0. 引言

节能减排推动了轻质金属材料的广泛应用，因而提升轻质金属材料的性能成为当前研究的热点[1]。镁合金作为密度最小的金属结构材料[2]，具有比强度和比刚度超高、电磁屏蔽性能良好、环保易回收等优点[3]，在航空航天、交通、通信和医疗等领域具有显著的商业价值和广泛的应用前景。但是，镁合金具有密排六方结构，在室温变形时没有足够的滑移系，其变形能力差且塑性低，因此应用受限[4]。提高镁合金的力学性能特别是塑性变形能力，有助于进一步扩大其应用范围。

根据Hall-Petch理论，减小晶粒尺寸可以提高金属材料的屈服强度[5]。钛是极具潜力的镁合金晶粒细化剂，钛与α-Mg具有较低的晶格错配度，会使镁合金凝固过程中产生较大的成分过冷，从而形成细小晶粒[6-7]。相比于钛，TiN的硬度更高，耐腐蚀性能和导电性能更加优异，与α-Mg之间的晶格错配度也较低[8]，理论上也能作为α-Mg良好的异质形核核心，从而细化晶粒。然而，由于TiN的稳定性较高，目前研究较多集中于TiN在硬质涂层方面的应用上[9]，少有将TiN添加进镁合金中的研究报道。作者以AZ61镁合金为研究对象，将质量分数为0.5%的TiN添加到AZ61镁合金中，研究了TiN对铸态和挤压态AZ61镁合金物相组成、显微组织和力学性能的影响，旨在发现一种新型晶粒细化剂，以提升AZ61镁合金的力学性能，拓宽其应用范围。

1. 试样制备与试验方法

试验材料包括工业纯镁（纯度大于99.9%）、纯铝（纯度大于99.9%）、纯锌（纯度大于99.9%）、纯锰（纯度大于99.9%）和TiN粉末（平均粒径1μm，用铝箔包裹并压缩成块）。按照AZ61镁合金的名义成分（质量分数/%，6Al，0.3Mn，1Zn，余Mg）配料，并在其中添加质量分数0.5% TiN，在CO2和SF6混合气体保护下置于1023K变频电磁搅拌炉中，并在中、低、高频下分别搅拌5min，以确保各成分充分混合，保温15min后浇注到石墨模具中，得到直径为58mm、高为98mm的铸态镁合金。对铸态合金进行673K×24h固溶处理，空冷，以消除成分偏析，随后采用卧式挤压机将其挤压成厚度为4mm、宽为38mm的矩形板，挤压温度为583K，挤压比为17.4∶1。将添加质量分数0.5% TiN的AZ61镁合金记作AZ61+TiN镁合金。对比试样为采用相同工艺制备得到的未添加TiN的铸态和挤压态AZ61镁合金。

采用Smartlab9型多功能X射线衍射仪（XRD）对合金的物相组成进行分析，工作电压为20kV，工作电流为50mA，扫描范围为20°~80°，扫描速率为4（°）·min−1。在试验合金上截取金相试样，经打磨、抛光，用由2g草酸、1mL浓硝酸（HNO3质量分数大于65%）、2mL冰醋酸、100mL去离子水组成的混合溶液腐蚀后，采用Zeiss 200 MAT型光学显微镜（OM）观察显微组织，采用Image Pro软件测定铸态合金的晶粒尺寸。采用FEI Quanta 250型扫描电镜（SEM）观察微观形貌，用SEM附带的能谱仪（EDS）进行微区成分分析。采用质量分数4%高氯酸乙醇溶液对合金进行电解抛光，电解电压为23V，电解时间为45s，采用SEM的电子背散射衍射（EBSD）模式对晶粒和织构进行分析。按照ASTM E8/E8M-22Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials，在试验合金上截取拉伸试样，拉伸试样的标距为15cm，采用WDS-50型万能拉伸压缩试验机进行室温拉伸试验，拉伸速度为1mm·min−1，测3个试样取平均值。采用SEM观察拉伸断口形貌，并用其附带的EDS进行元素面扫描。

2. 试验结果与讨论

2.1 物相组成和显微组织

由图1可以看出：铸态AZ61镁合金主要由α-Mg相、β-Mg17Al12相、Al8Mn5相组成；添加TiN后，AZ61镁合金中出现TiN的衍射峰，除此之外与未添加TiN合金相比未见其他相的衍射峰，这说明TiN未与其他元素发生化学反应。

