纳米氧化锌增强ZA-27合金基复合材料制备与表征

工程科学与技术，国际期刊20（2017）1147完整文章纳米氧化锌增强ZA-27合金基复合材料的制备与表征B.O. 字母a，b，b，b，b，o。Adewyia，H.T.奥沃耶米a，ca尼日利亚阿库雷联邦理工大学冶金和材料工程系b尼日利亚埃基蒂联邦理工学院玻璃和陶瓷技术系c尼日利亚埃基蒂联邦理工学院矿物和石油资源工程系。阿提奇莱因福奥文章历史记录：2016年9月14日收到2016年12月24日修订2017年1月3日接受2017年1月13日在线提供保留字：ZA-27合金的合成与表征机械性能显微组织检查A B S T R A C T研究了氧化锌纳米颗粒增强ZA-27合金复合材料的制备与表征。目的是开发高性能的低密度ZA-27基纳米复合材料。用透射电子显微镜（TEM）研究了氧化锌（ZnO）纳米粒子的粒径和形貌，用TEM和X射线荧光光谱仪（XRF）结合能谱仪（EDS）分析了ZnO纳米粒子的元素组成。采用两步搅拌流延法制备了质量分数分别为0、1、2、3、4和5%的氧化锌纳米复合材料ZA-27。机械性能和显微组织检查用于表征所产生的复合材料样品。结果表明，随着ZnO纳米粒子质量分数的增加，复合材料的硬度和抗拉强度逐渐增加。与未增强的合金相比，添加1wt%、2wt%、3wt%、4wt%和5wt% ZnO纳米颗粒的纳米复合材料的抗拉强度分别提高了10.2%、21.1%、22.3%、35.5%和33.4%，硬度分别提高了8.2%、14.8%、21.7%、27.9%和27.1%通常观察到，含有4wt%增强体的复合材料样品具有最高的拉伸强度和硬度值。然而，复合材料样品的断裂韧性和通过光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）对纳米颗粒的微观结构进行分析，结果表明纳米颗粒在ZA-27合金基体中分散良好©2017 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍近年来，材料工程领域的研究人员一直致力于开发更强、更轻、更便宜的工程材料。当前感兴趣的领域之一是开发适用于航空和汽车应用的具有高强度重量比的工程材料，其中燃料经济性和改善的发动机性能是需要考虑的关键问题[1，2]。这些要求通常很难满足使用单片材料。满足这些要求的最有前途的材料之一包括基于用纳米颗 粒 或 纳 米 纤 维增 强 的 轻 质 合 金 基 体 的 金 属 基纳 米 复 合 材 料（MMNC）[2合金如铝、镁、*通讯作者：尼日利亚埃基蒂联邦理工学院玻璃和陶瓷技术系。电子邮件地址：gbengacharles@yahoo.com（B.O.（图）。由Karabuk大学负责进行同行审查铜、锌和钛已用于各种复合材料[2在MMC所用的各种合金中，锌基合金作为各种工程应用中黑色和有色合金的成本效益替代品，正得到广泛普及[6]。这些合金具有独特的性能，如低熔点、高强度、优异的铸造性、摩擦学性能、良好的加工性和低制造成本[7]。在锌基合金中，ZA-27合金是最轻的，具有最高的强度、耐腐蚀性以及优异的轴承和耐磨性能[8ZA-27合金复合材料在各种应用中的性能优于常用的工程材料，如铸铁、钢、铝、镁和几乎任何其他增强金属或合金[10]。ZA-27合金作为工程材料广泛应用于工业配件和硬件、压力密封外壳、套筒轴承和耐磨板等领域[11]。