。由此可以看出，纳米Ti 的添加，显著改善了Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 镁合金的阻尼性能。

3. 5 耐磨损性能

采用相同制备工艺获得的Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5%纳米Ti 高强镁合金以及未添加纳米Ti 的Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 镁合金，分别在0，25 和250 ℃进行磨损实验。

在磨损时间为40 min 的情况下，当耐磨损性能测试温度从0 ℃提高至250 ℃时，高强镁合金Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5%纳米Ti 的磨损体积和摩擦因数都较未添加纳米Ti 的Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 镁合金明显减小，合金的耐磨损性能得到明显提高。其中， 250 ℃磨损体积从1. 9 mm3 减小至0. 6 mm3，减小了68%; 250 ℃摩擦因数从0. 267 减小至0. 238，减小了11%。由此可以看出，纳米Ti 的添加显著提高了在低温、室温和高温环境下的耐磨损性能。

在250 ℃测试环境下，随着磨损时间的延长，添加了纳米Ti 的高强镁合金的磨损体积和摩擦因数都较未添加纳米Ti 的Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 镁合金有所减少。综上，认为纳米Ti 的添加，显著改善了Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 镁合金的耐磨损性能。图12 为250 ℃条件下磨损40 min 后上述两种镁合金的试样表面形貌。从图12 可以看出，未添加纳米Ti的Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 镁合金的磨损表面出现了较多的起皮或脱落，试样的磨损现象非常严重; 而添加纳米Ti 的Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5% 纳米Ti 高强镁合金磨损表面未有明显的起皮或脱落，仅出现了轻微的磨痕，试样的磨损现象轻微。这也可以看出高强镁合金Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5%纳米Ti 的耐磨损性能较Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 镁合金得到了明显提高。这与试样的磨损体积、摩擦因数测试结果一致。

综上所述，纳米金属钛的添加，显著提高了Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 高强镁合金的力学性能、阻尼性能和耐磨损性能。在力学性能方面，由于纳米Ti 的添加，显著细化了合金晶粒，促使合金中的第二相以细小颗粒状弥散分布在镁基体中，从而显著提高了在拉伸过程中合金抵抗变形的能力，也提高了合金的力学性能。在阻尼性能方面，纳米Ti 的添加，促进合金在交变应力作用下的位错运动加剧，而位错运动会消耗能量，从而使合金表现出更好的阻尼性能。在耐磨损性能方面，纳米Ti 的添加，使得在摩擦磨损过程中纳米粒子较合金中的其它粗晶粒优先软化，表现出小尺寸效应，从而提高合金的耐磨损性能。

4 结论

为了提高高强镁合金的力学性能，在Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 镁合金中添加了1. 5% 纳米Ti，并对制备出的铸态镁合金试样进行了OM、SEM、XRD 等分析，并分别进行了两种镁合金的力学性能、阻尼性能和耐磨损性能测试与分析，结果发现:

( 1) 纳米金属钛改性的高强镁合金Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5% 纳米Ti 由-Mg 基体和少量的Mg3( Gd，Zn) 相、Ti 组成; 纳米金属钛的添加，可以显著提高镁合金Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 的力学性能、耐磨损性能和阻尼性能。

( 2) 在25 ℃测试条件下，本文制备的纳米改性高强镁合金Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5%纳米Ti 较未添加纳米Ti 的Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 镁合金的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别增加79%，116% 和74%; 在0℃测试条件下分别增加75%，106% 和218%; 在250℃测试条件下分别增加304%，656%和111%。

( 3) 与Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr 镁合金相比，高强镁合金Mg-3Gd-2Zn-0. 5Zr-1. 5% 纳米Ti 在6 10 - 5，20 10 - 5， 40 10 - 5 应变振幅下的阻尼性能分别提高54%、77%和81%; 250 ℃磨损体积和摩擦因数分别减小68%和11%。