AZ91D鎂合金表面納米晶的熱穩定性能研究

摘?要：本文著重研究了經過激光沖擊強化（LSP）引起的AZ91D鎂合金表面納米晶層的熱穩定性。透射電子顯微鏡（TEM）和X射線衍射裝置（XRD）進行LSP后以表征AZ91D鎂合金的微觀結構的變化。用差熱顯示儀（DSC）和熱重分析法（TGA）檢測了非晶態鎂合金在LSP后的結晶溫度和焓。結果表明，經過激光沖擊強化技術的鎂合金AZ91D表面上產生的納米晶尺寸平均為40～50nm。納米晶可以在200℃之前保持穩定，并在200℃至300℃之間緩慢生長。當退火溫度超過300℃時，處于亞穩態的納米晶粒開始急劇生長，這主要是由于輸入能量足以使晶界發生遷移。

關鍵詞：激光沖擊強化;AZ91D鎂合金;結晶溫度;納米晶粒;晶界

1?緒論

由于低密度和高強度重量比，鎂合金已廣泛應用于電子、汽車和航空航天工業。然而，鎂合金顯示出低硬度和差的耐腐蝕性，嚴重限制了它們在工業實踐中的潛在用途激光沖擊強化技術是一種新的表面處理技術，這利用大功率短激光脈沖產生的高強度沖擊波來有效改善金屬材料的機械性能，例如強度、硬度和耐腐蝕性，尤其是抗疲勞斷裂性[1]。晶粒尺寸效應是納米晶體材料最重要的性能]。由于細晶粒和大體積分數的晶界，納米材料具有獨特的物理和機械性能。熱穩定性直接影響表面納米結晶樣品的應用范圍和使用環境。但是，隨著溫度的升高，納米結構將失去穩定性，高密度晶界將明顯降低。一旦表面納米晶體變成粗晶粒，其獨特而卓越的性能就會消失。已經發現，納米晶材料相對于粗晶粒材料表現出優異的性能。由激光沖擊強化技術誘導的表面納米結晶可在不改變化學成分和材料形狀的情況下極大地提高表面性能。然而，由納米晶體引起的表面性能的改善可以使材料在應用中具有良好的熱穩定性，并且納米晶材料的熱穩定性會隨合金中產生的不同納米晶體結構而變化。

2?實驗過程

AZ91D鎂合金的標稱化學成分為（重量%）：8.59.5Al，0.90.95Zn，0.170.40Mn，≤0.05Si，≤0.025Cu，≤0.001Ni，≤0.004Fe和余量Mg。LSP之前，將AZ91D鎂合金試樣用具有不同粗糙度等級（從400到1600）的SiC砂紙處理，然后在乙醇中用超聲波清洗劑清洗。在LSP期間，沖擊波由Nd：YAG激光產生，波長為1064nm，脈沖為10ns。為了使變形更均勻，激光點直徑為3mm，并且激光點的重疊率為50%。激光能量為6J。然后，將LSP后的所有樣品在室式電阻爐中分別在50℃，100℃，150℃，200℃，250℃，300℃和400℃的溫度下加熱20h，最后進行空氣冷卻至室溫。

3?結果與分析

3.1?LSP處理后表面層的微觀結構

LSP后樣品的微觀結構如圖1所示。可以清楚地觀察到具有明顯邊界的納米晶粒是等軸的。并且具有均勻的晶粒結構，平均晶粒尺寸約為40—50nm。SAED顯示完整的環而沒有斑點，這是典型的納米晶體SAED（圖1中的插圖）。這表明納米晶體層具有許多隨機取向和明顯的晶粒細化。由于殘余應力的存在，晶粒內部會發生對比度變化。

3.2?表面納米晶層的熱穩定性

圖2示出了在不同溫度下從LSP之后的樣品表面獲得的TEM圖像和相應的SAED圖案。從圖2（a）可以清楚地看到，在200℃的溫度下，有許多等軸納米顆粒具有明顯的邊界。樣品的平均晶粒尺寸為約70—80nm。并且相應的SAED表現出連續的完整環，表明納米晶體層具有更多的隨機取向。當退火溫度升至250℃時，根據圖2（b），納米晶粒略微長大，平均晶粒尺寸約為100—120nm。對于300℃退火的樣品（圖2（c）），平均晶粒尺寸約為140150nm。在同一晶粒的內部，存在對比度變化，表明存在殘余應力。此外，晶粒內部存在高密度的位錯和位錯纏結。當退火溫度高于400℃時，晶粒迅速粗化。從圖3可以清楚地看到，表面納米晶體的尺寸隨著退火溫度的升高而增大。