在过去的几十年里，人们采取了不同的方法来改善ZA-27合金在室温下的物理、机械、摩擦学和腐蚀性能使用http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2017.01.0012215-0986/©2017 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch~小行星1148Alberle等人/工程科学与技术，国际期刊20（2017）1147合成（Al2O3和SiC）和农业废弃物灰作为ZA-27的增强体已在文献中广泛报道[12据报道，使用农业废弃物灰烬会降低合金的强度，但断裂韧性略有改善[4]。尽管据报道，使用合成增强材料（如Al2O3和SiC）可提高合金的强度、耐磨性和抗蠕变性，但对ZA-27合金的机械加工性和抗蠕变性有负面影响[13]。据报道，使用石墨作为固体润滑剂并具有良好的导电性可以抵消这些影响[13]。微米级颗粒增强ZA- 27合金复合材料已受到广泛关注，但纳米级颗粒的应用研究较少。增强相的尺寸减小到纳米级，使得颗粒与位错 的 相 互 作 用 变 得 非常 重 要 ， 并 且 当 与 常 规 金 属 基 复 合 材 料（MMC）中通常发现的其他增强效应结合时，导致机械性能的显著改善，前提是纳米颗粒均匀分布在基体中[15据报道，使用Al2 O3纳米颗粒增强ZA-27合金基体可提高合金的硬度、极限拉伸强度和耐磨性能[3，17]。然而，使用其他纳米尺寸的耐火材料，如氧化锌增强金属基复合材料受到有限的关注，从材料工程领域的研究人员。鉴于此，本研究旨在开发和表征氧化锌纳米颗粒增强ZA-27合金基通过探索Hall-Petch、Orowan预测的强化效应和载荷传递机制，本研究中ZnO纳米颗粒的使用有望显著改善复合材料的强度、磨损和阻尼性能[15，18ZA-27用1、2、3、4和5wt%的ZnO纳米颗粒增强。将纳米复合材料获得的所有结果与基础ZA- 27合金获得的结果进行比较。研究了体积分数对纳米复合材料力学性能的影响2. 材料和方法2.1. 材料选择具有根据表1中所示的ASTM B669- 82的化学组成的ZA-27合金作为基体，并且使用氧化锌纳米颗粒作为增强体。表1ZA-27合金的元素组成。元件AlCuMgZn百分比组成25–281.0-2.50.01-0.02平衡ZnO纳 米 颗粒 的 平 均 粒径 使 用 附 接 有 EDS 的 透 射电 子 显 微 镜（TEM）测定。从图1中的TEM获得的结果显示纳米颗粒的平均粒径为66.17 nm（参见图1）。 2）的情况。还使用XRF测定氧化锌纳米颗粒的化学组成，结果如表2所示。2.2. 复合材料制造复合材料样品是使用Alaneme和Alanko[20]和Alanle等人报道的双搅拌铸造技术开发的[12]第10段。使用电荷计算来确定在ZA-27合金基质中制备0重量%、1重量%、2重量%、3重量%、4重量%和5重量%增强物所需的氧化锌纳米颗粒的重量如Shivakumar等人[3]所报道的，将增强剂（66.17 nm的ZnO纳米颗粒）预热至500 °C的温度，以去除水分含量并改善与ZA-27合金的润湿性。将ZA-27合金锭装入燃气坩埚炉（配备有温度探针）中，并加热至600°C的温度直至合金完全熔化加入5g镁以改善复合材料的润湿性然后使熔融的合金冷却至半固态，并将初始预热的纳米颗粒以半固态分散到合金中，并使用以450rpm的速度操作的机械搅拌器将浆料搅拌5分钟将复合浆料过热至680°C，并且还使用以相同速度操作的机械搅拌器进行搅拌5分钟。使用C2Cl6对熔体进行脱气，因为据报道，C2 Cl6可降低孔隙率并去除夹带的空气[21]。搅拌后，将复合材料浇铸到装有金属冷铁的砂型中，以促进高固化速率。2.3. 复合材料密度和孔隙率测定所产生的复合材料的密度以研究纳米颗粒重量%比例对密度的影响图1.一、用作增强体的氧化锌纳米颗粒的TEM图像DK1/2：301CQTB.O. Alberle等人 /工程科学与技术，国际期刊20（2017）1147-11541149图二、氧化锌纳米颗粒的EDX光谱表2氧化锌纳米颗粒的元素组成。