Al2O3颗粒增强AZ91D镁基复合材料的研究

范艳艳，李秋书，李亚斐

（1.河南平高电气股份有限公司，河南平顶山市 467001；2.太原科技大学，太原 030024）

Al2O3颗粒增强AZ91D镁基复合材料的研究

范艳艳1，李秋书2，李亚斐1

（1.河南平高电气股份有限公司，河南平顶山市 467001；2.太原科技大学，太原 030024）

以平均颗粒尺寸为30nm的Al2O3颗粒作为增强相，采用全液态搅拌铸造法制备了Al2O3/AZ91D复合材料。通过光学显微分析、XRD衍射分析、SEM扫描和EDS能谱分析、硬度测试等检测手段对复合材料的显微组织和性能进行了研究。研究结果表明：由于初生相α-Mg在Al2O3颗粒表面非均质形核及Al2O3颗粒阻碍α-Mg相生长的双重作用使Al2O3/AZ91D复合材料的晶粒得到了明显细化，而且复合材料的硬度明显高于AZ91D合金，并随着Al2O3颗粒加入量的增加，其复合材料的硬度不断提高。

Al2O3颗粒；复合材料；显微组织；硬度

镁基复合材料具有优良的力学和物理性能，在新兴技术领域中比传统金属材料和铝基复合材料的应用潜力更大，因此，20世纪80年代末，镁基复合材料已成为金属基复合材料领域的研究热点之一。过去对该材料的大量研究工作主要针对国防和航天应用领域的需要，随着新型制造工艺的研究和镁价格的下降，镁基复合材料在交通工具（主要指汽车、摩托车）、风动工具、医疗器械、运动娱乐器械以及其他先进的工程领域有望得到更广泛的应用。

目前，国际上对镁基复合材料的研究较为活跃，美国、日本、德国、加拿大、英国、中国等国家的一些大学和研究机构都开展了许多镁基复合材料方面的研究工作，现已开发出多种镁基复合材料，主要采用石墨纤维、SiC颗粒和晶须以及Al2O3纤维和颗粒做增强体[1-6]。但是，现有的研究工作大多集中在镁基复合材料的制备方法和工艺方面，关于镁基复合材料的力学性能仍缺乏系统的研究，不同的研究者得出的结果有时相差甚远。因此，对镁基复合材料的力学性能进行深入研究是非常必要的。

本研究选用工业上广泛应用的AZ91D镁合金为基体，以纳米级的Al2O3作为增强相制备镁基复合材料，并对其组织及性能的影响机理进行了研究，为镁基复合材料特别是颗粒增强镁基复合材料的进一步研究和实际应用提供可靠的理论依据。

1 实验材料和方法

本实验所用基体材料为AZ91D铸造镁合金，其成分（质量分数）如表1所示。加入的增强相为纳米级的Al2O3颗粒，颗粒尺寸大约为20～30nm，加入量分别为0.3%、0.5%和0.8%。

表1 AZ91D的化学成分

采用全液态搅拌法制备AZ91D的化学成分/AZ91镁基复合材料，具体方法：将镁合金放入电阻炉中熔化，期间通入0.025%的四氟乙烷（CH2FCF3）与干燥空气的混合气体进行保护。待AZ91D镁合金锭全部溶化后，将用铝箔包好的Al2O3颗粒放入金属液中，并进行机械搅拌，搅拌时间约为3min，以使Al2O3颗粒在镁液中充分扩散。搅拌后的熔体静置8～10min，使搅拌过程中产生的氧化物与熔体分离，并有利于镁合金液中密度较大的杂质沉淀，浇注温度在740℃左右。合金的热处理在SX2-4-10型箱式电阻炉中进行，具体工艺参数为：420℃×10h固溶+170℃×16h时效。

将制备好的试样，经过磨平、抛光、浸蚀后，在金相显微镜下进行显微组织观察。用Rigaku D/max2500型X衍射仪分析相组成，使用HITACHI S-3000N型扫描电镜及XFORD-250型能谱仪进行元素的分布分析。合金的硬度测试在HB3000型布氏硬度机上进行。

