纳米Ti颗粒对Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金微观结构、力学性能和腐蚀性能的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Effects of nano-Ti particles on the microstructure, mechanical properties, and corrosion properties of Mg-Gd-Y-Zn-Zr alloy

纳米钛增强的Mg-RE-TM合金通过真空搅拌和热挤压制备，显著细化晶粒（3.15 μm vs 11.38 μm）并形成LPSO相及稀土富集相，提升屈服强度3.7%、延伸率18.2%、硬度10.6%，但加速腐蚀（电流密度增至345 μA·cm?2）。

　　

华宝阳|刘双玉|徐军|姜斌|吴亮|杨洪|周楠|郑凯宏

中国绍兴大学智能工程学院，绍兴312000

摘要

采用真空搅拌和热挤压技术制备了添加了2 wt.%纳米Ti颗粒（Ti/VW94）的Mg-9.87Gd-4.97Y-1.2Zn-0.5Zr合金。微观结构分析表明，纳米Ti颗粒的添加促进了层状长周期堆垛有序（LPSO）结构和稀土富集相的析出与发展。与VW94合金相比，Ti/VW94复合材料的平均晶粒尺寸更细（3.15 μm vs. 11.38 μm），且织构强度降低（3.28 vs. 15.09）。纳米Ti颗粒通过Zener钉扎效应抑制了晶界迁移，从而促进了晶粒细化。此外，层状LPSO相、稀土富集相和纳米Ti颗粒共同钉扎了晶界和位错，进一步抑制了再结晶。Ti/VW94复合材料的屈服强度（YS）、伸长率（EL）和硬度分别提高了3.7%、18.2%和10.6%。这种拉伸性能的提高主要归因于晶粒细化强化、热膨胀系数（CTE）的不匹配、有效的载荷传递以及Orowan机制。在腐蚀方面，纳米Ti颗粒和稀土富集相作为阴极，而18R-LPSO相作为阳极，加速了Mg基体的溶解。同时，晶粒的细化导致晶界数量增加，使腐蚀电流密度（Icorr）提高了六倍（从55.3 μA·cm?2增加到345 μA·cm?2），并降低了电荷传输阻力，从而加速了材料的腐蚀速率。

引言

镁（Mg）合金是目前最轻的金属结构材料，具有较高的比强度、优异的阻尼性能和良好的可回收性。这些特性使它们在航空航天和汽车工业中具有广泛的应用前景[1]、[2]、[3]、[4]。然而，它们固有的局限性（如机械强度不足）限制了其广泛应用。先前的研究[5]、[6]、[7]、[8]表明，通过添加稀土（RE）和过渡金属（TM）元素可以改善Mg-RE-TM合金的机械性能。例如，Wang等人[9]使用挤压-剪切工艺制备了xY/ZC61合金，添加Y元素增加了I和W相的含量。在所有组合物中，3Y/ZC61合金表现出最佳的机械性能。Afsharnaderi等人[10]通过传统铸造方法制备了AZ91-RE-Sr合金，发现随着RE/Sr含量的增加，β-Mg17Al12相逐渐球化；其中RE含量为0.9 wt.%的合金具有最佳的综合性性能。

然而，通过传统合金化方法提高机械性能的效果仍然有限。相比之下，引入增强相可以制备镁基复合材料（MMCs），这些复合材料具有单体Mg合金无法实现的优异性能组合。传统的陶瓷增强颗粒（如SiC和Al2O3[11]、[12]）可以显著提高硬度和耐磨性，但它们与Mg基体的润湿性差，导致界面结合力减弱和延展性丧失，从而降低了复合材料的整体机械性能。

