Al2 O3 粒子在镁合金空化强化中的作用效果

刘 磊，郭华锋，于 萍，李龙海，陆兴华

（徐州工程学院机电工程学院，江苏徐州 221000）

0 引言

镁在地壳金属元素中含量位居第3，镁及其合金被称为“21 世纪绿色金属工程材料”［1-2］。但是，尽管镁合金具有许多优良特性，然而与其他传统金属材料相比，镁合金的绝对强度、硬度等性能较低［3］，耐磨损性能较差［4］，这严重阻碍了其在更多领域的广泛应用。因此，改善镁合金材料的性能，提高其强度、硬度等性能已成迫切需要解决的难题。

近年来，轻质合金相应的强化理论、技术迅速发展［5-7］。Zhang等［8］研究了机械喷丸对ZK60 镁合金疲劳性能的影响。而空化强化的基本原理与喷丸类似，且表面质量更佳，更能提高复杂或微型零部件的疲劳强度［9］。空泡脉动过程中产生的高速微射流等同于流畅中的水锤压力作用在固体材料表面，从而改变材料表面性能的一种微射流机制［10-11］；Soyama 等［12］设计了空化装置利用高速射流产生空泡用于材料表面改性，高速水射流加强了材料表面的残余压应力，提高了材料表面的力学性能，相对于喷丸处理材料表面形貌较为平整。

本文将机械喷丸强化与空化强化相结合，以镁合金为研究对象，在水中加入Al2O3纳米粒子，通过空化泡溃灭产生的能量将Al2O3粒子打入样品，实现镁合金的性能强化。

1 实验方法

实验采用SLQS1000 超声波空化实验机，实验装置如图1 所示。

图1 实验装置图

实验参数：超声功率800 W；超声频率20 kHz；变幅杆直径φ15.8 mm，距离样品表面0.5 mm；设定温度25 ℃。

选取AZ31 镁合金为实验对象，尺寸20 mm ×20 mm×0.2 mm；Al2O3粒子的直径小于500 nm；镁合金样品在实验前抛光至5 000 目。

实验过程：镁合金样品置于纯水溶液中，将Al2O3纳米粒子加入纯水中，搅拌使其均匀悬浮于水中，超声诱导空化，当空泡在样品近壁面发生溃灭时，在微射流冲击波的作用下Al2O3粒子以一定能量撞击样品并渗入表面，实现强化。作用时间5 min，分析强化效果及影响。

采用扫描电镜（FEI Inspect F50），X 射线光电子能谱仪（赛默飞EscaLab 250Xi），维氏硬度计对样品进行表征测试。观察表面形貌、化学态、硬度等参数的变化。

2 结果与讨论

为分析Al2O3粒子在强化过程中的作用效果，对比了不含Al2O3粒子的纯空化强化，作用5 min 后样品表面形貌如图2 所示。

由图2（a）可以看出，强化5 min 后样品表面出现凹坑，直径1～4 μm 之间。作用机制：由空化溃灭产生的微射流冲击造成，最初为作用点处的微小变形，并逐渐在边缘产生剪切破坏，最终形成凹坑。同时，由于微射流的冲击方向与强度并不相同，导致了样品表面某些位置产生的变形更剧烈，因此出现较大直径凹坑，如图3 所示。

图2 空化强化作用5 min时合金表面形貌

图3 微射流冲击示意图

图2（b）与图2（a）区别明显，作用5 min后样品表面形貌变化较大，不仅出现较多凹坑，且部分凹坑逐渐相互联通，因此，在边缘处的过渡更加平滑；且凹坑内部存在圆形颗粒，尺寸小于500 nm，表明Al2O3粒子渗入了样品表面。

因此，加入Al2O3粒子后，推测强化机制在于通过空泡溃灭的能量传递给粒子，继而由粒子冲击样品表面，而不是溃灭能量直接作用于样品，因此样品承受的冲击更加柔性，且凹凸形貌过渡区具有更显著的连贯平滑特性，更好地避免了微裂纹、尖锐棱边等形变问题［13］，且Al2O3纳米粒子自身的强度硬度等性能较好，渗入样品表面后强化效果更好。

为进一步证明Al2O3粒子的渗入并分析样品中元素化学态的变化，样品在两种强化方式下的XPS 全谱以及Mg1s和Al2p的XPS高分辨谱图如图4 所示。

由图4（a）可以看出，两种强化方式经过5 min 作用后，主峰的位置没有明显变化，说明物质组成基本一致。

由图4（b）可知，对于Mg元素，加入Al2O3粒子强化后，峰位置的结合能为1 303.1 eV，根据文献［14］可知，其为金属Mg；不含Al2O3粒子的纯空化强化后，峰位在1 303.6 eV，同样为金属Mg；但原始未强化的样品峰位置在1 303.9 eV，为MgO，原因是在强化实验之前样品表面的金属Mg 长时间暴露于空气中，被氧化产生MgO。因此，说明两种强化方式均对表面形貌产生了改变，剥离了原始表面的MgO，将较深层的金属Mg显露。

图4 XPS全谱及高分辨谱图

由图4（c）可知，两种强化方式下样品中Al 元素的结合能处于相同位置，表明成分相似，但是峰值强度差异明显。能够看出，含有Al2O3粒子时的峰值高于不含Al2O3粒子的纯空化强化方式。具体参数为，原始样品的Al2p波峰位于结合能72.7 eV处，其主要为金属Al；经过空化强化后峰位置往高能方向偏移，峰位为74.5 eV，表明金属Al 失电子转化为Al3+，以Al2O3形式存在，这是由于空化溃灭放热所导致，所以相对于原始样品，其结合能变化但强度却基本相同，意味着Al价态变化但是含量不变；而含有Al2O3粒子强化后峰位同样位于74.5 eV，但是在能量上更大，表明除了金属Al受空化溃灭放热影响转化为Al2O3以外，还有溶液中的Al2O3粒子渗入样品之中，因此导致Al元素含量增大，铝元素含量：原始样品2.36%，不含Al2O3粒子2.33%，含有Al2O3粒子3.4%。

为确定Al的具体化学态，对Al2p 的XPS 曲线进行分峰拟合，如图5 所示。由图5 可知，原始样品存在3 个波峰，72.63 eV为金属A1；74.92 eV 为Al2O3，76.06 eV 为Al2O3/A1。不含Al2O3粒子的纯空化强化存在两个波峰，74.18 eV、74.75 eV；加入Al2O3粒子后的强化也存在两个波峰，73.98 eV、74.72 eV；均为Al2O3。

图5 Al2p分峰拟合曲线

由于铝氧四面体［AlO4］的A12p 结合能约为73.8 ±0.4 eV，铝氧八面体［AlO6］的A12p 结合能约为74.5 ±0.4［15］。而图4 中两种强化方式Al2p 的分峰恰好处于这两个范围之内，说明经过两种方式强化后的样品中Al都是以Al2O3的形式存在，但是配位方式不同。表面硬度对比如下：原始样品80.2 HV，不含Al2O3粒子91.6 HV，含有Al2O3粒子109.3 HV。

可以看出，空化强化5 min 后镁合金表面硬度上升11.4 HV，加入Al2O3粒子后强化效果更为显著，提高29.1 HV。表明Al2O3粒子的加入对性能强化起到了显著地提升作用。

3 结语

空泡在样品近壁面发生溃灭，Al2O3粒子在微射流冲击波的作用下撞击镁合金表面、并渗入其中，实现强化。通过实验证明，相较于纯空化的强化方式，Al2O3粒子渗入样品表面是其性能提高的主要因素，因此，其氧化态Al 的含量明显较高，且表面硬度提升明显。