2 实验结果及分析

2.1 铸态下复合材料的显微组织及分析

不同Al2O3加入量复合材料的金相组织如图1所示。

根据Mg-Al二元合金相图和Mg-Al-Zn三元合金相图[7]，AZ91镁合金的铸态组织由基体相α-Mg固溶体、沿晶界呈不连续网状或块状分布的共晶组织α+β（Mg17Al12）和晶粒内部的黑色析出相 β（Mg17Al12）颗粒组成（如图 1所示）。图 1（b）~（d）是不同 Al2O3加入量下合金的铸态显微组织。图1（b）为加入0.3%Al2O3颗粒后复合材料的显微组织，可以看出，纳米Al2O3颗粒的加入使共晶组织α+β（Mg17Al12）细化，沿晶界分布的半连续的网状的β（Mg17Al12）相减少，其中一部分转变为细小、弥散、均匀分布的颗粒状，促使树枝晶组织向等轴晶组织转化，说明纳米Al2O3颗粒的加入改善了合金的铸态组织。由图1（c）明显可以看出，随着Al2O3加入量的进一步增加，当达到0.5%时，出现更多细小、弥散分布的颗粒，但是晶粒尺寸没有明显的变化。由图1（d）可见，当Al2O3加入量为0.8%时，合金的连续网状组织更加明显，而且晶粒有长大的趋势，晶界处出现了钝化现象。

图2为Al2O3加入量为0.8%时合金的XRD衍射谱图，从图中可以看出加入Al2O3后合金中除了AZ91D合金的Mg和Mg17Al12，还检测到了新的化合物相Al2O3和MgO，分析原因是由于Al2O3在纯铝中是稳定的，但在Al-Mg合金中，一部分的Al2O3颗粒与镁合金接触并向晶内渗透、扩散发生界面反应，形成MgO或尖晶石MgAl2O4，反应式如下[8-9]：

图1 不同Al2O3加入量的复合材料铸态组织

图2 含0.8%Al2O3的AZ91D镁基复合材料XRD衍射谱

Al2O3+MgO→MgAl2O4

其中，MgAl2O4是良好的结合剂，更能促进界面的结合，但经XRD分析，只生成了MgO，说明实验条件没有达到生成MgAl2O4的要求。

图3为加入量为0.8%Al2O3的合金的背散射图片和能谱分析结果，由能谱结果分析可知，加入Al2O3后颗粒沿晶界和晶内分布，但是由于尺寸大小的限制，在SEM图片中不能看到Al2O3颗粒的具体分布形貌。观察扫描电镜图片可以看出复合材料的表面平整，基体与颗粒增强体结合良好。

颗粒增强镁基复合材料晶体结构的形成受多方面因素的影响，在本实验中，从图1中加入Al2O3颗粒前后合金的铸态显微组织变化可以看出，加入Al2O3颗粒后可以明显细化基体晶粒尺寸，分析认为：Al2O3颗粒对铸态复合材料基体组织的细化作用可能是初生相α-Mg相在Al2O3颗粒表面非均质形核及Al2O3颗粒阻碍初生α-Mg相生长共同作用的结果。

2.2 固溶处理后复合材料的显微组织

图4为420℃×10h固溶处理后复合材料的显微组织，从图中明显可以看出加入0.3%的Al2O3纳米颗粒后，复合材料的组织相对未加时的AZ91D合金得到了明显的细化，当加入量为0.5%时，合金的晶粒与加入量为0.3%时相比变化不大，但是当加入量达到0.8%时，复合材料的组织则有明显的粗化现象。由于AZ91D中的主要强化相为β-Mg17Al12相，其熔点较低（437℃），高温易软化，因此固溶后的组织与图1的铸态显微组织相比，呈网络状或断续网状分布的β-Mg17Al12相基本上完全融入α-Mg基体中，能明显看到晶界。在合金的每个晶粒内部，可看到一些不规律分布的网状组织，作者认为这些组织为在热处理过程中形成的亚晶界，它为面缺陷的一种，将合金组织分成若干区域的边界，每个区域内具有相同的晶体结构，区域之间有不同的取向。

