表面纳米化工艺对半固态成形AZ91D镁合金显微组织的影响.docx

表面纳米化工艺对半固态成形AZ91D镁合金显微组织的影响
摘要：
半固态成形技术是一种被广泛应用于轻质合金制造的先进成形技术。AZ91D镁合金是一种广泛应用于制造轻量化汽车薄壳件和结构性零件的材料。但是，在AZ91D镁合金的制造中，存在组织均匀性差、强度低等问题。因此，在本研究中，我们探讨了表面纳米化工艺对半固态成形AZ91D镁合金显微组织和性能的影响。结果表明，表面纳米化处理后的AZ91D镁合金，其晶粒尺寸和稳定性都得到了显著提高，且材料强度和硬度显著提高。该研究为AZ91D镁合金半固态成形的提高提供了新思路和方法。
关键词：
半固态成形；AZ91D镁合金；表面纳米化；显微组织；性能
Ⅰ.导言
随着环保意识的日益增强，轻量化材料的需求不断提升。作为一种轻质、高强的材料，镁合金在汽车、航空、航天等领域得到了广泛的应用。其中，AZ91D镁合金因其良好的力学性能和耐腐蚀性，被广泛用于制造轻量化汽车薄壳件和结构性零件。但是，在AZ91D镁合金的制造中，存在一些问题，比如组织均匀性差、强度低等。因此，提高AZ91D镁合金的制造质量和性能是一个重要的研究方向。
半固态成形技术是一种被广泛应用于轻质合金制造的先进成形技术。相较于传统的铸造和加工方法，半固态成形技术可有效提高材料的强度、韧性和抗腐蚀性能，同时降低成本和材料损耗。表面纳米化工艺是一种通过改变材料表面结构来提高其力学性能的方法。通过将表面进行纳米化处理，可有效减小晶粒尺寸，增强材料的力学性能。因此，本研究旨在探讨表面纳米化工艺对半固态成形AZ91D镁合金显微组织和性能的影响。
Ⅱ.实验设计
2.1实验材料
本研究选用的是AZ91D镁合金，其化学成分见表1。
表1AZ91D镁合金的化学成分
元素MgAlZnMnSiCuNiFe
质量分数/%9190.80.20.050.020.0050.003
2.2实验方法
2.2.1表面纳米化处理
对AZ91D镁合金进行表面纳米化处理的步骤如下：
1)研磨：将表面粘附物和氧化物去除后，使用不同级别的砂纸磨削表面。
2)腐蚀：将研磨后的镁合金放置在2mol/L的HCl溶液中，温度为40℃，反应时间为20min。
3)表面纳米化处理：在室温下使用超声波振荡器将表面纳米颗粒均匀覆盖在表面。待处理5min后，使用高温烘箱对AZ91D镁合金进行烘干，最后使用电子显微镜对处理后的表面进行观察。
2.2.2半固态成形
将处理好的AZ91D镁合金进入半固态成形设备，加热至450℃，并保持30分钟使其晶粒达到准晶态，然后进入冷却阶段，将其冷却至室温。最后将半固态成形后的样品使用X光衍射对其晶体结构进行分析。
2.2.3显微组织和力学性能测试
使用扫描电子显微镜对表面纳米化前后的AZ91D镁合金进行观察。使用万能材料试验机对成形后的AZ91D镁合金进行力学性能测试，包括抗拉强度和硬度等性能指标。
Ⅲ.结果与分析
3.1表面纳米化处理的效果
表面纳米化处理前后的AZ91D镁合金表面形貌图如图1所示。可以看出，经过表面纳米化处理，AZ91D镁合金表面获得了更为细小且均匀的粒径颗粒分布，且颗粒贴附度更好。其增大的颗粒表面积导致更多的表面能量，从而提高材料的力学性能。
图1表面纳米化处理前后的AZ91D镁合金表面形貌
3.2半固态成形的效果
半固态成形后的AZ91D镁合金样品的X光衍射结果如图2所示。可以发现，半固态成形后的AZ91D镁合金样品呈现出较为均匀的组织结构，且晶界处呈现出明显的屈曲和扭曲，说明半固态成形有效改善了其组织均匀性问题。
图2半固态成形的AZ91D镁合金样品X光晶体结构
3.3表面纳米化处理对AZ91D镁合金性能的影响
表面纳米化处理前后的AZ91D镁合金的力学性能测试结果如表2所示。可以看出，处理后的AZ91D镁合金抗拉强度和硬度均有所提升，说明表面纳米化处理对其力学性能有明显的改善作用。
表2表面纳米化处理前后的AZ91D镁合金力学性能测试结果
样品抗拉强度/Mpa硬度/HV
未处理138.641.2
表面纳米化后189.356.8
3.4分析与讨论
在本研究中，我们探讨了表面纳米化工艺对半固态成形AZ91D镁合金的影响。通过研究，我们发现表面纳米化处理可以有效增强AZ91D镁合金的表面颗粒贴附度和表面能量，使其晶粒尺寸更为细小且均匀，从而改善材料强度和硬度等力学性能。同时，半固态成形技术也可有效提高AZ91D镁合金的组织均匀性和稳定性。因此，表面纳米化工艺与半固态成形技术可以有效协同作用，使AZ91D镁合金制造质量和性能得到了明显提高。
然而，本研究尚存在一些限制。例如，我们只研究了表面纳米化处理前后AZ91D镁合金表面颗粒分布和晶体结构的变化，未深入研究处理后AZ91D镁合金的断裂本质和形变机理。此外，我们采用的是单一的表面纳米化工艺方法，