与陶瓷颗粒不同，金属增强颗粒与Mg基体具有高物理相容性和强化学惰性，使其成为平衡强度和塑性的理想选择。Ti和Mg具有相同的晶体结构类型，从晶体学角度来看确保了良好的物理相容性[13]。此外，由于Ti几乎不与Mg形成硬而脆的金属间化合物，因此具有化学惰性并具有良好的相容性[14]。Ti颗粒具有高比模量（E/ρ）和低密度，显著提高了承载能力，同时保持了轻量化的优势[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。因此，Ti已成为制备MMCs的首选增强材料。Fan等人[20]制备了微米级Ti颗粒增强的VW92复合材料，结果表明Ti颗粒的添加不仅细化了晶粒尺寸，还提高了材料的YS和UTS，而EL有所降低。Pu等人[21]通过半固态搅拌工艺制备了添加了微米级Ti颗粒的VW94复合材料，Ti颗粒的添加显著细化了Mg基体，含有5 wt.% Ti的复合材料表现出最佳的机械性能。Braszczyńska-Malik等人[22]使用搅拌铸造方法制备了30 wt.%球形Ti颗粒增强的AME505复合材料，显示出优异的机械性能：TYS为101 MPa，CYS为120 MPa，UTS为146 MPa，Brinell硬度为90 HB，这些性能均比未增强的基体合金提高了21%。Tang等人[23]制备了添加了微米级Ti颗粒的WE43复合材料，研究表明Ti颗粒不仅促进了晶粒细化，还提高了复合材料的整体机械性能。然而，纳米Ti颗粒对Mg-RE-TM合金的影响尚未充分研究，阐明其对微观结构和机械性能的影响对于促进Ti增强MMCs的发展至关重要。

探索Ti对Mg合金腐蚀行为的影响是一个重要的研究目标。Candan等人[24]研究了Ti（0.5 wt.%）添加量和冷却速率变化对AZ91合金的影响，发现添加Ti比提高冷却速率更有效地提高了合金的耐腐蚀性。Cui等人[25]报告称，Ti的添加促进了AZ91合金中连续的富Al α相网络的形成，有效减缓了腐蚀扩展并提高了材料的整体耐腐蚀性。目前，关于Ti颗粒增强MMCs的腐蚀行为的研究仍然有限。因此，阐明Ti相影响MMCs腐蚀的机制对于指导其实际应用至关重要。

本研究通过粉末冶金、真空搅拌铸造和热挤压相结合的工艺制备了纳米Ti颗粒增强的Mg-9Gd-4Y-1Zn-0.5Zr（VW94）复合材料，以改善机械性能并降低腐蚀速率。本研究旨在探讨纳米Ti颗粒对MMCs的微观结构、机械性能和腐蚀行为的影响。

材料与复合材料制备

基体材料为VW94合金，其成分（wt.%）为：9.87 Gd、4.97 Y、1.20 Zn和0.50 Zr。增强相为商业化的球形纳米钛颗粒，平均粒径为60 nm（纯度：99.7%，由中国佛山佳娜先进材料科技有限公司提供）。它们的形态如图1(a,b)所示。为了抑制纳米钛颗粒的聚集并改善其在VW94合金基体中的分散性

微观结构

图2展示了铸态和均质化后的VW94合金及Ti/VW94复合材料的微观结构。铸态VW94合金和Ti/VW94复合材料具有灰色树枝状稀土富集相（绿色箭头）、Mg5RE相（红色箭头）和溶质原子富集区（橙色箭头）。这一结果与之前关于镁基稀土合金的研究[26]、[27]、[28]一致。值得注意的是，通过ImageJ软件对第二相进行了定量统计分析

纳米Ti颗粒对微观结构的影响

本研究显示，纳米Ti颗粒的添加增加了复合材料中的LPSO相含量（图4）。在530°C的均质化过程中，较高的位错密度促进了稀土原子在晶界的溶解，为LPSO相的形成奠定了基础。相比之下，VW94合金表现出严重的元素偏析，导致

结论

研究了纳米Ti颗粒对微观结构、机械性能和腐蚀行为的影响。主要发现总结如下：

(1)

添加纳米Ti颗粒后，LPSO相的析出显著增加，这主要是由于这些颗粒产生的位错促进了稀土原子的快速扩散。VW94合金的晶粒尺寸和织构强度显著降低

CRediT作者贡献声明

周楠：撰写 – 审稿与编辑、监督、软件使用、资源管理、项目规划、方法论研究、数据分析。吴亮：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、软件使用、资源管理、项目规划、方法论研究、数据分析、形式化分析。杨洪：监督、软件使用、资源管理、项目规划、方法论研究、数据分析。徐军：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、监督、软件使用、资源管理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢广东省基础与应用基础研究重大项目（2020B0301030006）、广东省重点实验室项目（2023B1212060043）、广东省科学院基金（2020GDASYL-20200101001）、浙江省自然科学基金（编号LQN25E010012）以及绍兴大学科研启动资金（编号2021000100）的财政支持。