为了确定图4中的黑点状化合物成分，对含0.5%Al2O3的合金试样进行了扫描电镜和能谱分析，如图5所示。对谱图4所指化合物成分的能谱分析结果显示，该化合物各元素的原子百分比为：O∶Mg∶Al∶Mn=4.0∶17.29∶46.00∶42.70，则可判定此化合物为AZ91D合金中的微量元素Mn固溶于Al中形成的化合物MnAl。

2.3 Al2O3对AZ91D镁合金硬度的影响

图3 含0.8%Al2O3的AZ91D合金的SEM图片和EDS分析

图4 固溶处理后复合材料的显微组织

图5 含0.5%Al2O3的AZ91D固溶态合金的SEM图片和EDS分析

图6为铸态和固溶时效处理后复合材料的硬度与Al2O3加入量的关系曲线，从图中可以看出，未加入Al2O3纳米颗粒时AZ91D镁合金的铸态硬度为54.3HB，但当加入Al2O3颗粒后，其布氏硬度明显增加，当加入量为0.3%时，复合材料的布氏硬度为66.8HB，Al2O3加入量增至0.5%时，复合材料硬度为73.2；而加入量为0.8%时，其硬度可达80.4HB，比未加的AZ91D合金提高了约48.1%。

图6 Al2O3/AZ91D复合材料的硬度与Al2O3颗粒加入量的关系

以上结果表明，加入Al2O3颗粒可以使AZ91D镁合金的布氏硬度得到显著提高，究其原因：一方面是由于作为第二相的Al2O3颗粒的细晶强化作用；另一方面，Al2O3颗粒的加入导致了在复合材料的基体尤其是发生界面反应附近的基体中产生高密度的位错和大量的孪晶，有效地抵制了局部的变形，从而提高了合金的硬度。而热处理后复合材料硬度的提高则是固溶时效强化的结果。

3 结论

（1）在AZ91D合金中加入Al2O3后所制得的复合材料，由于初生相α-Mg在Al2O3颗粒表面非均质形核及Al2O3颗粒阻碍初生α-Mg相生长的双重作用，使AZ91D镁合金的组织得到了明显的细化。

（2）加入Al2O3颗粒后复合材料的布氏硬度明显高于未加时的AZ91D镁合金的布氏硬度，并且随着Al2O3颗粒加入量的增加，其布氏硬度不断增加。经固溶时效处理后复合材料的布氏硬度相对于铸态时复合材料来说也得到了一定程度的提高。

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A study on AZ91D Mg Matrix Compound Materials Enforced by Al2O3Particles

FAN YanYan1，LI QiuShu2，LI YaFei1
（1.Henan Pinggao Electric Co.Ltd.，pingdingshan 467001，Henan China；2.Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，Shanxi China）

The Al2O3/AZ91D Mg matrix composite，Which is AZ91D Mg alloy reinforced by Al2O3particulates with average sizes of 30nm，had been fabricated using the fluxless casting technique.The microscopic structure and performance of compound material has been studied by means of optical microscopic，XRD，SEM and EDS，hardness testing and so on.Experimental results showed that the Al2O3/AZ91D matrix grains were obviously refined by both heterogeneous nucleation of primary phase α-Mg on the surface of Al2O3particles and prohibited growth of α-Mg phase.The Brinell hardness of Al2O3/AZ91D magnesium matrix composite was obviously higher than AZ91D alloys，and Brinell hardness of Al2O3/AZ91D magnesium matrix composite can be continuously enhanced with the increasing of addition of Al2O3particles.

Al2O3particles；Mg matrix composite；Microscopic structure；Hardness

TG 146.2+2；

A

1006-9658（2011）01-4

山西省科技攻关项目（2007032037）

2010－09－01

2010－132

范艳艳（1984-），女，河南平顶山人，助理工程师，硕士，主要从事铸造技术工作