0.   引言

節(jié)能減排推動了輕質(zhì)金屬材料的廣泛應(yīng)用，因而提升輕質(zhì)金屬材料的性能成為當前研究的熱點[1]。鎂合金作為密度最小的金屬結(jié)構(gòu)材料[2]，具有比強度和比剛度超高、電磁屏蔽性能良好、環(huán)保易回收等優(yōu)點[3]，在航空航天、交通、通信和醫(yī)療等領(lǐng)域具有顯著的商業(yè)價值和廣泛的應(yīng)用前景。但是，鎂合金具有密排六方結(jié)構(gòu)，在室溫變形時沒有足夠的滑移系，其變形能力差且塑性低，因此應(yīng)用受限[4]。提高鎂合金的力學(xué)性能特別是塑性變形能力，有助于進一步擴大其應(yīng)用范圍。 

根據(jù)Hall-Petch理論，減小晶粒尺寸可以提高金屬材料的屈服強度[5]。鈦是極具潛力的鎂合金晶粒細化劑，鈦與α-Mg具有較低的晶格錯配度，會使鎂合金凝固過程中產(chǎn)生較大的成分過冷，從而形成細小晶粒[6-7]。相比于鈦，TiN的硬度更高，耐腐蝕性能和導(dǎo)電性能更加優(yōu)異，與α-Mg之間的晶格錯配度也較低[8]，理論上也能作為α-Mg良好的異質(zhì)形核核心，從而細化晶粒。然而，由于TiN的穩(wěn)定性較高，目前研究較多集中于TiN在硬質(zhì)涂層方面的應(yīng)用上[9]，少有將TiN添加進鎂合金中的研究報道。作者以AZ61鎂合金為研究對象，將質(zhì)量分數(shù)為0.5%的TiN添加到AZ61鎂合金中，研究了TiN對鑄態(tài)和擠壓態(tài)AZ61鎂合金物相組成、顯微組織和力學(xué)性能的影響，旨在發(fā)現(xiàn)一種新型晶粒細化劑，以提升AZ61鎂合金的力學(xué)性能，拓寬其應(yīng)用范圍。 

1.   試樣制備與試驗方法

試驗材料包括工業(yè)純鎂（純度大于99.9%）、純鋁（純度大于99.9%）、純鋅（純度大于99.9%）、純錳（純度大于99.9%）和TiN粉末（平均粒徑1 μm，用鋁箔包裹并壓縮成塊）。按照AZ61鎂合金的名義成分（質(zhì)量分數(shù)/%，6Al，0.3Mn，1Zn，余Mg）配料，并在其中添加質(zhì)量分數(shù)0.5% TiN，在CO2和SF6混合氣體保護下置于1 023 K變頻電磁攪拌爐中，并在中、低、高頻下分別攪拌5 min，以確保各成分充分混合，保溫15 min后澆注到石墨模具中，得到直徑為58 mm、高為98 mm的鑄態(tài)鎂合金。對鑄態(tài)合金進行673 K×24 h固溶處理，空冷，以消除成分偏析，隨后采用臥式擠壓機將其擠壓成厚度為4 mm、寬為38 mm的矩形板，擠壓溫度為583 K，擠壓比為17.4∶1。將添加質(zhì)量分數(shù)0.5% TiN的AZ61鎂合金記作AZ61+TiN鎂合金。對比試樣為采用相同工藝制備得到的未添加TiN的鑄態(tài)和擠壓態(tài)AZ61鎂合金。 

