累积叠轧法制备纳米多层镁合金研究

摘要

近年来，大量关于纳米晶、超细晶和亚微米晶的金属材料加工技术、晶粒组织和结构性能的研究受到了广泛的关注。在制备块体纳米晶和超细晶材料的方法中，累积叠轧技术被认为是唯一有希望实现工业化生产的加工技术。本文利用累积叠加叠轧技术，对AZ31变形镁合金板材进行加工，并且通过在AZ31变形镁合金板材之间插嵌不同的材料(碳纳米管、二氧化钛粉末和纯铜板)制备出了AZ31变形镁合金板的纳米多层材料。
　　 首先，通过累积叠轧技术对AZ31变形镁合金板在不同的轧制温度下进行变形，而且累积叠轧过程在一个试样上重复了七次。在本文中，每一个累积叠轧过程叫做一个周期，并且经过第n次累积叠轧加工后的试样叫做ARBn。每一个周期被视作五个轧制道次，而且道次压下量为15％。轧制温度分别为250℃、300℃和350℃。每个周期的总变形量为75％。从累积叠轧第一周期到第七周期，靠近层界面的不稳定的小角度晶界转变为稳定的大角度晶界，这导致了层界面的融合。通过在AZ31变形镁合金板的层界面中插嵌碳纳米管、二氧化钛粉末和纯铜板，抑制了层界面的融合，从而得到了AZ31镁合金纳米多层材料。
　　 同时，在未插嵌的AZ31变形镁合金板的叠轧试验中，通过引入纯铝片作为包覆材料，纯铝片在温度和压力的作用下发生氧化生成了三氧化二铝。随着叠轧的进行，Al2O3颗粒弥散分布在基体材料中，阻碍了层界面的热传导，这也促进了层界面的融合。叠轧到第七周期时，基体材料的平均晶粒尺寸可以达到1～2μm。随着轧制温度的升高，晶粒尺寸明显变大，孪晶组织逐渐消失。
　　 其次，在AZ31变形镁合金板中间分别插嵌了两种非金属粉末，分别是碳纳米管和二氧化钛粉末。通过累积叠轧技术，在300℃的轧制温度下进行七个周期是的变形，结果发现，由于碳纳米管插嵌后的晶粒组织的某一个方向的生长受到了层界面的限制，所以晶粒组织沿轧制方向呈现长条状，平均晶粒尺寸在8μm左右。二氧化钛粉末插嵌后的晶粒组织同样沿轧制方向呈现长条状，而且大量二氧化钛颗粒“钉扎”在了晶粒内部，平均晶粒尺寸在5μm左右。经过非金属粉末插嵌，层界面得到了很好的保留，而且碳纳米管插嵌后的层界面尺寸较为均匀。
　　 最后，在AZ31变形镁合金板中间插嵌了纯铜板，经过七个周期的变形后，结果发现，晶粒组织得到一定程度的细化，但是在镁和铜的固溶作用下，晶粒组织显得有些混沌，层界面的结合机理趋向于较“软”的镁逐渐“吞噬”较“硬”的铜，镁层和铜层在一定的温度下相互固溶，从而导致了层界面的消失。