元素ZnOCuOFe 2 O 3MgO的tio2MNONa2 OK2O2.5. 断裂韧性评价复合材料的断裂韧性是使用重量百分比84.56七四四5.68 0.500.260.33 0.220.07周向缺口拉伸（CNT）试样，根据[20，23]。对复合材料进行机加工以进行CNT测试，并记录相应的标距长度、试样直径（D）、切口直径（d）和切口角度。然后，样本进行拉伸载荷断裂使用的通用生产的复合材料。还使用实验密度来确定复合材料中的孔隙率水平这是通过比较使用既定程序Alaneme[22]生产的复合材料的测量密度和理论密度来进行的。使用阿基米德原理确定每个复合材料样品的密度理论密度通过使用由等式（1）给出的混合物规则来确定（2.1）：qc qmωvm qrωvr2：1哪里qc=复合材料的密度，qm =矩阵的密度，qr=试验机从CNT规格的载荷-延伸图获得的断裂载荷（Pf）（2.3）如Alaneme和Alanko[20]和Dieter[24]所述。P f D3=21：7 2.2019 - 01- 2201：01：01其中，D和d分别是试样直径和切口部分的直径。断裂韧性值的有效性使用方程中的关系进行评估（2.3）[25]：.K1C2增强体的密度，vm =增强体的体积分数基体，vr =增强体的体积分数DPry12：40复合材料的孔隙率百分比使用等式中的关系进行评估（2.2）：%孔隙率<$4 qT-qEX×100mm 2：2 mm其中，qT=理论密度（g/cm 3），qEX=实验密度（g/cm 3）。2.4. 拉伸试验对根据ASTM 8 M-91标准[23]的规范生产的复合材料进行拉伸试验。将用于测试的样品机加工成具有6 mm直径和30 mm标距长度的圆形样本配置。在室温下使用以10- 3/s的应变速率操作的Instron万能试验机的从应力-应变曲线评价的拉伸性能发展。从拉伸试验中得到的每个样品测试四个不同的试样，以减少可能的分离效应并获得拉伸性能的平均值。利用上述关系，确定了每个样品的断裂韧性值。2.6. 硬度试验采用显微硬度计对复合材料试样进行了显微硬度测试，加载载荷为0.2kg，保压时间为10s。对每个样品进行六次不同的读数，并将平均值±2%范围内的读数作为样品硬度的测量值。2.7. 显微组织检查利用光学显微镜研究了复合材料的微观结构。在检查之前，使用一系列研磨和抛光操作对试样进行金相制备。在使用金相显微镜进行显微检查之前，在稀帝王水中蚀刻样品的抛光表面30 s。采用配有EDS的超高分辨率场发射枪扫描电子显微镜（FEG-SEM）对复合材料样品进行了详细的显微结构分析。公元1150年Alberle等人/工程科学与技术，国际期刊20（2017）11473. 结果和讨论3.1. 力学性能对复合材料进行的孔隙率百分比的结果如表3所示。结果表明，所制备的复合材料中存在轻微的孔隙。然而，在含有5重量% ZnO纳米颗粒的复合材料样品中观察到1.68的最大百分比孔隙率。较高的微孔隙度表3ZA-27纳米复合材料样本的估计孔隙率百分比样品组成孔隙率（%）0 ZA-27合金0.211ZA-27合金+1重量%ZnO 1.042ZA-27合金+2重量%ZnO 1.293ZA-27合金+3重量%ZnO 1.404ZA-27合金+4重量%ZnO 1.375ZA-27合金+5重量%ZnO 1.68在5wt% ZnO纳米颗粒增强下观察到的结果可能是界面面积量增加的结果[26]。总体结果表明，当与未增强的合金相比时，在ZA-27合金基体中使用ZnO纳米颗粒作为增强体复合材料的机械性能的结果示于图1和图2中。三比六观察到复合材料的硬度（图3）和极限拉伸强度（图4）随着增强体重量百分比的增加而增加。