采用Smartlab9型多功能X射線衍射儀（XRD）對合金的物相組成進行分析，工作電壓為20 kV，工作電流為50 mA，掃描范圍為20°~80°，掃描速率為4 （°）·min−1。在試驗合金上截取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光，用由2 g草酸、1 mL濃硝酸（HNO3質(zhì)量分數(shù)大于65%）、2 mL冰醋酸、100 mL去離子水組成的混合溶液腐蝕后，采用Zeiss 200 MAT型光學(xué)顯微鏡（OM）觀察顯微組織，采用Image Pro軟件測定鑄態(tài)合金的晶粒尺寸。采用FEI Quanta 250型掃描電鏡（SEM）觀察微觀形貌，用SEM附帶的能譜儀（EDS）進行微區(qū)成分分析。采用質(zhì)量分數(shù)4%高氯酸乙醇溶液對合金進行電解拋光，電解電壓為23 V，電解時間為45 s，采用SEM的電子背散射衍射（EBSD）模式對晶粒和織構(gòu)進行分析。按照ASTM E8/E8M-22 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials，在試驗合金上截取拉伸試樣，拉伸試樣的標距為15 cm，采用WDS-50型萬能拉伸壓縮試驗機進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為1 mm·min−1，測3個試樣取平均值。采用SEM觀察拉伸斷口形貌，并用其附帶的EDS進行元素面掃描。 

2.   試驗結(jié)果與討論

2.1   物相組成和顯微組織

由圖1可以看出：鑄態(tài)AZ61鎂合金主要由α-Mg相、β-Mg17Al12相、Al8Mn5相組成；添加TiN后，AZ61鎂合金中出現(xiàn)TiN的衍射峰，除此之外與未添加TiN合金相比未見其他相的衍射峰，這說明TiN未與其他元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 

圖  1  鑄態(tài)AZ61鎂合金和AZ61+TiN鎂合金的XRD譜

Figure  1.  XRD pattern of as-cast AZ61 and as-cast AZ61+TiN magnesium alloys

由圖2可以看出：鑄態(tài)AZ61鎂合金的晶粒尺寸較大，當添加TiN后，晶粒尺寸宏觀上顯著減?。粩D壓后2種合金均發(fā)生再結(jié)晶，且晶粒進一步細化，但在添加TiN的擠壓態(tài)合金中有部分明顯的粗大晶粒，說明該區(qū)域發(fā)生了不完全動態(tài)再結(jié)晶。鑄態(tài)AZ61鎂合金的平均晶粒尺寸為243.2 μm，而添加TiN后平均晶粒尺寸減小至90.2 μm，晶粒細化率高達62.9%，說明添加TiN對鑄態(tài)AZ61鎂合金具有顯著的晶粒細化作用。擠壓態(tài)AZ61鎂合金的晶粒平均尺寸為8.1 μm，加入TiN后平均晶粒尺寸進一步縮小至5.1 μm，晶粒細化率達到37.1%，說明TiN對擠壓態(tài)AZ61鎂合金也具有晶粒細化效果。擠壓態(tài)合金的晶粒細化率低于鑄態(tài)合金。添加TiN后，合金中第二相含量明顯增多，且第二相尺寸較小，分布均勻。分布在晶界處的第二相可以對晶界遷移產(chǎn)生釘扎作用[10]，阻礙晶粒的生長。在擠壓過程中，合金中的第二相顆粒對晶粒的動態(tài)再結(jié)晶過程產(chǎn)生重要影響。與擠壓態(tài)AZ61鎂合金相比，擠壓態(tài)AZ61+TiN鎂合金中第二相含量較高，分散的第二相顆粒釘扎亞晶界，減緩動態(tài)再結(jié)晶成核；由于相鄰顆粒之間的距離較小，亞晶界在潛在核形成前被釘扎，不易引起下一階段形核的發(fā)生[11]，因此擠壓態(tài)AZ61+TiN鎂合金在擠壓過程中的動態(tài)再結(jié)晶行為受到抑制，形成了不完全動態(tài)再結(jié)晶晶粒。計算得到TiN與α-Mg在[100]晶向、[011]晶向、[1210]晶向上的錯配度分別為10.88%，17.04%，8.66%，均小于12%，因此TiN可作為AZ61鎂合金有效的異質(zhì)形核核心，在鑄造過程中細化合金晶粒[8]。擠壓態(tài)合金的晶粒尺寸小于鑄態(tài)合金主要是由于在583 K擠壓過程中合金發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶[12]。 

