AZ91D镁合金表面纳米晶的热稳定性能研究

摘 要：本文着重研究了经过激光冲击强化（LSP）引起的AZ91D镁合金表面纳米晶层的热稳定性。透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射装置（XRD）进行LSP后以表征AZ91D镁合金的微观结构的变化。用差热显示仪（DSC）和热重分析法（TGA）检测了非晶态镁合金在LSP后的结晶温度和焓。结果表明，经过激光冲击强化技术的镁合金AZ91D表面上产生的纳米晶尺寸平均为40～50nm。纳米晶可以在200℃之前保持稳定，并在200℃至300℃之间缓慢生长。当退火温度超过300℃时，处于亚稳态的纳米晶粒开始急剧生长，这主要是由于输入能量足以使晶界发生迁移。

关键词：激光冲击强化;AZ91D镁合金;结晶温度;纳米晶粒;晶界

1 绪论

由于低密度和高强度重量比，镁合金已广泛应用于电子、汽车和航空航天工业。然而，镁合金显示出低硬度和差的耐腐蚀性，严重限制了它们在工业实践中的潜在用途激光冲击强化技术是一种新的表面处理技术，这利用大功率短激光脉冲产生的高强度冲击波来有效改善金属材料的机械性能，例如强度、硬度和耐腐蚀性，尤其是抗疲劳断裂性[1]。晶粒尺寸效应是纳米晶体材料最重要的性能]。由于细晶粒和大体积分数的晶界，纳米材料具有独特的物理和机械性能。热稳定性直接影响表面纳米结晶样品的应用范围和使用环境。但是，随着温度的升高，纳米结构将失去稳定性，高密度晶界将明显降低。一旦表面纳米晶体变成粗晶粒，其独特而卓越的性能就会消失。已经发现，纳米晶材料相对于粗晶粒材料表现出优异的性能。由激光冲击强化技术诱导的表面纳米结晶可在不改变化学成分和材料形状的情况下极大地提高表面性能。然而，由纳米晶体引起的表面性能的改善可以使材料在应用中具有良好的热稳定性，并且纳米晶材料的热稳定性会随合金中产生的不同纳米晶体结构而变化。

2 实验过程

AZ91D镁合金的标称化学成分为（重量%）：8.59.5Al，0.90.95Zn，0.170.40Mn，≤0.05Si，≤0.025Cu，≤0.001Ni，≤0.004Fe和余量Mg。LSP之前，将AZ91D镁合金试样用具有不同粗糙度等级（从400到1600）的SiC砂纸处理，然后在乙醇中用超声波清洗剂清洗。在LSP期间，冲击波由Nd：YAG激光产生，波长为1064nm，脉冲为10ns。为了使变形更均匀，激光点直径为3mm，并且激光点的重叠率为50%。激光能量为6J。然后，将LSP后的所有样品在室式电阻炉中分别在50℃，100℃，150℃，200℃，250℃，300℃和400℃的温度下加热20h，最后进行空气冷却至室温。

3 结果与分析

3.1 LSP处理后表面层的微观结构

LSP后样品的微观结构如图1所示。可以清楚地观察到具有明显边界的纳米晶粒是等轴的。并且具有均匀的晶粒结构，平均晶粒尺寸约为40—50nm。SAED显示完整的环而没有斑点，这是典型的纳米晶体SAED（图1中的插图）。这表明纳米晶体层具有许多随机取向和明显的晶粒细化。由于残余应力的存在，晶粒内部会发生对比度变化。

3.2 表面纳米晶层的热稳定性

图2示出了在不同温度下从LSP之后的样品表面获得的TEM图像和相应的SAED图案。从图2（a）可以清楚地看到，在200℃的温度下，有许多等轴纳米颗粒具有明显的边界。样品的平均晶粒尺寸为约70—80nm。并且相应的SAED表现出连续的完整环，表明纳米晶体层具有更多的随机取向。当退火温度升至250℃时，根据图2（b），纳米晶粒略微长大，平均晶粒尺寸约为100—120nm。对于300℃退火的样品（图2（c）），平均晶粒尺寸约为140150nm。在同一晶粒的内部，存在对比度变化，表明存在残余应力。此外，晶粒内部存在高密度的位错和位错缠结。当退火温度高于400℃时，晶粒迅速粗化。从图3可以清楚地看到，表面纳米晶体的尺寸随着退火温度的升高而增大。

