熱擠壓對雙尺度SiCp/AZ91鎂基復合材料顯微組織與拉伸性能的影響

王翠菊，孫雪飛，聶凱波，鄧坤坤

熱擠壓對雙尺度SiCp/AZ91鎂基復合材料顯微組織與拉伸性能的影響

王翠菊，孫雪飛，聶凱波，鄧坤坤

（太原理工大學 材料科學與工程學院，太原 030024）

細化SiCp/AZ91鎂基復合材料基體晶粒，提高其拉伸強度。基于半固態攪拌鑄造的方法制備出雙尺度SiCp/AZ91鎂基復合材料（標記為M-9+S-1）。在不同溫度下對M-9+S-1進行慢速擠壓，研究擠壓溫度對其顯微組織和力學性能的影響規律。SiCp一方面能夠促進DRX形核，使M-9+S-1復合材料基體晶粒得以顯著細化；另一方面，能夠促進大量細小Mg17Al12相的動態析出，顯著提升熱擠壓后的性能。M-9+S-1經250 ℃熱擠壓后，基于動態析出和動態再結晶的雙重作用，拉伸性能得以顯著提升，其中，屈服強度和抗拉強度可分別提升至～342 MPa和～380 MPa。

顆粒增強鎂基復合材料；顯微組織；力學性能

作為自然界中能夠使用的最輕的金屬結構材料，鎂合金具有比強度高、散熱性和屏蔽性好等優點，是適用于航空航天、汽車、軌道交通、電子信息等領域的理想輕質材料，然而，模量低和耐磨性不足等本征問題使其應用范圍受限[1—2]。顆粒增強鎂基復合材料（Particle reinforced magnesium matrix composite，PMMCs）可兼顧鎂合金優點的同時彌補其不足，具有生產成本低、性能可控和后續加工性能好等優點，近年來備受關注[3—6]。

國內外研究學者對PMMCs的拉伸性能開展了大量研究工作，發現其強化機制主要有位錯強化、細晶強化、Orowan強化和載荷傳遞4種，但上述強化機制的強化效果與顆粒尺寸有密切聯系。微米顆粒主要在細晶強化和載荷傳遞作用中較為突出，因此微米顆粒的加入可大幅提高鎂的彈性模量、YS和UTS，但使其伸長率降低[7]。當顆粒尺寸小于1 μm時，位錯強化效果起主導作用。隨著顆粒尺寸的繼續降低，位錯強化和Orowan強化所占比重逐漸增大。當顆粒尺寸降至納米級時，由于其特有的尺寸效應而表現出優異的強化效果[8]。Nie等[9—10]對納米SiCp增強鎂基復合材料的研究表明，同基體合金相比，納米PMMCs具有更高的強度和伸長率，但由于難以制備高體積分數的納米PMMCs，其彈性模量提高受限。理論和試驗均已證實，單一尺寸PMMCs的強化效果存在短板。為充分發揮不同尺度顆粒強化優勢的同時彌補其不足，可借鑒天然生物材料多元和多尺度的結構特點，開發兩種及多種尺度顆粒增強鎂基復合材料，有望大幅提高鎂基復合材料的綜合力學性能。為此，文中基于攪拌鑄造的方式嘗試制備（亞微米+微米）雙尺度顆粒增強鎂基復合材料。基于慢速擠壓的方式，在復合材料中動態析出納米相，探討擠壓溫度對顆粒增強鎂基復合材料顯微組織和力學性能的影響規律。

1 材料及方法

文中以AZ91合金為基體合金，以SiC顆粒為強化相。AZ91合金中Al，Zn，Mn，Si元素的質量分數分別為8.54%，0.59%，0.17%，0.015%。選用亞微米（～0.5 μm）和微米（～5 μm）兩種尺度的SiCp，二者均為6H--SiC。采用半固態攪拌鑄造的方式制備出微米顆粒體積分數為9%、亞微米顆粒體積分數為1%的雙尺度SiCp/AZ91鎂基復合材料（標記為M-9+S-1），具體制備工藝如ZHANG Li等[11]所述：首先將AZ91合金加熱至720 ℃，待其熔化后，冷卻至580 ℃。將預熱至600 ℃的兩種尺度SiCp同時加入至熔體中，機械攪拌30 min，隨后升溫至720 ℃，澆鑄成形即得M-9+S-1復合材料鑄錠。

首先對鑄態M-9+S-1復合材料進行固溶處理，具體工藝為：在318 ℃處理2 h，在415 ℃處理22 h，之后進行水淬。對固溶處理后的M-9+S-1復合材料以0.1 mm/s的下壓速度進行熱擠壓，擠壓比為16︰1，擠壓溫度分別為250，300，350 ℃。

