纳米金刚石掺杂对ZK60合金高温变形行为的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Effect of nanodiamond doping on the high-temperature deformation behavior of ZK60 alloy

　　

摘要

本研究探讨了纳米金刚石（ND，0.25?wt.%）对ZK60合金在473–623?K温度范围内高温拉伸性能及变形行为的影响。该合金和复合材料均采用真空热压烧结后热挤压制备而成。两者均由α-Mg相和MgZn?相组成，呈现出细小的等轴晶组织，晶粒尺寸分布在1至10 μm之间。与合金相比，复合材料表现出更高的高温强度和较低的延伸率。具体而言，在473?K下，复合材料的屈服强度高达234?MPa，即使在573?K下仍保持115?MPa，略高于在473?K下变形的合金。相比之下，随着变形温度的升高，复合材料的延伸率从15%上升至211%，而合金的延伸率则从69%急剧增加到382%。总体而言，合金在T K下的力学性能与复合材料在T + 100?K下的力学性能相似。在变形机制方面，当温度达到573?K时，合金的变形机制从连续动态再结晶（CDRX）转变为不连续动态再结晶（DDRX）。而复合材料则始终以CDRX为主，在ND-MgZn?团聚体周围维持着高密度的小角度晶界。这些团聚体阻碍位错滑移并促进亚晶的形成。同时，位于晶界处的团聚体有效地钉扎了晶界，从而抑制了晶界迁移和向DDRX的转变。因此，在473–573?K范围内，复合材料的变形主要由晶内位错运动和CDRX承担。当温度超过573?K后，晶界滑移被激活。在623?K以上，ND-MgZn?团聚体失去强化效果，导致延伸率急剧上升，但屈服强度大幅下降。

引言

镁合金因其低密度和高比强度，在汽车和航空航天等对减重要求极高的领域中具有显著优势 [1], [2]。在众多镁合金中，ZK60合金（Mg-5.0–6.0Zn-0.3–0.8Zr, wt.%）在室温下展现出高强度、良好的耐腐蚀性、优异的可加工性以及适中的可焊性等优势 [3], [4]。ZK60合金中的锌（Zn）通常通过促进MgZn?等强化相的形成而起到强化作用 [5]。锆（Zr）则在晶粒细化中发挥重要作用，提高屈服强度并在一定程度上改善塑性 [6]。然而，在高温应用中，ZK60面临诸多挑战。当温度超过200 °C时，ZK60合金的屈服强度降至不理想的水平。这主要归因于MgZn?析出相的热不稳定性、晶界滑移的激活以及晶粒的快速粗化，这些因素共同削弱了合金的强化机制 [7], [8], [9], [10]。这严重限制了ZK60合金在汽车发动机部件和某些高温暴露的航空航天部件中的应用。因此，解决ZK60镁合金高温性能差的难题至关重要。

为了改善ZK60合金的高温性能，人们探索了各种强化方法，其中合金化是最常用的技术之一。在ZK60合金中添加稀土元素可以形成热稳定的金属间化合物，通过钉扎晶界和位错来提高高温强度 [11]。然而，其强化效果通常与添加的稀土元素量成正比，而这些元素的高成本目前阻碍了其广泛应用 [11], [12]。金属基复合材料（MMCs）的发展为改善ZK60合金的高温性能提供了新的思路 [13]。通过在基体合金中引入增强相，金属基复合材料结合了两种组分的优势，从而实现整体性能的增强 [14], [15], [16]。Zhang等人 [15] 制备了以Al?Y-TiB?粒子强化的Mg-5Y-0.6La复合材料。所得复合材料在宽温度范围（298–623?K）内展现出显著提高的强度和可观的塑性。在573?K下，极限抗拉强度从193?MPa提高到230?MPa。这种显著的强化效果归因于双尺度Al?Y和TiB?粒子对晶界的钉扎作用。Xie等人 [16] 利用球磨法制备了AlN/Al粒子强化的Mg-10Gd-3Y–1Zn（GWZ）复合材料。经过时效处理后，2AlN/Al-GWZ复合材料在250 °C下表现出良好的力学性能，屈服强度和极限抗拉强度分别为247?MPa和265?MPa。

