0. 引言
節(jié)能減排推動(dòng)了輕質(zhì)金屬材料的廣泛應(yīng)用，因而提升輕質(zhì)金屬材料的性能成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[1]。鎂合金作為密度最小的金屬結(jié)構(gòu)材料[2]，具有比強(qiáng)度和比剛度超高、電磁屏蔽性能良好、環(huán)保易回收等優(yōu)點(diǎn)[3]，在航空航天、交通、通信和醫(yī)療等領(lǐng)域具有顯著的商業(yè)價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。但是，鎂合金具有密排六方結(jié)構(gòu)，在室溫變形時(shí)沒有足夠的滑移系，其變形能力差且塑性低，因此應(yīng)用受限[4]。提高鎂合金的力學(xué)性能特別是塑性變形能力，有助于進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。
根據(jù)Hall-Petch理論，減小晶粒尺寸可以提高金屬材料的屈服強(qiáng)度[5]。鈦是極具潛力的鎂合金晶粒細(xì)化劑，鈦與α-Mg具有較低的晶格錯(cuò)配度，會(huì)使鎂合金凝固過程中產(chǎn)生較大的成分過冷，從而形成細(xì)小晶粒[6-7]。相比于鈦，TiN的硬度更高，耐腐蝕性能和導(dǎo)電性能更加優(yōu)異，與α-Mg之間的晶格錯(cuò)配度也較低[8]，理論上也能作為α-Mg良好的異質(zhì)形核核心，從而細(xì)化晶粒。然而，由于TiN的穩(wěn)定性較高，目前研究較多集中于TiN在硬質(zhì)涂層方面的應(yīng)用上[9]，少有將TiN添加進(jìn)鎂合金中的研究報(bào)道。作者以AZ61鎂合金為研究對象，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的TiN添加到AZ61鎂合金中，研究了TiN對鑄態(tài)和擠壓態(tài)AZ61鎂合金物相組成、顯微組織和力學(xué)性能的影響，旨在發(fā)現(xiàn)一種新型晶粒細(xì)化劑，以提升AZ61鎂合金的力學(xué)性能，拓寬其應(yīng)用范圍。
1. 試樣制備與試驗(yàn)方法
試驗(yàn)材料包括工業(yè)純鎂（純度大于99.9%）、純鋁（純度大于99.9%）、純鋅（純度大于99.9%）、純錳（純度大于99.9%）和TiN粉末（平均粒徑1 μm，用鋁箔包裹并壓縮成塊）。按照AZ61鎂合金的名義成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%，6Al，0.3Mn，1Zn，余Mg）配料，并在其中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5% TiN，在CO2和SF6混合氣體保護(hù)下置于1 023 K變頻電磁攪拌爐中，并在中、低、高頻下分別攪拌5 min，以確保各成分充分混合，保溫15 min后澆注到石墨模具中，得到直徑為58 mm、高為98 mm的鑄態(tài)鎂合金。對鑄態(tài)合金進(jìn)行673 K×24 h固溶處理，空冷，以消除成分偏析，隨后采用臥式擠壓機(jī)將其擠壓成厚度為4 mm、寬為38 mm的矩形板，擠壓溫度為583 K，擠壓比為17.4∶1。將添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5% TiN的AZ61鎂合金記作AZ61+TiN鎂合金。對比試樣為采用相同工藝制備得到的未添加TiN的鑄態(tài)和擠壓態(tài)AZ61鎂合金。
采用Smartlab9型多功能X射線衍射儀（XRD）對合金的物相組成進(jìn)行分析，工作電壓為20 kV，工作電流為50 mA，掃描范圍為20°~80°，掃描速率為4 （°）·min?1。在試驗(yàn)合金上截取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光，用由2 g草酸、1 mL濃硝酸（HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于65%）、2 mL冰醋酸、100 mL去離子水組成的混合溶液腐蝕后，采用Zeiss 200 MAT型光學(xué)顯微鏡（OM）觀察顯微組織，采用Image Pro軟件測定鑄態(tài)合金的晶粒尺寸。采用FEI Quanta 250型掃描電鏡（SEM）觀察微觀形貌，用SEM附帶的能譜儀（EDS）進(jìn)行微區(qū)成分分析。