采用上海光學儀器廠生產的4XC光學金相顯微鏡（OM）和捷克泰思肯公司生產的MIRA 3XMU掃描電子顯微鏡（SEM）對擠壓前后的M-9+S-1復合材料進行組織分析。采用的腐蝕劑為：苦味酸5.5 g+酒精90 mL+乙酸5 mL+蒸餾水10 mL。采用丹東浩元儀器有限公司生產的DX-2700 X射線衍射儀（XRD）對M-9+S-1復合材料進行物相分析，掃描角度范圍為20°～80°，掃描速度為0.03（°）/s。

采用在美國英斯特朗公司生產的Instron 5569型微機控制電子萬能試驗機對M-9+S-1復合材料進行拉伸性能測試。試樣平行于擠壓方向，拉伸速率為0.5 mm/min，每種拉伸性能為3個測試試樣的平均值。

2 結果與分析

2.1 顯微組織

M-9+S-1復合材料固溶前后的顯微組織如圖1所示。由圖1a可知，SiCp主要沿晶呈“項鏈狀”界分布，這是由于凝固過程中SiCp被液-固界面前沿推至界面。此外，在晶界和SiCp附近有大量第二相析出，如圖1b所示。EDS分析表明，第二相主要含有Mg和Al兩種成分，如圖1c所示。結合由圖2所示XRD圖譜可知，該相為Mg17Al12。由圖1c還可看出，Mg17Al12相主要依附SiCp析出，表明SiCp對Mg17Al12相的析出具有促進作用。M-9+S-1復合材料經固溶處理后的顯微組織如圖1d—e所示，可見晶界和SiCp處Mg17Al12相顯著減少，表明多數Mg17Al12相已溶入至基體中，但在SiCp附近仍有少量顆粒狀Mg17Al12相殘留，如圖1f所示。

M-9+S-1復合材料在0.1 mm/s經不同溫度擠壓后的顯微組織見圖3。同圖1對比可知，M-9+S-1復合材料經熱擠壓后發生了動態再結晶（DRX），基體晶粒得以顯著細化，如圖3a—c所示。當擠壓溫度為250 ℃時，M-9+S-1復合材料的平均晶粒尺寸約為1.3 μm，隨著溫度升高，平均晶粒尺寸有所長大。

M-9+S-1復合材料經不同擠壓后SEM組織見圖3g—f，可見鑄態組織中“項鏈狀”顆粒分布消失，SiCp分布得更加均勻，并沿擠壓方向有一定的定向排布特征。當擠壓溫度由250 ℃升至350 ℃時，SiCp分布的均勻性得以進一步提高。

由圖3g—f還可看出，M-9+S-1復合材料基體中析出了大量細小的Mg17Al12相，其對應的放大圖分別如圖4a—c所示，可見Mg17Al12相主要沿DRX晶粒的晶界處析出，表明DRX的發生對Mg17Al12相的析出具有促進作用。圖4d為不同溫度下M-9+S-1復合材料基體中Mg17Al12相的平均尺寸與體積分數統計結果，當擠壓溫度為250 ℃時，Mg17Al12相的平均直徑和體積分數分別為～0.26 μm和～7.55%，隨擠壓溫度的升高，Mg17Al12相的平均直徑增大，但體積分數減少。當擠壓溫度增至350 ℃時，Mg17Al12相的平均直徑增大至～0.5 μm，體積分數降至～5.43%。

圖1 M-9+S-1復合材料的固溶前后的顯微組織

圖2 M-9+S-1復合材料的固溶前后的XRD

擠壓溫度對Mg17Al12相的影響與DRX情況密切相關。前期研究表明，在變形過程中，因SiCp同基體變形不匹配，在其周圍會形成一個顆粒直徑大小的高密度位錯、高取向梯度的區域，稱為PDZ[12]。研究認為，PDZ的形成有利于促進DRX形核，從而導致DRX晶粒細化。正是由于PDZ對DRX的促進作用，M-9+S-1復合材料在較低的擠壓溫度下（250 ℃），DRX已完全發生，如圖3a所示。此時，DRX晶粒細小，晶界數量較多，為Mg17Al12相的析出提供了較多的形核位置，但由于溫度低，Al原子擴散困難，故Mg17Al12相數量多但尺寸小。隨著擠壓溫度的升高，一方面DRX晶粒尺寸增大，晶界數量減少，Mg17Al12相的形核位置減少；另一方面，Al原子擴系數增大，易于同Mg作用生成Mg17Al12相。上述兩方面的原因，導致Mg17Al12相數量減少但尺寸增大。

