ZnO纳米晶须增强镁基复合材料组织、力学及耐蚀性能研究

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镁基复合材料因其高强度、高模量、轻质化等优点,在工程应用领域潜力巨大。为进一步提高镁基复合材料的综合性能,特别是力学性能和耐腐蚀性能,晶须增强镁基复合材料近年来逐渐成为研究热点。本文选择纯镁(Mg)和低稀土镁钆合金(Mg-2Gd)作为复合材料基体,以四针状ZnO纳米晶须(ZnOnw)作为增强相。ZnO晶格常数与Mg非常接近,其纳米晶须具备高强高模、低热膨胀和各项同性的特点,可作为理想的镁基复合材料增强相。本文设计优化了复合材料制备工艺,利用机械球磨法制备预制块,结合半固态熔融机械搅拌工艺,成功制备出ZnO纳米晶须与纯Mg基体复合的xZnOnw/Mg(x=0,0.1,0.5,1.0 wt.%)复合材料,以及ZnO纳米晶须与Mg-2Gd基体复合的xZnOnw/(Mg-2Gd)(x=0,0.1,0.5,1.0 wt.%)复合材料。同时,本文通过一系列实验与表征,对两个系列复合材料的微观组织、力学性能和耐腐蚀性能开展了系统研究,为镁基复合材料的开发和应用提供了一定的依据。一方面,在xZnOnw/Mg系列复合材料中,随着ZnO纳米晶须含量增加,挤压态复合材料织构逐渐弱化,晶粒尺寸细化,强度不断提升。当ZnO纳米晶须添加量为0.5 wt.%时,复合材料综合力学性能最好。相较于纯Mg,0.5ZnOnw/Mg复合材料屈服强度提升67.9%、抗拉强度提升28.2%,塑性保持不变;同时,0.5ZnOnw/Mg复合材料也表现出了优异的耐腐蚀性能。然而,随着添加量持续增多,过量ZnO纳米晶须(1.0 wt.%)容易在基体中形成明显团簇,不利于力学性能进一步提升,也导致了腐蚀性能降低。另一方面,与xZnOnw/Mg系列复合材料相似,xZnOnw/(Mg-2Gd)系列复合材料中的ZnO纳米晶须及其团簇沿挤压方向分布。随着ZnO纳米晶须含量增加,晶粒尺寸逐渐细化,基面施密特因子逐渐降低,强度逐渐提升。其中,0.5ZnOnw/(Mg-2Gd)复合材料表现出最好的综合力学性能。相较于Mg-2Gd合金,0.5ZnOnw/(Mg-2Gd)复合材料的屈服强度和抗拉强度分别提升了91.5%和36.2%,塑性并没有明显降低。同时,晶粒尺寸和ZnO纳米晶须增强相分散程度也是影响xZnOnw/(Mg-2Gd)复合材料耐蚀性能的主要因素。在0.5 ZnOnw/(Mg-2Gd)复合材料中呈现出的细小晶粒尺寸,以及均匀分布的ZnO纳米晶须增强相和第二相,都有利于材料的均匀腐蚀,耐腐蚀性能明显提升。
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