材料英文论文翻译

材料先进制备技术

论文翻译

姓名房立家

学号15080502003

年级 2015级 学历层次硕士 授课老师马国俊

专业材料学

所在院系机械工程学院

2015年12月27日

经过高能球磨随后再结晶退火处理的预制AZ91

镁合金粉的微观结构演变

摘要：这项研究分析了高能球磨随后再结晶退火处理对预制AZ91镁合金粉的

微观结构特征的影响。为此，使用水平球磨机球磨14小时之后得到上述粉末。然后，机械球磨粉末在氩气保护下从200~500℃范围内再结晶退火处理一小时升到四小时。AZ91粉末微粒溶入它们的α-镁固溶体机制中，此时高能球磨产生了β-Mg17Al12相。此外，经过高能球磨之后，α-镁相的微晶大小减小到了25纳米。与热处理时间形成对比，再结晶退火处理的温度对机械球磨的AZ91粉末的微观结构特征有一个显著效果。

1. 前言

近年来镁合金作为一种结构材料受到很大关注，由于其具有很多优良的性质，比如低密度，较高的强度重量比，良好的阻尼特性，卓越的可加工性以及良好的铸造性能[1]。关于镁合金的多数研究和发展都应用在汽车工业方面；由于镁具有密排六方晶体结构，室温下的加工性能差，因此压铸成为镁产品的主要生产路线[2,3]。

尽管镁产品的市场还在发展，但是由于镁合金的低刚度和强度，有很多方面尚未开发[4]。由于镁的滑移系有限及其相对应的较大的泰勒因子，晶粒细化很大程度提高了镁及其合金的机械性能。众所周知，晶粒细化后的镁合金在室温下展现了高强度和高韧性良好的结合，并且在升温的条件下具有超塑性[5,6]。

在20世纪60年代，本杰明和他的同事们首次提出高能球磨，用来制造氧化物弥散强化的镍基超合金[7]。近年来，这项技术广泛应用在生产纳米级材料的产品上。纳米维度的粒子大小已经在几乎所有的机械球磨的纯金属，合金和金属间化合物中发现[8,9]。

尽管通过高能球磨加工纳米轻质材料，比如铝合金和复合材料，已成为许多研究的主题[10-12]，但是对于镁及其合金的高能球磨的研究比较少。然而，由于晶粒细化的镁合金有独一无二良好的性能结合，因此高能球磨处理镁合金具有相当大的潜力。在所有存在的镁合金中，AZ91是工业上应用最广泛的合金[13]。因此，本研究主要致力于通过高能球磨制造纳米级AZ91镁合金。此外，通过粉末冶金手段巩固机械球磨粉末，比如冷压和烧结，粉末挤压，粉末锻造和粉末轧制成型。在紧接着的高温巩固加工过程中，研究了球磨AZ91粉末在不同温度下再结晶退火处理的显微结构的演变。

2. 材料与方法

本研究所使用的原材料是伴有化学成分的镁-铝-锌预制合金粉末（俄卡颗粒，德国），它相当于AZ91 D合金（质量百分比分别为8.8% 铝, 0.6%锌, 0.2%锰, 0.03%硅, 其余的为镁）。在水平球磨机中球磨上述粉末（CM01,ZOZ球磨机，产于德国），使用以下球磨参数: 球粉质量比为20/1，磨球直径为5毫米，磨球材料为符合美国钢铁协会420的不锈钢材质，球磨时间为14小时，球磨速度为700转/分钟,球磨气体为氩气。硬脂酸（质量占2%）作为过程控制剂。经过高能球磨的镁基粉末在卸载时需要采取特别预防措施。球磨之后，此刻经球磨的粉末是热的（或者说至少是温的），不能立刻打开盖子。此外，打开盖子之后卸载之前，球磨粉料必须暴露在空气中两三个小时。另外，由于与氧气相互作用，卸载粉料时有可能着火。随后进行对机械球磨AZ91（MM AZ91）粉末再结晶退火处理，在氩气中进行4小时热处理，温度分别为200℃, 300℃, 400℃和500℃。

通过X-射线衍射研究了经过高能球磨随后再结晶退火处理的AZ91微观结构演变和相的转变。此外，使用威廉姆森-霍尔方法，通过XRD峰值宽度判断AZ91粉末基α-镁固溶体的微晶尺寸。

3. 结果与讨论

机械球磨：AZ91粉末微粒是不规则的，片状的（图1.a），平均微粒大小在105微米左右并且尺寸分布较宽（D0.9–D0.1=183mm）。这个形态是经过铸造锭的机械球磨制造的镁基粉末所特有的。

机械球磨AZ91粉末（图1.b）是等轴形状的，这意味着在球磨加工时，球磨时间14个小时是足够充分地达到稳态，此时冷压焊与粉末微粒的破碎达到平衡。测量机械球磨AZ91粉末的平均颗粒尺寸和尺寸分布(D0.9–D0.1)分别为37微米和100微米，这表明球磨处理对AZ91粉末的颗粒尺寸特征有一个非常明显的影响。