采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%高氯酸乙醇溶液對合金進(jìn)行電解拋光，電解電壓為23 V，電解時(shí)間為45 s，采用SEM的電子背散射衍射（EBSD）模式對晶粒和織構(gòu)進(jìn)行分析。按照ASTM E8/E8M-22 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials，在試驗(yàn)合金上截取拉伸試樣，拉伸試樣的標(biāo)距為15 cm，采用WDS-50型萬能拉伸壓縮試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為1 mm·min?1，測3個(gè)試樣取平均值。采用SEM觀察拉伸斷口形貌，并用其附帶的EDS進(jìn)行元素面掃描。
2. 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 物相組成和顯微組織
由圖1可以看出：鑄態(tài)AZ61鎂合金主要由α-Mg相、β-Mg17Al12相、Al8Mn5相組成；添加TiN后，AZ61鎂合金中出現(xiàn)TiN的衍射峰，除此之外與未添加TiN合金相比未見其他相的衍射峰，這說明TiN未與其他元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
由圖2可以看出：鑄態(tài)AZ61鎂合金的晶粒尺寸較大，當(dāng)添加TiN后，晶粒尺寸宏觀上顯著減?。粩D壓后2種合金均發(fā)生再結(jié)晶，且晶粒進(jìn)一步細(xì)化，但在添加TiN的擠壓態(tài)合金中有部分明顯的粗大晶粒，說明該區(qū)域發(fā)生了不完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。鑄態(tài)AZ61鎂合金的平均晶粒尺寸為243.2 μm，而添加TiN后平均晶粒尺寸減小至90.2 μm，晶粒細(xì)化率高達(dá)62.9%，說明添加TiN對鑄態(tài)AZ61鎂合金具有顯著的晶粒細(xì)化作用。擠壓態(tài)AZ61鎂合金的晶粒平均尺寸為8.1 μm，加入TiN后平均晶粒尺寸進(jìn)一步縮小至5.1 μm，晶粒細(xì)化率達(dá)到37.1%，說明TiN對擠壓態(tài)AZ61鎂合金也具有晶粒細(xì)化效果。擠壓態(tài)合金的晶粒細(xì)化率低于鑄態(tài)合金。添加TiN后，合金中第二相含量明顯增多，且第二相尺寸較小，分布均勻。分布在晶界處的第二相可以對晶界遷移產(chǎn)生釘扎作用[10]，阻礙晶粒的生長。在擠壓過程中，合金中的第二相顆粒對晶粒的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程產(chǎn)生重要影響。與擠壓態(tài)AZ61鎂合金相比，擠壓態(tài)AZ61+TiN鎂合金中第二相含量較高，分散的第二相顆粒釘扎亞晶界，減緩動(dòng)態(tài)再結(jié)晶成核；由于相鄰顆粒之間的距離較小，亞晶界在潛在核形成前被釘扎，不易引起下一階段形核的發(fā)生[11]，因此擠壓態(tài)AZ61+TiN鎂合金在擠壓過程中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為受到抑制，形成了不完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒。計(jì)算得到TiN與α-Mg在[100]晶向、[011]晶向、[1210]晶向上的錯(cuò)配度分別為10.88%，17.04%，8.66%，均小于12%，因此TiN可作為AZ61鎂合金有效的異質(zhì)形核核心，在鑄造過程中細(xì)化合金晶粒[8]。擠壓態(tài)合金的晶粒尺寸小于鑄態(tài)合金主要是由于在583 K擠壓過程中合金發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶[12]。
由圖3結(jié)合表1可以看出：鑄態(tài)AZ61鎂合金中除了存在α-Mg相外，還存在長棒狀β-Mg17Al12相以及尺寸較大的顆粒狀A(yù)l8Mn5相，添加TiN后β-Mg17Al12相形態(tài)由長棒狀變?yōu)轭w粒狀，其尺寸減小，在晶界處存在聚集的富鈦相；擠壓態(tài)合金中基本不存在β-Mg17Al12相，表明此相已基本固溶進(jìn)基體，合金中的第二相主要為Al8Mn5相，添加TiN后，第二相尺寸減小，并且出現(xiàn)了富鈦相。由圖4結(jié)合XRD分析結(jié)果可以確定，鑄態(tài)和擠壓態(tài)AZ61+TiN鎂合金中的富鈦相為TiN。