圖  2  不同試驗合金的顯微組織

Figure  2.  Microstructures of different test alloys: (a) as-cast AZ61 magnesium alloy; (b) as-cast AZ61+TiN magnesium alloy; (c) extruded AZ61 magnesium alloy and (d) extruded AZ61+TiN magnesium alloy

由圖3結(jié)合表1可以看出：鑄態(tài)AZ61鎂合金中除了存在α-Mg相外，還存在長棒狀β-Mg17Al12相以及尺寸較大的顆粒狀A(yù)l8Mn5相，添加TiN后β-Mg17Al12相形態(tài)由長棒狀變?yōu)轭w粒狀，其尺寸減小，在晶界處存在聚集的富鈦相；擠壓態(tài)合金中基本不存在β-Mg17Al12相，表明此相已基本固溶進基體，合金中的第二相主要為Al8Mn5相，添加TiN后，第二相尺寸減小，并且出現(xiàn)了富鈦相。由圖4結(jié)合XRD分析結(jié)果可以確定，鑄態(tài)和擠壓態(tài)AZ61+TiN鎂合金中的富鈦相為TiN。 

圖  3  不同試驗合金的SEM形貌

Figure  3.  SEM morphology of different test alloys: (a) as-cast AZ61 magnesium alloy; (b) as-cast AZ61+TiN magnesium alloy; (c) extruded AZ61 magnesium alloy and (d) extruded AZ61+TiN magnesium alloy

圖  4  鑄態(tài)和擠壓態(tài)AZ61+TiN鎂合金的EDS元素面掃描區(qū)域和結(jié)果

Figure  4.  EDS element map scan area (a, c) and results (b, d) of as-cast (a–b) and extruded (c–d) AZ61+TiN magnesium alloy

圖5中A1方向表示板材的橫向，A2方向表示板材的縱向。由圖5可以看出：擠壓態(tài)AZ61鎂合金內(nèi)部發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，大部分晶粒的c軸與擠壓法向平行；擠壓態(tài)AZ61+TiN鎂合金的動態(tài)再結(jié)晶程度更大，晶粒細化效果更顯著；擠壓態(tài)AZ61+TiN鎂合金的織構(gòu)強度達到18.659，高于未添加TiN時（7.108），高強度的織構(gòu)通常會降低材料的塑性變形能力[13]，因此擠壓態(tài)AZ61+TiN鎂合金的塑性較差；擠壓態(tài)AZ61+TiN鎂合金中還存在部分孿晶，這是由于TiN粒子阻礙位錯運動，導(dǎo)致位錯塞積，使得局部應(yīng)力集中，應(yīng)力集中為孿生提供了驅(qū)動力，促使孿晶出現(xiàn)以協(xié)調(diào)變形、釋放應(yīng)力。孿晶的出現(xiàn)會引入額外的晶界，晶界為薄弱區(qū)域，易成為裂紋的萌生位置和擴展路徑[14]。擠壓態(tài)AZ61鎂合金和AZ61+TiN鎂合金的施密特因子平均值分別為0.267和0.209；添加TiN后鎂合金的施密特因子較低，合金的滑移系較難開動，更多晶粒取向轉(zhuǎn)變?yōu)橛踩∠?，從而?dǎo)致擠壓態(tài)AZ61+TiN鎂合金的塑性較差[15]。 

圖  5  擠壓態(tài)AZ61和AZ61+TiN鎂合金的EBSD結(jié)果

Figure  5.  EBSD results of extruded AZ61 (a–c) and AZ61+TiN (d–f) magnesium alloys: (a, d) grain merphology; (b, e) inverse pole figure and (c, f)pole figure