图1.a. AZ91和b. MM AZ91粉末的形态

AZ91和机械球磨AZ91粉末的XRD衍射花样展示在图2。β-Mg17Al12析出相和α-镁固溶体基质构成了AZ91粉末微粒的微观结构。这种结构是AZ91铸件所特有的[14]。高能球磨显著地影响了α-镁相衍射峰的强度和宽度，经过高能球磨上述的峰变得更弱更宽。这种现象归因于经过高能球磨，颗粒尺寸减小，微晶细化，增加了晶格畸变，AZ91粉末微粒经剧烈的塑性变形所有性能都得到提升。另外，在对高能球磨AZ91粉末进行XRD衍射分析时，几乎没有检测到β-Mg17Al12相的衍射峰，这与在α-镁粉末微粒基质中β-Mg17Al12相的分布有关。另一个可能性是高能球磨使得β-Mg17Al12相细化成非常小的弥散体分布在α-镁相中，因此，XRD很难检测到。AZ91铸造件的晶粒尺寸正常范围在10微米~150微米之间[14,15]。用于本研究的AZ91粉末是通过机械球磨AZ91铸造锭生产得到。考虑到AZ91粉末（105微米）的生产方法和平均颗粒尺寸，可以断定它的粉末颗粒具有极小的尺寸。机械球磨的AZ91粉末的微晶尺寸和晶格畸变，经计算分别为25纳米和0.53%。高的晶格畸变意味着AZ91粉末微粒在高能球磨过程中经历了剧烈的塑性变形，因此，显微结构的缺陷的密度很高。得到的微晶尺寸与晶格畸变的数据可以与高能球磨铝基粉末之前的报道吻合良好[10,16]。人们提议使用各种模型去描述经高能球磨纳米结构的形成机制。

图2. AZ91（点线）和机械球磨AZ91（实线）粉末的XRD衍射花样

再结晶退火：机械球磨AZ91粉末分别在200℃、300℃、400℃和500℃下退火处理一小时之后的XRD衍射花样展示在图3.a。在上述温度下对机械球磨AZ91粉末退火处理，其α-镁（101）衍射峰的位移也展示在图3.b。如图3所示，在200℃下退火一小时使在机械球磨AZ91粉末的XRD衍射花样中的β-Mg17Al12相的衍射峰升高并且使α-镁（101）峰衍射角降低，这是由于机械球磨AZ91粉末基

体的过饱和α-镁固溶体和β-Mg17Al12析出相形成和生长对铝原子的排斥作用。然而，当退火温度从200℃增加到300℃时，β-Mg17Al12相衍射峰的强度减小，α-镁（101）峰几乎又回到最初的衍射角，这与在这个温度下铝原子在α-镁相中的溶解度增加有关。在退火温度为400℃和500℃时，β-Mg17Al12相衍射峰消失，并且α-镁（101）峰的衍射角变得更高，这表明β-Mg17Al12相完全溶解在含有AZ91粉末颗粒的α-镁基质中。为了在α-镁基质中完全溶解β-Mg17Al12析出相，AZ91铸造件一般在415℃下退火和均质处理12~24小时[14]。然而，退火处理一个小时这么短的时间完全能够把β-Mg17Al12相完全分散在含有机械球磨AZ91粉末颗粒的α-镁基质中，这表明铝原子在α-镁相中的扩散速度非常快。此外，β-Mg17Al12相在机械球磨AZ91粉末中加速溶解也是由于分散在机械球磨AZ91粉末微粒的微观结构中的β-Mg17Al12析出相比那些在AZ91铸造件的微观结构中发现的β-Mg17Al12析出相明显更小的这个事实。

图3.a 机械球磨粉末在不同温度下退火一小时的XRD衍射花样和b α-镁（101）衍射峰的位移

机械球磨粉末在300℃下退火1~4小时的XRD衍射花样展示在图4.a,显示了所有机械球磨粉末的微观结构改变都发生在退火的第一个小时，随后检测到微观结构没有明显地改变。这归因于含有机械球磨AZ91粉末颗粒的α-镁固溶体基质中的合金元素扩散速率较快，促使目前在机械球磨AZ91粉末颗粒的微观结构中，结构缺陷和晶界的高密度。

机械球磨粉末在300℃下退火4小时后晶粒尺寸为80纳米（图4.b）,这表明经过高能球磨处理的AZ91合金微观结构有很好的热稳定性。良好的热稳定性是由于纳米镁氧化物和碳化物在机械球磨AZ91粉末颗粒结构中均匀分布造成的。镁基粉末表面覆盖了一层3~5纳米薄的坚固氧化层，它是分散的并且经过高能球磨进入到粉末微粒结构中。然而，经过高能球磨，镁可能与过程控制剂发生反应并且形成纳米尺度的镁碳化物。LECO测量证实了AZ91粉末的氧碳含量质量百分比分别从为0.015%增加到0.012%，经过机械球磨从0.045%增加到1.52%.在高温下，镁氧化和碳化弥散体阻碍机械球磨AZ91晶体的生长。

图4.机械球磨AZ91粉末在300℃下退火不同时间的XRD衍射花样a和微晶尺寸b

4.结论

本文研究了经过高能球磨和随后再结晶退火处理的预制AZ91合金粉的形态和微观结构演变。球磨过程明显的改变了AZ91粉末的形态和尺寸分布。此外，经过高能球磨AZ91粉末的微观结构明显细化。在小于或等于300℃的温度下，退火处理机械球磨AZ91粉末能够提高β-Mg17Al12相的衍射峰的强度。然而，在400℃下退火一小时就足够是β-Mg17Al12析出相完全分散在含有机械球磨AZ91粉末颗粒的α-镁基质中。经过高能球磨处理的AZ91合金纳米结构具有良好的热稳定性，机械球磨AZ91粉末在300℃下退火四小时，能够保持它的微晶尺寸低于100纳米。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7c22.html