圖3 M-9+S-1復合材料熱擠壓后的OM和SEM組織

圖4 M-9+S-1復合材料擠壓后的高倍SEM組織及Mg17Al12相尺寸與體積分數統計

除DRX外，SiCp對Mg17Al12相的析出也有重要影響。M-9+S-1復合材料微米SiCp附近的SEM組織及EDS如圖5所示。可見，微米SiCp附近Mg17Al12相數量較多，而遠離SiCp處Mg17Al12相數量較少，表明微米SiCp對Mg17Al12相的動態析出具有促進作用。遠離微米SiCp處的SEM組織放大見圖6，結合EDS可知，Mg17Al12相內含Si元素，這是由于亞微米SiCp被Mg17Al12相包覆的結果。可見，在熱擠壓過程中，亞微米SiCp也可作為Mg17Al12相的形核質點，對Mg17Al12相的動態析出具有促進作用。正是由于Mg17Al12相在亞微米SiCp表面的包覆析出，M-9+S-1復合材料第二相的尺寸較大。

2.2 力學性能

鑄態M-9+S-1復合材料的屈服強度（YS）、抗拉強度（UTS）和伸長率分別為～161 MPa，～178 MPa，～0.6%，如圖7所示。經250 ℃的熱擠壓后，YS，UTS和伸長率均得以顯著提升，分別增至～342 MPa，～380 MPa，～1.4%，分別提高了～112%，～113%，～133%。

圖5 M-9+S-1復合材料微米SiCp附近的SEM組織及EDS面掃

圖6 M-9+S-1復合材料遠離微米SiCp處的SEM組織及EDS面掃

圖7 M-9+S-1復合材料的屈服強度（YS）、抗拉強度（UTS）和伸長率

一般認為細化晶粒是提高材料強度和塑性的主要方式。如2.1所述，M-9+S-1復合材料在250 ℃擠壓后的平均晶粒尺寸僅有～1.3 μm，正是基體晶粒的顯著細化，使其YS，UTS和伸長率均得以大幅提高。此外，M-9+S-1復合材料經熱擠壓后SiCp分布更加均勻，從而使其載荷傳遞作用得以充分發揮，不僅有利于提高強度，還有利于改善塑性。由圖3—6還可以看出，M-9+S-1復合材料基體在熱擠壓過程中動態析出了大量細小的Mg17Al12相（平均直徑為～0.26 μm），在250 ℃擠壓時，體積分數可達7.55%，基于其對位錯運動的阻礙作用，亦可產生優異的強化效果。伴隨著擠壓溫度的升高，盡管顆粒的分布均勻性得以改善，但因基體晶粒長大，Mg17Al12相粗化且體積分數降低，使M-9+S-1復合材料的YS和UTS有所降低。

M-9+S-1復合材料擠壓后的正面拉伸斷口如圖8所示。在不同擠壓溫度的斷口上均發現了細小的微裂紋，如圖8紅色箭頭所示。圖8中A—I相的EDS結果如表1所示。結合EDS結果可知，D，F，H處黃色箭頭所示為Mg17Al12相，A，B，C，E，G，I紅色箭頭所示為SiCp。當擠壓溫度為250 ℃時，在SiCp與基體間存在微裂紋，如圖8a所示。此外，還可以發現SiCp自身的斷裂現象，如圖8d所示。擠壓溫度升至300 ℃時，除了SiCp與基體界面脫粘及其自身斷裂以外，還可以發現Mg17Al12相的斷裂現象，如圖8b和e所示。當溫度升至350 ℃時，Mg17Al12相的斷裂現象越發明顯，如圖8c和f所示。

表1 擠壓態M-9+S-1復合材料的EDS結果（原子數分數）

Tab.1 EDS results of the as-extruded M-9+S-1 composite (atom fraction) %

圖8 M-9+S-1復合材料熱擠壓后正面拉伸斷口

M-9+S-1復合材料擠壓后的側面拉伸斷口，如圖9所示。不同擠壓溫度下的側面斷口上，均在顆粒密集區發現了微裂紋。可見，M-9+S-1復合材料在拉伸變形時，在顆粒密集區更易發生應力集中，導致顆粒與基體界面處、顆粒自身缺陷處更易誘發微裂紋的形核和擴展，從而導致材料斷裂，與圖8結果一致。

圖9 M-9+S-1復合材料熱擠壓后的側面拉伸斷口

3 結語

1）因SiCp對DRX形核的促進作用，M-9+S-1復合材料經熱擠壓后基體晶粒得以顯著細化，隨擠壓溫度的升高，晶粒尺寸長大。

2）M-9+S-1復合材料在熱擠壓過程中析出了大量細小的Mg17Al12相，SiCp對Mg17Al12相的析出具有促進作用。

3）M-9+S-1經250 ℃熱擠壓后，YS，UTS和伸長率均得以顯著提升，分別提高了～112%，～113%和～133%。隨擠壓溫度的升高，因基體晶粒長大、Mg17Al12相的粗化和體積分數的減少，YS，UTS有所降低。

[1] NIMITYONGSKUL S, JONES M, CHOI H, et al. Grain Refining Mechanisms in Mg-Al Alloys with Al4C3Microparticles[J]. Materials Science and Engineering: A, 2010, 527: 2104—2111.