在各种增强相中，纳米金刚石因其优异的性能，包括高硬度、优异的导热性和高弹性模量，引起了广泛关注 [17], [18]。其硬度可达100?GPa，远高于大多数传统增强粒子 [18]。其高导热性可有效散发复合材料中的热量，减少高温下材料内部的温度梯度，从而提高其热稳定性 [19]。此外，其高弹性模量为基体合金提供了强有力的支撑，增强了复合材料的整体刚度 [20], [21], [22]。Li等人 [20] 采用粉末冶金后热挤压法制备了添加0.05?wt%纳米金刚石粒子的ZK60镁合金复合材料。与未强化的ZK60镁合金相比，该复合材料的拉伸和压缩屈服强度显著提高，分别达到390?MPa和430?MPa——对应增幅分别为15%和44%。Xie等人 [21] 开发了一种表面改性策略，将纳米金刚石粒子均匀分散在2024铝合金中。最终实现了极限抗拉强度为741?MPa的高强度0.8 vol.% ND/2024Al复合材料。尽管纳米金刚石强化的镁基复合材料在改善室温性能方面显示出前景，但其高温机械性能仍缺乏充分研究。特别是，纳米金刚石粒子在高温下对动态再结晶及其相关力学行为的调节作用仍不清楚。预计纳米金刚石能有效钉扎晶界，阻碍位错迁移和交叉滑移，从而维持合金组织在高温下的稳定性。

因此，本文旨在阐明纳米金刚石（以下简称ND）对ZK60镁合金强化效果及变形机制的影响，从而为高性能镁基高温结构材料的开发提供理论基础和技术支持。我们的研究结果不仅加深了对粒子介导再结晶机制的基本理解，还确定了ND/ZK60复合材料的上限服役温度，为潜在的高温应用提供了实用指导。

章节摘要

实验方法

ZK60合金（购自唐山威豪镁粉有限公司）和添加0.25?wt.% ND粒子的ND/ZK60复合材料（购自南京先峰公司）均采用真空热压烧结后热挤压法制备。具体制备方法详见我们之前的研究工作 [23]。采用X射线衍射仪（XRD，D/Max 2500PC）检测挤压合金和复合材料的相结构。利用扫描电子显微镜

微观组织

ZK60合金和ND/ZK60复合材料的XRD图谱和SEM图像分别如图1(a)和图1(b, c)所示。图1(a)显示，合金和复合材料均由α-Mg相和MgZn₂相组成。图1(b, c)显示，合金和复合材料均呈现细小的等轴晶组织，晶粒尺寸分布范围为1–10 μm。此外，如图1(b, c)中的插图所示，合金和复合材料中存在大量析出相，

再结晶机制

动态再结晶（DRX）对合金在高温变形加工过程中的力学性能具有显著影响 [25]。大量研究表明，增强相可以改变合金中的DRX机制 [26], [27]。为了比较ZK60合金和ND/ZK60复合材料的再结晶行为，图9(a1–d1)展示了两种材料在473?K和573?K下变形后的局部反极图（IPF），图9中标注的A–D晶粒沿线处的取向偏差剖面

结论

本研究采用真空热压烧结后热挤压法制备了ZK60合金和添加0.25?wt.% ND粒子的ND/ZK60复合材料。全面探讨了ND添加对473–623?K温度范围内高温拉伸性能及变形行为的影响。主要结论总结如下：

(1) 复合材料在473?K下具有高达234?MPa的屈服强度，即使在573?K下仍保持115?MPa，

作者贡献声明

马丽莉： 写作 – 审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、调查研究、资金获取、概念设计。陈明： 写作 – 原稿撰写、方法论、调查研究。魏正芳： 调查研究。姬首宇： 调查研究。张明明： 调查研究。周吉兰： 方法论、调查研究。曾忠平： 调查研究。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国科学院西光基金（编号：1–9）和青海省昆仑人才项目（编号：QHKLYC-GDCXCY-2024-013）的资助。

陈明|马丽莉|周吉兰|张明明|姬首宇|魏正芳|曾忠平

青海大学机械工程学院，西宁 810016，中国