圖3是隨著退火溫度的升高晶粒尺寸的變化曲線。顯然，當退火溫度低于300℃時，晶粒尺寸幾乎沒有變化。平均大小約為70—80nm。當退火溫度達到400℃時，納米晶體急劇地生長到1500nm，沒有穩定性。對于經過嚴重塑性變形過程的納米晶材料，在晶粒，晶界，三角形晶界和邊界對中存在不同密度的位錯[2]。在300℃等溫退火之前，熱驅動力主要用于降低晶內位錯密度。然后，高密度位錯趨于規則并通過位錯的湮滅和重排而有序，而晶粒結構處于動態恢復中。由于邊界之間的聯系，該過程將比移動單晶界面消耗更多的能量[34]。因此，所有能量都被吸收到內部結構的運動中。當退火溫度超過300℃時，由于輸入能量達到晶界遷移的活化能，因此亞穩態的納米晶粒開始不穩定地生長。

3.3?LSP誘導的表面納米晶體的熱穩定性機理

AZ91D鎂合金的表面納米晶體在300℃之前顯示出出色的熱穩定性。主要因素是晶體缺陷。傳統的晶粒長大理論（GibbsThomson方程）顯示了晶粒長大驅動力與晶粒尺寸之間的關系。Δμ=4Ωγ/d。其中是晶粒生長的驅動力，d是晶粒尺寸，Ω是原子的體積，γ是界面能。在相對高溫條件下，原子遷移到表面和晶界或與間隙原子相互破壞，過飽和空位將消失。然后濃度逐漸接近平衡值。LSP引起的高密度位錯在晶界和晶界之間引起明顯的取向差異。高密度位錯與晶界之間的相互作用限制并阻礙了晶界的移動。晶粒的生長歸因于晶界的遷移，這是原子本質上的擴散。因此，當熱能足夠用于晶粒生長的活化能時，晶粒將急劇地不穩定地生長。另一個因素是納米晶體和粗晶粒的混合物。晶粒的不均勻分布會導致溶質在晶粒邊界上的急劇阻力[5]。因此，與粗晶粒相比，表面上的納米晶體很難長大。以上兩個因素共同改善了AZ91D鎂合金的熱穩定性。

4?結論

通過LSP成功地在AZ91D鎂合金上獲得了納米結構表面層。LSP誘導的AZ91D鎂合金表面納米晶體的平均晶粒尺寸約為40—50nm，在低于300℃的溫度下緩慢生長。然而，當退火溫度高于400℃時，晶粒尺寸急劇增加。晶體缺陷以及納米晶體和粗大晶粒的混合物是保持熱穩定性的兩個主要原因。高密度位錯是晶體缺陷的內在原因，溶質阻力則體現在納米晶體和粗晶粒混合物的內部。

參考文獻：

[1]黃晶晶.AZ91D鎂合金激光沖擊納米化強化機理及其性能研究[D].江蘇：江蘇大學，2016.

[2]張青來，鮑士喜，王榮，等.激光沖擊強化對AZ31和AZ91鎂合金表面形貌和電化學腐蝕性能的影響[J].中國有色金屬學報，2014，（10）：24652473.

[3]錢陽.AZ91DT6鎂合金激光沖擊強化及疲勞行為研究[D].江蘇：江蘇大學，2015.

[4]楊亞鵬，陳曉曉，張亞，等.激光沖擊強化對AZ91D鎂合金力學性能的試驗研究[J].應用激光，2018，38（5）：798804.

[5]張青來，吳鐵丹，錢陽，等.AZ91DT6鑄造鎂合金激光沖擊強化和高周疲勞性能研究[J].中國激光，2014，41（10）：8793.

作者簡介：黃晶晶（1990—?），女，漢族，江蘇阜寧人，碩士研究生，講師，研究方向：激光沖擊強化技術、城市軌道車輛技術、教育理論實踐。