0. 引言
节能减排推动了轻质金属材料的广泛应用，因而提升轻质金属材料的性能成为当前研究的热点[1]。镁合金作为密度最小的金属结构材料[2]，具有比强度和比刚度超高、电磁屏蔽性能良好、环保易回收等优点[3]，在航空航天、交通、通信和医疗等领域具有显著的商业价值和广泛的应用前景。但是，镁合金具有密排六方结构，在室温变形时没有足够的滑移系，其变形能力差且塑性低，因此应用受限[4]。提高镁合金的力学性能特别是塑性变形能力，有助于进一步扩大其应用范围。
根据Hall-Petch理论，减小晶粒尺寸可以提高金属材料的屈服强度[5]。钛是极具潜力的镁合金晶粒细化剂，钛与α-Mg具有较低的晶格错配度，会使镁合金凝固过程中产生较大的成分过冷，从而形成细小晶粒[6-7]。相比于钛，TiN的硬度更高，耐腐蚀性能和导电性能更加优异，与α-Mg之间的晶格错配度也较低[8]，理论上也能作为α-Mg良好的异质形核核心，从而细化晶粒。然而，由于TiN的稳定性较高，目前研究较多集中于TiN在硬质涂层方面的应用上[9]，少有将TiN添加进镁合金中的研究报道。作者以AZ61镁合金为研究对象，将质量分数为0.5%的TiN添加到AZ61镁合金中，研究了TiN对铸态和挤压态AZ61镁合金物相组成、显微组织和力学性能的影响，旨在发现一种新型晶粒细化剂，以提升AZ61镁合金的力学性能，拓宽其应用范围。
1. 试样制备与试验方法
试验材料包括工业纯镁（纯度大于99.9%）、纯铝（纯度大于99.9%）、纯锌（纯度大于99.9%）、纯锰（纯度大于99.9%）和TiN粉末（平均粒径1 μm，用铝箔包裹并压缩成块）。按照AZ61镁合金的名义成分（质量分数/%，6Al，0.3Mn，1Zn，余Mg）配料，并在其中添加质量分数0.5% TiN，在CO2和SF6混合气体保护下置于1 023 K变频电磁搅拌炉中，并在中、低、高频下分别搅拌5 min，以确保各成分充分混合，保温15 min后浇注到石墨模具中，得到直径为58 mm、高为98 mm的铸态镁合金。对铸态合金进行673 K×24 h固溶处理，空冷，以消除成分偏析，随后采用卧式挤压机将其挤压成厚度为4 mm、宽为38 mm的矩形板，挤压温度为583 K，挤压比为17.4∶1。将添加质量分数0.5% TiN的AZ61镁合金记作AZ61+TiN镁合金。对比试样为采用相同工艺制备得到的未添加TiN的铸态和挤压态AZ61镁合金。
采用Smartlab9型多功能X射线衍射仪（XRD）对合金的物相组成进行分析，工作电压为20 kV，工作电流为50 mA，扫描范围为20°~80°，扫描速率为4 （°）·min−1。在试验合金上截取金相试样，经打磨、抛光，用由2 g草酸、1 mL浓硝酸（HNO3质量分数大于65%）、2 mL冰醋酸、100 mL去离子水组成的混合溶液腐蚀后，采用Zeiss 200 MAT型光学显微镜（OM）观察显微组织，采用Image Pro软件测定铸态合金的晶粒尺寸。采用FEI Quanta 250型扫描电镜（SEM）观察微观形貌，用SEM附带的能谱仪（EDS）进行微区成分分析。采用质量分数4%高氯酸乙醇溶液对合金进行电解抛光，电解电压为23 V，电解时间为45 s，采用SEM的电子背散射衍射（EBSD）模式对晶粒和织构进行分析。按照ASTM E8/E8M-22 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials，在试验合金上截取拉伸试样，拉伸试样的标距为15 cm，采用WDS-50型万能拉伸压缩试验机进行室温拉伸试验，拉伸速度为1 mm·min−1，测3个试样取平均值。采用SEM观察拉伸断口形貌，并用其附带的EDS进行元素面扫描。
2. 试验结果与讨论
2.1 物相组成和显微组织
由图1可以看出：铸态AZ61镁合金主要由α-Mg相、β-Mg17Al12相、Al8Mn5相组成；添加TiN后，AZ61镁合金中出现TiN的衍射峰，除此之外与未添加TiN合金相比未见其他相的衍射峰，这说明TiN未与其他元素发生化学反应。
由图2可以看出：铸态AZ61镁合金的晶粒尺寸较大，当添加TiN后，晶粒尺寸宏观上显著减小；挤压后2种合金均发生再结晶，且晶粒进一步细化，但在添加TiN的挤压态合金中有部分明显的粗大晶粒，说明该区域发生了不完全动态再结晶。铸态AZ61镁合金的平均晶粒尺寸为243.2 μm，而添加TiN后平均晶粒尺寸减小至90.2 μm，晶粒细化率高达62.9%，说明添加TiN对铸态AZ61镁合金具有显著的晶粒细化作用。挤压态AZ61镁合金的晶粒平均尺寸为8.1 μm，加入TiN后平均晶粒尺寸进一步缩小至5.1 μm，晶粒细化率达到37.1%，说明TiN对挤压态AZ61镁合金也具有晶粒细化效果。挤压态合金的晶粒细化率低于铸态合金。添加TiN后，合金中第二相含量明显增多，且第二相尺寸较小，分布均匀。分布在晶界处的第二相可以对晶界迁移产生钉扎作用[10]，阻碍晶粒的生长。在挤压过程中，合金中的第二相颗粒对晶粒的动态再结晶过程产生重要影响。与挤压态AZ61镁合金相比，挤压态AZ61+TiN镁合金中第二相含量较高，分散的第二相颗粒钉扎亚晶界，减缓动态再结晶成核；由于相邻颗粒之间的距离较小，亚晶界在潜在核形成前被钉扎，不易引起下一阶段形核的发生[11]，因此挤压态AZ61+TiN镁合金在挤压过程中的动态再结晶行为受到抑制，形成了不完全动态再结晶晶粒。计算得到TiN与α-Mg在[100]晶向、[011]晶向、[1210]晶向上的错配度分别为10.88%，17.04%，8.66%，均小于12%，因此TiN可作为AZ61镁合金有效的异质形核核心，在铸造过程中细化合金晶粒[8]。挤压态合金的晶粒尺寸小于铸态合金主要是由于在583 K挤压过程中合金发生了动态再结晶[12]。
由图3结合表1可以看出：铸态AZ61镁合金中除了存在α-Mg相外，还存在长棒状β-Mg17Al12相以及尺寸较大的颗粒状Al8Mn5相，添加TiN后β-Mg17Al12相形态由长棒状变为颗粒状，其尺寸减小，在晶界处存在聚集的富钛相；挤压态合金中基本不存在β-Mg17Al12相，表明此相已基本固溶进基体，合金中的第二相主要为Al8Mn5相，添加TiN后，第二相尺寸减小，并且出现了富钛相。由图4结合XRD分析结果可以确定，铸态和挤压态AZ61+TiN镁合金中的富钛相为TiN。