图 1铸态AZ61镁合金和AZ61+TiN镁合金的XRD谱

Figure 1.XRD pattern of as-cast AZ61 and as-cast AZ61+TiN magnesium alloys

由图2可以看出：铸态AZ61镁合金的晶粒尺寸较大，当添加TiN后，晶粒尺寸宏观上显著减小；挤压后2种合金均发生再结晶，且晶粒进一步细化，但在添加TiN的挤压态合金中有部分明显的粗大晶粒，说明该区域发生了不完全动态再结晶。铸态AZ61镁合金的平均晶粒尺寸为243.2μm，而添加TiN后平均晶粒尺寸减小至90.2μm，晶粒细化率高达62.9%，说明添加TiN对铸态AZ61镁合金具有显著的晶粒细化作用。挤压态AZ61镁合金的晶粒平均尺寸为8.1μm，加入TiN后平均晶粒尺寸进一步缩小至5.1μm，晶粒细化率达到37.1%，说明TiN对挤压态AZ61镁合金也具有晶粒细化效果。挤压态合金的晶粒细化率低于铸态合金。添加TiN后，合金中第二相含量明显增多，且第二相尺寸较小，分布均匀。分布在晶界处的第二相可以对晶界迁移产生钉扎作用[10]，阻碍晶粒的生长。在挤压过程中，合金中的第二相颗粒对晶粒的动态再结晶过程产生重要影响。与挤压态AZ61镁合金相比，挤压态AZ61+TiN镁合金中第二相含量较高，分散的第二相颗粒钉扎亚晶界，减缓动态再结晶成核；由于相邻颗粒之间的距离较小，亚晶界在潜在核形成前被钉扎，不易引起下一阶段形核的发生[11]，因此挤压态AZ61+TiN镁合金在挤压过程中的动态再结晶行为受到抑制，形成了不完全动态再结晶晶粒。计算得到TiN与α-Mg在[100]晶向、[011]晶向、[1210]晶向上的错配度分别为10.88%，17.04%，8.66%，均小于12%，因此TiN可作为AZ61镁合金有效的异质形核核心，在铸造过程中细化合金晶粒[8]。挤压态合金的晶粒尺寸小于铸态合金主要是由于在583 K挤压过程中合金发生了动态再结晶[12]。

图 2不同试验合金的显微组织

Figure 2.Microstructures of different test alloys: (a) as-cast AZ61magnesium alloy; (b) as-cast AZ61+TiN magnesium alloy; (c) extruded AZ61magnesium alloy and (d) extruded AZ61+TiN magnesium alloy

由图3结合表1可以看出：铸态AZ61镁合金中除了存在α-Mg相外，还存在长棒状β-Mg17Al12相以及尺寸较大的颗粒状Al8Mn5相，添加TiN后β-Mg17Al12相形态由长棒状变为颗粒状，其尺寸减小，在晶界处存在聚集的富钛相；挤压态合金中基本不存在β-Mg17Al12相，表明此相已基本固溶进基体，合金中的第二相主要为Al8Mn5相，添加TiN后，第二相尺寸减小，并且出现了富钛相。由图4结合XRD分析结果可以确定，铸态和挤压态AZ61+TiN镁合金中的富钛相为TiN。

图 3不同试验合金的SEM形貌

Figure 3.SEM morphology of different test alloys: (a) as-cast AZ61magnesium alloy; (b) as-cast AZ61+TiN magnesium alloy; (c) extruded AZ61magnesium alloy and (d) extruded AZ61+TiN magnesium alloy

图 4铸态和挤压态AZ61+TiN镁合金的EDS元素面扫描区域和结果

Figure 4.EDS element map scan area (a, c) and results (b, d) of as-cast (a–b) and extruded (c–d) AZ61+TiN magnesium alloy

