Al2 O3 粒子在鎂合金空化強化中的作用效果

劉 磊，郭華鋒，于 萍，李龍海，陸興華

（徐州工程學(xué)院機電工程學(xué)院，江蘇徐州 221000）

0 引言

鎂在地殼金屬元素中含量位居第3，鎂及其合金被稱為“21 世紀綠色金屬工程材料”［1-2］。但是，盡管鎂合金具有許多優(yōu)良特性，然而與其他傳統(tǒng)金屬材料相比，鎂合金的絕對強度、硬度等性能較低［3］，耐磨損性能較差［4］，這嚴重阻礙了其在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。因此，改善鎂合金材料的性能，提高其強度、硬度等性能已成迫切需要解決的難題。

近年來，輕質(zhì)合金相應(yīng)的強化理論、技術(shù)迅速發(fā)展［5-7］。Zhang等［8］研究了機械噴丸對ZK60 鎂合金疲勞性能的影響。而空化強化的基本原理與噴丸類似，且表面質(zhì)量更佳，更能提高復(fù)雜或微型零部件的疲勞強度［9］。空泡脈動過程中產(chǎn)生的高速微射流等同于流暢中的水錘壓力作用在固體材料表面，從而改變材料表面性能的一種微射流機制［10-11］；Soyama 等［12］設(shè)計了空化裝置利用高速射流產(chǎn)生空泡用于材料表面改性，高速水射流加強了材料表面的殘余壓應(yīng)力，提高了材料表面的力學(xué)性能，相對于噴丸處理材料表面形貌較為平整。

本文將機械噴丸強化與空化強化相結(jié)合，以鎂合金為研究對象，在水中加入Al2O3納米粒子，通過空化泡潰滅產(chǎn)生的能量將Al2O3粒子打入樣品，實現(xiàn)鎂合金的性能強化。

1 實驗方法

實驗采用SLQS1000 超聲波空化實驗機，實驗裝置如圖1 所示。

圖1 實驗裝置圖

實驗參數(shù)：超聲功率800 W；超聲頻率20 kHz；變幅桿直徑φ15.8 mm，距離樣品表面0.5 mm；設(shè)定溫度25 ℃。

選取AZ31 鎂合金為實驗對象，尺寸20 mm ×20 mm×0.2 mm；Al2O3粒子的直徑小于500 nm；鎂合金樣品在實驗前拋光至5 000 目。

實驗過程：鎂合金樣品置于純水溶液中，將Al2O3納米粒子加入純水中，攪拌使其均勻懸浮于水中，超聲誘導(dǎo)空化，當空泡在樣品近壁面發(fā)生潰滅時，在微射流沖擊波的作用下Al2O3粒子以一定能量撞擊樣品并滲入表面，實現(xiàn)強化。作用時間5 min，分析強化效果及影響。

采用掃描電鏡（FEI Inspect F50），X 射線光電子能譜儀（賽默飛EscaLab 250Xi），維氏硬度計對樣品進行表征測試。觀察表面形貌、化學(xué)態(tài)、硬度等參數(shù)的變化。

2 結(jié)果與討論

為分析Al2O3粒子在強化過程中的作用效果，對比了不含Al2O3粒子的純空化強化，作用5 min 后樣品表面形貌如圖2 所示。

由圖2（a）可以看出，強化5 min 后樣品表面出現(xiàn)凹坑，直徑1～4 μm 之間。作用機制：由空化潰滅產(chǎn)生的微射流沖擊造成，最初為作用點處的微小變形，并逐漸在邊緣產(chǎn)生剪切破壞，最終形成凹坑。同時，由于微射流的沖擊方向與強度并不相同，導(dǎo)致了樣品表面某些位置產(chǎn)生的變形更劇烈，因此出現(xiàn)較大直徑凹坑，如圖3 所示。

圖2 空化強化作用5 min時合金表面形貌

圖3 微射流沖擊示意圖

圖2（b）與圖2（a）區(qū)別明顯，作用5 min后樣品表面形貌變化較大，不僅出現(xiàn)較多凹坑，且部分凹坑逐漸相互聯(lián)通，因此，在邊緣處的過渡更加平滑；且凹坑內(nèi)部存在圓形顆粒，尺寸小于500 nm，表明Al2O3粒子滲入了樣品表面。

