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

（徐州工程學院機電工程學院，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良特性，然而與其他傳統金屬材料相比，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域的廣泛應用。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，輕質合金相應的強化理論、技術迅速發展［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，且表面質量更佳，更能提高復雜或微型零部件的疲勞強度［9］。空泡脈動過程中產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］設計了空化裝置利用高速射流產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力，提高了材料表面的力學性能，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，通過空化泡潰滅產生的能量將Al2O3粒子打入樣品，實現鎂合金的性能強化。

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：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，超聲誘導空化，當空泡在樣品近壁面發生潰滅時，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、化學態、硬度等參數的變化。

2 結果與討論

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 后樣品表面出現凹坑，直徑1～4 μm 之間。作用機制：由空化潰滅產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，導致了樣品表面某些位置產生的變形更劇烈，因此出現較大直徑凹坑，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）區別明顯，作用5 min后樣品表面形貌變化較大，不僅出現較多凹坑，且部分凹坑逐漸相互聯通，因此，在邊緣處的過渡更加平滑；且凹坑內部存在圓形顆粒，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態的變化，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，兩種強化方式經過5 min 作用后，主峰的位置沒有明顯變化，說明物質組成基本一致。

由圖4（b）可知，對于Mg元素，加入Al2O3粒子強化后，峰位置的結合能為1 303.1 eV，根據文獻［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，被氧化產生MgO。因此，說明兩種強化方式均對表面形貌產生了改變，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。具體參數為，原始樣品的Al2p波峰位于結合能72.7 eV處，其主要為金屬Al；經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 失電子轉化為Al3+，以Al2O3形式存在，這是由于空化潰滅放熱所導致，所以相對于原始樣品，其結合能變化但強度卻基本相同，意味著Al價態變化但是含量不變；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化為Al2O3以外，還有溶液中的Al2O3粒子滲入樣品之中，因此導致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的具體化學態，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 結合能約為73.8 ±0.4 eV，鋁氧八面體［AlO6］的A12p 結合能約為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，說明經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 結語

空泡在樣品近壁面發生潰滅，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Al 的含量明顯較高，且表面硬度提升明顯。