图5中A1方向表示板材的横向，A2方向表示板材的纵向。由图5可以看出：挤压态AZ61镁合金内部发生动态再结晶，大部分晶粒的c轴与挤压法向平行；挤压态AZ61+TiN镁合金的动态再结晶程度更大，晶粒细化效果更显著；挤压态AZ61+TiN镁合金的织构强度达到18.659，高于未添加TiN时（7.108），高强度的织构通常会降低材料的塑性变形能力[13]，因此挤压态AZ61+TiN镁合金的塑性较差；挤压态AZ61+TiN镁合金中还存在部分孪晶，这是由于TiN粒子阻碍位错运动，导致位错塞积，使得局部应力集中，应力集中为孪生提供了驱动力，促使孪晶出现以协调变形、释放应力。孪晶的出现会引入额外的晶界，晶界为薄弱区域，易成为裂纹的萌生位置和扩展路径[14]。挤压态AZ61镁合金和AZ61+TiN镁合金的施密特因子平均值分别为0.267和0.209；添加TiN后镁合金的施密特因子较低，合金的滑移系较难开动，更多晶粒取向转变为硬取向，从而导致挤压态AZ61+TiN镁合金的塑性较差[15]。

图 5挤压态AZ61和AZ61+TiN镁合金的EBSD结果

Figure 5.EBSD results of extruded AZ61 (a–c) and AZ61+TiN (d–f) magnesium alloys: (a, d) grain merphology; (b, e) inverse pole figure and (c, f)pole figure

2.2 拉伸性能和断口形貌

由表2可知，与未添加TiN相比，添加TiN后铸态AZ61镁合金的抗拉强度、断后伸长率、屈服强度分别降低了38.3%，31.3%，30.0%，挤压态合金的抗拉强度、断后伸长率、屈服强度分别降低3.3%，3.7%，28.3%。添加TiN后AZ61镁合金的拉伸性能降低。

由图6可以看出：铸态AZ61镁合金拉伸断口中存在大量冰糖结构，呈现典型的沿晶断裂特征[16]，该合金断裂机制为脆性断裂；铸态AZ61+TiN镁合金断口中除了存在冰糖结构和河流花样外，还存在较多明显的孔洞与裂纹，这些孔洞与裂纹的存在对合金的强度和塑性产生了不利影响；挤压态AZ61镁合金拉伸断口中存在较多尺寸大而深的韧窝，这表明该合金在断裂前经历了较大程度的塑性变形，其塑性较好；挤压态AZ61+TiN镁合金拉伸断口中存在数量较多且较深的裂纹，还存在少量韧窝，与挤压态AZ61镁合金相比，韧窝的数量少、尺寸小，因此挤压态AZ61+TiN合金的强度和塑性低于挤压态AZ61镁合金。由图7可知，挤压态AZ61+TiN镁合金拉伸断口裂纹处存在偏聚的TiN相。添加TiN后AZ61镁合金的晶粒尺寸减小，理论上可以提高金属材料的屈服强度[17]，同时组织中均匀分布的第二相可以阻止位错移动，形成位错积聚，从而提高合金强度[18]。然而，添加TiN后AZ61镁合金的拉伸性能却降低了，推测应与晶界处硬度较高TiN相的偏聚、孪晶的产生、施密特因子的降低和织构的增强有关。

图 6不同试验合金的拉伸断口形貌

Figure 6.Tensile fracture morphology of different test alloys: (a) as-cast AZ61magnesium alloy; (b) as-cast AZ61+TiN magnesium alloy; (c) extruded AZ61magnesium alloy and (d) extruded AZ61+TiN magnesium alloy

图 7挤压态AZ61+TiN合金拉伸断口的EDS元素面扫描区域和结果

Figure 7.EDS element map scan area (a) and results (b) of extruded AZ61+TiN magnesium alloy

3. 结论

（1）添加TiN后铸态和挤压态AZ61镁合金的晶界处出现TiN颗粒，TiN未与其他元素发生化学反应；TiN可以有效细化AZ61镁合金的晶粒尺寸，其中铸态合金的平均晶粒尺寸由243.2μm减小到90.2μm，挤压态合金由8.1μm减小到5.1μm，挤压态合金的晶粒细化率低于铸态合金。添加TiN后，合金中第二相含量明显增多，且第二相尺寸较小，分布均匀，在挤压态组织中出现不完全动态再结晶晶粒。

（2）添加TiN后铸态AZ61镁合金的抗拉强度、断后伸长率、屈服强度分别降低了38.3%，31.3%，30.0%，挤压态AZ61镁合金的抗拉强度、断后伸长率、屈服强度分别降低了3.3%，3.7%，28.3%，添加TiN后合金拉伸性能的降低与晶界处硬度较高TiN相的偏聚、孪晶的产生、施密特因子的降低和织构的增强有关。

文章来源——材料与测试网