因此，加入Al2O3粒子后，推測強化機制在于通過空泡潰滅的能量傳遞給粒子，繼而由粒子沖擊樣品表面，而不是潰滅能量直接作用于樣品，因此樣品承受的沖擊更加柔性，且凹凸形貌過渡區(qū)具有更顯著的連貫平滑特性，更好地避免了微裂紋、尖銳棱邊等形變問題［13］，且Al2O3納米粒子自身的強度硬度等性能較好，滲入樣品表面后強化效果更好。

為進一步證明Al2O3粒子的滲入并分析樣品中元素化學(xué)態(tài)的變化，樣品在兩種強化方式下的XPS 全譜以及Mg1s和Al2p的XPS高分辨譜圖如圖4 所示。

由圖4（a）可以看出，兩種強化方式經(jīng)過5 min 作用后，主峰的位置沒有明顯變化，說明物質(zhì)組成基本一致。

由圖4（b）可知，對于Mg元素，加入Al2O3粒子強化后，峰位置的結(jié)合能為1 303.1 eV，根據(jù)文獻［14］可知，其為金屬Mg；不含Al2O3粒子的純空化強化后，峰位在1 303.6 eV，同樣為金屬Mg；但原始未強化的樣品峰位置在1 303.9 eV，為MgO，原因是在強化實驗之前樣品表面的金屬Mg 長時間暴露于空氣中，被氧化產(chǎn)生MgO。因此，說明兩種強化方式均對表面形貌產(chǎn)生了改變，剝離了原始表面的MgO，將較深層的金屬Mg顯露。

圖4 XPS全譜及高分辨譜圖

由圖4（c）可知，兩種強化方式下樣品中Al 元素的結(jié)合能處于相同位置，表明成分相似，但是峰值強度差異明顯。能夠看出，含有Al2O3粒子時的峰值高于不含Al2O3粒子的純空化強化方式。具體參數(shù)為，原始樣品的Al2p波峰位于結(jié)合能72.7 eV處，其主要為金屬Al；經(jīng)過空化強化后峰位置往高能方向偏移，峰位為74.5 eV，表明金屬Al 失電子轉(zhuǎn)化為Al3+，以Al2O3形式存在，這是由于空化潰滅放熱所導(dǎo)致，所以相對于原始樣品，其結(jié)合能變化但強度卻基本相同，意味著Al價態(tài)變化但是含量不變；而含有Al2O3粒子強化后峰位同樣位于74.5 eV，但是在能量上更大，表明除了金屬Al受空化潰滅放熱影響轉(zhuǎn)化為Al2O3以外，還有溶液中的Al2O3粒子滲入樣品之中，因此導(dǎo)致Al元素含量增大，鋁元素含量：原始樣品2.36%，不含Al2O3粒子2.33%，含有Al2O3粒子3.4%。

為確定Al的具體化學(xué)態(tài)，對Al2p 的XPS 曲線進行分峰擬合，如圖5 所示。由圖5 可知，原始樣品存在3 個波峰，72.63 eV為金屬A1；74.92 eV 為Al2O3，76.06 eV 為Al2O3/A1。不含Al2O3粒子的純空化強化存在兩個波峰，74.18 eV、74.75 eV；加入Al2O3粒子后的強化也存在兩個波峰，73.98 eV、74.72 eV；均為Al2O3。

圖5 Al2p分峰擬合曲線

由于鋁氧四面體［AlO4］的A12p 結(jié)合能約為73.8 ±0.4 eV，鋁氧八面體［AlO6］的A12p 結(jié)合能約為74.5 ±0.4［15］。而圖4 中兩種強化方式Al2p 的分峰恰好處于這兩個范圍之內(nèi)，說明經(jīng)過兩種方式強化后的樣品中Al都是以Al2O3的形式存在，但是配位方式不同。表面硬度對比如下：原始樣品80.2 HV，不含Al2O3粒子91.6 HV，含有Al2O3粒子109.3 HV。

可以看出，空化強化5 min 后鎂合金表面硬度上升11.4 HV，加入Al2O3粒子后強化效果更為顯著，提高29.1 HV。表明Al2O3粒子的加入對性能強化起到了顯著地提升作用。

3 結(jié)語

空泡在樣品近壁面發(fā)生潰滅，Al2O3粒子在微射流沖擊波的作用下撞擊鎂合金表面、并滲入其中，實現(xiàn)強化。通過實驗證明，相較于純空化的強化方式，Al2O3粒子滲入樣品表面是其性能提高的主要因素，因此，其氧化態(tài)Al 的含量明顯較高，且表面硬度提升明顯。