2.2   拉伸性能和斷口形貌

由表2可知，與未添加TiN相比，添加TiN后鑄態(tài)AZ61鎂合金的抗拉強度、斷后伸長率、屈服強度分別降低了38.3%，31.3%，30.0%，擠壓態(tài)合金的抗拉強度、斷后伸長率、屈服強度分別降低3.3%，3.7%，28.3%。添加TiN后AZ61鎂合金的拉伸性能降低。 

由圖6可以看出：鑄態(tài)AZ61鎂合金拉伸斷口中存在大量冰糖結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)典型的沿晶斷裂特征[16]，該合金斷裂機制為脆性斷裂；鑄態(tài)AZ61+TiN鎂合金斷口中除了存在冰糖結(jié)構(gòu)和河流花樣外，還存在較多明顯的孔洞與裂紋，這些孔洞與裂紋的存在對合金的強度和塑性產(chǎn)生了不利影響；擠壓態(tài)AZ61鎂合金拉伸斷口中存在較多尺寸大而深的韌窩，這表明該合金在斷裂前經(jīng)歷了較大程度的塑性變形，其塑性較好；擠壓態(tài)AZ61+TiN鎂合金拉伸斷口中存在數(shù)量較多且較深的裂紋，還存在少量韌窩，與擠壓態(tài)AZ61鎂合金相比，韌窩的數(shù)量少、尺寸小，因此擠壓態(tài)AZ61+TiN合金的強度和塑性低于擠壓態(tài)AZ61鎂合金。由圖7可知，擠壓態(tài)AZ61+TiN鎂合金拉伸斷口裂紋處存在偏聚的TiN相。添加TiN后AZ61鎂合金的晶粒尺寸減小，理論上可以提高金屬材料的屈服強度[17]，同時組織中均勻分布的第二相可以阻止位錯移動，形成位錯積聚，從而提高合金強度[18]。然而，添加TiN后AZ61鎂合金的拉伸性能卻降低了，推測應(yīng)與晶界處硬度較高TiN相的偏聚、孿晶的產(chǎn)生、施密特因子的降低和織構(gòu)的增強有關(guān)。 

圖  6  不同試驗合金的拉伸斷口形貌

Figure  6.  Tensile fracture morphology of different test alloys: (a) as-cast AZ61 magnesium alloy; (b) as-cast AZ61+TiN magnesium alloy; (c) extruded AZ61 magnesium alloy and (d) extruded AZ61+TiN magnesium alloy

圖  7  擠壓態(tài)AZ61+TiN合金拉伸斷口的EDS元素面掃描區(qū)域和結(jié)果

Figure  7.  EDS element map scan area (a) and results (b) of extruded AZ61+TiN magnesium alloy

3.   結(jié)論

（1）添加TiN后鑄態(tài)和擠壓態(tài)AZ61鎂合金的晶界處出現(xiàn)TiN顆粒，TiN未與其他元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；TiN可以有效細化AZ61鎂合金的晶粒尺寸，其中鑄態(tài)合金的平均晶粒尺寸由243.2 μm減小到90.2 μm，擠壓態(tài)合金由8.1 μm減小到5.1 μm，擠壓態(tài)合金的晶粒細化率低于鑄態(tài)合金。添加TiN后，合金中第二相含量明顯增多，且第二相尺寸較小，分布均勻，在擠壓態(tài)組織中出現(xiàn)不完全動態(tài)再結(jié)晶晶粒。 

（2）添加TiN后鑄態(tài)AZ61鎂合金的抗拉強度、斷后伸長率、屈服強度分別降低了38.3%，31.3%，30.0%，擠壓態(tài)AZ61鎂合金的抗拉強度、斷后伸長率、屈服強度分別降低了3.3%，3.7%，28.3%，添加TiN后合金拉伸性能的降低與晶界處硬度較高TiN相的偏聚、孿晶的產(chǎn)生、施密特因子的降低和織構(gòu)的增強有關(guān)。

文章來源——材料與測試網(wǎng)