图3是随着退火温度的升高晶粒尺寸的变化曲线。显然，当退火温度低于300℃时，晶粒尺寸几乎没有变化。平均大小约为70—80nm。当退火温度达到400℃时，纳米晶体急剧地生长到1500nm，没有稳定性。对于经过严重塑性变形过程的纳米晶材料，在晶粒，晶界，三角形晶界和边界对中存在不同密度的位错[2]。在300℃等温退火之前，热驱动力主要用于降低晶内位错密度。然后，高密度位错趋于规则并通过位错的湮灭和重排而有序，而晶粒结构处于动态恢复中。由于边界之间的联系，该过程将比移动单晶界面消耗更多的能量[34]。因此，所有能量都被吸收到内部结构的运动中。当退火温度超过300℃时，由于输入能量达到晶界迁移的活化能，因此亚稳态的纳米晶粒开始不稳定地生长。

3.3 LSP诱导的表面纳米晶体的热稳定性机理

AZ91D镁合金的表面纳米晶体在300℃之前显示出出色的热稳定性。主要因素是晶体缺陷。传统的晶粒长大理论（GibbsThomson方程）显示了晶粒长大驱动力与晶粒尺寸之间的关系。Δμ=4Ωγ/d。其中是晶粒生长的驱动力，d是晶粒尺寸，Ω是原子的体积，γ是界面能。在相对高温条件下，原子迁移到表面和晶界或与间隙原子相互破坏，过饱和空位将消失。然后浓度逐渐接近平衡值。LSP引起的高密度位错在晶界和晶界之间引起明显的取向差异。高密度位错与晶界之间的相互作用限制并阻碍了晶界的移动。晶粒的生长归因于晶界的迁移，这是原子本质上的扩散。因此，当热能足够用于晶粒生长的活化能时，晶粒将急剧地不稳定地生长。另一个因素是纳米晶体和粗晶粒的混合物。晶粒的不均匀分布会导致溶质在晶粒边界上的急剧阻力[5]。因此，与粗晶粒相比，表面上的纳米晶体很难长大。以上两个因素共同改善了AZ91D镁合金的热稳定性。

4 结论

通过LSP成功地在AZ91D镁合金上获得了纳米结构表面层。LSP诱导的AZ91D镁合金表面纳米晶体的平均晶粒尺寸约为40—50nm，在低于300℃的温度下缓慢生长。然而，当退火温度高于400℃时，晶粒尺寸急剧增加。晶体缺陷以及纳米晶体和粗大晶粒的混合物是保持热稳定性的两个主要原因。高密度位错是晶体缺陷的内在原因，溶质阻力则体现在纳米晶体和粗晶粒混合物的内部。

参考文献：

[1]黄晶晶.AZ91D镁合金激光冲击纳米化强化机理及其性能研究[D].江苏：江苏大学，2016.

[2]張青来，鲍士喜，王荣，等.激光冲击强化对AZ31和AZ91镁合金表面形貌和电化学腐蚀性能的影响[J].中国有色金属学报，2014，（10）：24652473.

[3]钱阳.AZ91DT6镁合金激光冲击强化及疲劳行为研究[D].江苏：江苏大学，2015.

[4]杨亚鹏，陈晓晓，张亚，等.激光冲击强化对AZ91D镁合金力学性能的试验研究[J].应用激光，2018，38（5）：798804.

[5]张青来，吴铁丹，钱阳，等.AZ91DT6铸造镁合金激光冲击强化和高周疲劳性能研究[J].中国激光，2014，41（10）：8793.

作者简介：黄晶晶（1990— ），女，汉族，江苏阜宁人，硕士研究生，讲师，研究方向：激光冲击强化技术、城市轨道车辆技术、教育理论实践。