[2] SUN Xue-fei, WANG Cui-ju, DENG Kun-kun, et al. Aging Behavior of AZ91 Matrix Influenced by 5 μm SiCp: Investigation on the Microstructure and Mechanical Properties[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2017, 727: 1263—1272.

[3] MIRACLE D B. Metal Matrix Composites-From Science to Technological Significance[J]. Composites Science and Technology, 2005, 65: 2526—2540.

[4] FAN Ding-ge, DENG Kun-kun, WANG Cui-ju, et al. Improved Workability of an Mg-5wt.%Zn Alloy by the Addition of Trace SiCp[J]. Materials Today Communications, 2020, 25: 101474.

[5] 王彥, 王慧遠, 馬寶霞, 等. 顆粒增強鎂基復合材料的研究現狀[J]. 材料科學與工藝, 2006(14): 321—325. WANG Yan, WANG Hui-yuan, MA Bao-xia, et al. The Present Status of Particulate Reinforced Magnesium Matrix Composites[J]. Materials Science and Technology, 2006(14): 321—325.

[6] WANG Xiao-jun, NIE Kai-bo, SA Xing-jun, et al. Microstructure and Mechanical Properties of SiCp/Mg- Zn-Ca Composites Fabricated by Stir Casting[J]. Materials Science and Engineering: A, 2012, 534: 60—67.

[7] ZHANG Z, CHEN D L. Consideration of Orowan Strengthening Effect in Particulate-Reinforced Metal Matrix Nanocomposites: A Model for Predicting Their Yield Strength[J]. Scripta Materialia, 2006, 54: 1321— 1326.

[8] 何廣進, 李文珍. 納米顆粒分布對鎂基復合材料強化機制的影響[J]. 復合材料學報, 2013, 30(2): 105—110. HE Guang-jin, LI Wen-zhen. Influence of Nano Particle Distribution on the Strengthening Mechanisms of Magnesium Matrix Composites[J]. Acta Material Composite Sinica, 2013, 30(2): 105—110.

[9] NIEKai-bo, WANG Xiao-jun, HU Xiao-shi, et al. Microstructure and Mechanical Properties of SiC Nanoparticles Reinforced Magnesium Matrix Composites Fabricated by Ultrasonic Vibration[J]. Materials Science and Engineering: A, 2011, 528: 5278—5282.

[10] NIE Kai-bo, DENG Kun-kun, WANG Xiao-jun, et al. Microstructures and Mechanical Properties of SiCp/AZ91 Magnesium Matrix Nanocomposites Processed by Multidirectional Forging[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2015, 622: 1018—1026.

[11] ZHANG Li, SU Kun, DENG Kun-kun, et al. Hot Tensile Behavior and Deformation Mechanism of Mg-5Al-2Ca Alloy Influenced by SiC Particles[J]. Mechanics of Materials, 2020, 150: 103599.

[12] SHI Quan-xin, WANG Cui-ju, DENG Kun-kun, et al. Microstructure and Mechanical Behavior of Mg-5Zn Matrix Influenced by Particle Deformation Zone[J]. Journal of Materials Science and Technology, 2021, 60: 8—20.

Microstructure and Tensile Properties of Bimodal Size SiCp/AZ91 Magnesium-Based Composite Influenced by Hot Extrusion

WANG Cui-ju, SUN Xue-fei, NIE Kai-bo, DENG Kun-kun

(College of Materials Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

To refine grain size and improve the tensile strength of the SiCp/AZ91 magnesium-based composite, the present work fabricated bimodal size SiCp/AZ91 magnesium-based composite (denoted as “M-9+S-1”) through semi-solid stir casting technology. After extruding M-9+S-1 at different temperature with low speed, its microstructure and tensile properties were investigated. The results indicate that the existence of SiCpcan not only promote the nucleation of DRX and result in the obvious grain refinement of M-9+S-1 composite, but also is propitious to the dynamic precipitation of Mg17Al12phase for the significant improvement of properties after hot extrusion. With the double effect of DRX and dynamic precipitation promoted SiCp, the tensile properties of M-9+S-1 composite are improved obviously after extrusion at 250 ℃, and the YS and UTS of which are improved to ～342 MPa and ～380 MPa, respectively.

particle reinforced magnesium-based composite; microstructure; mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.03.007

TG146

A

1674-6457(2021)03-0070-07

2021-01-12

國家自然科學基金（52001223，51771128，51771129）

王翠菊（1983—），女，博士，主要研究方向為鎂合金及其復合材料成形。

鄧坤坤（1983—），男，博士，教授，主要研究方向為鎂、鋁輕金屬及其復合材料制備與成形。