与未增强的合金相比，观察到1wt%、2wt%、3wt%、4wt%和5wt%的ZnO纳米颗粒增强的纳米复合材料的极限拉伸强度（UTS）分别增加10.2%、21.1%、22.3%、35.5%和33.4%。当纳米复合材料中添加1wt%、2wt%、3wt%的纳米复合材料时，硬度分别提高了8.2%、14.8%、21.7%、27.9%和27.1%、4wt%和5wt%的ZnO纳米粒子。根据硬度和抗拉强度的结果，可以推断，当颗粒添加到4wt%时，强度的初始改善非常显著;ZnO纳米颗粒图三.未增强的ZA-27合金和ZA-27合金基纳米复合材料的硬度结果。500ZnO纳米颗粒图四、未增强ZA-27合金和ZA-27合金基纳米复合材料的极限拉伸强度结果1601401201008060402000 wt.百分比（%）系列1 112.31重量百分比（%）2重量百分比（%）3重量百分比（%）4重量百分比（%）5重量百分比（%）极限抗拉强度（Mpa）硬度（HVN）450400350300250200150100500Owt. 百分比（%）1重量百分比（%）2重量百分比（%）3重量百分比（%）4重量百分比（%）5重量百分比（%）121086420B.O. Alberle等人 /工程科学与技术，国际期刊20（2017）1147-11541151Owt. 百分比（%）1重量百分比（%）2重量百分比（%）3重量百分比（%）4重量百分比（%）5重量百分比（%）系列110.510.29.69.18.98.6ZnO纳米颗粒图五、未增强ZA-27合金和ZA-27合金基纳米复合材料的断裂韧性结果10ZnO纳米颗粒见图6。未增强ZA-27合金和ZA-27合金基纳米复合材料的伸长率百分比结果。然而，ZnO含量进一步增加到5wt%导致强度和硬度值降低这种行为是纳米颗粒使晶界饱和的结果此外，在添加一定重量百分比的增强体后，纳米颗粒可以容易地附聚并形成簇。这些团簇倾向于增加颗粒间的距离，因此，Orowan强化机制的效果降低[2]。力学性能和孔隙率 的弱 化因素 也可 能是 导致这 种行 为的原 因。 Mazahery 和Shabani[27]还报道了机械性能的强化和弱化因素可以中和MMNC中彼此的影响，因此，含有4wt% ZnO的复合材料表现出最大的拉伸强度和硬度。这种机械性能的改善可归因于几种强化机制的贡献，即：载荷传递效应、Hall-Petch强化、Orowan强化热膨胀系数（CTE）和弹性模量（EM）不匹配[15复合材料的断裂韧性和延展性的结果示于图1和图2中。分别为5和6。获得的断裂韧性值报告为平面应变断裂韧性，因为其符合Nath和Das[25]规定的条件。结果表明，复合材料的断裂韧性和塑性随ZnO纳米粒子含量的增加而降低。与未增强的合金相比，在用5wt%的纳米颗粒增强的复合材料样品中观察到断裂韧性和伸长率值分别降低18.1%和24.1%。断裂韧性的降低是由于硬而脆的ZnO纳米颗粒增强的结果，断裂的主要机制可归因于颗粒开裂和界面脱粘[17]。ZnO纳米颗粒像大多数脆性材料一样具有抵抗快速裂纹扩展的不良倾向。Dieter[21]还报道，对于大多数工程材料，断裂韧性与屈服强度成反比。从机械性能测试中获得的结果也与先前关于ZA-27合金复合材料的报道一致[3，17]。断裂韧性（MPam 1/2）伸长率（%）9876543210Owt. %1重量%2重量%3重量%4重量%5重量%系列18.78.17.87.46.96.6ZA-27合金枝晶凝固ZnO纳米颗粒增强小行星1152Alberle等人/工程科学与技术，国际期刊20（2017）1147（一）（b）第（1）款见图7。 显微照片显示（a）未增强的ZA-27合金，（b）用5重量% ZnO纳米颗粒增强的ZA-27合金纳米复合材料。3.2. 微观结构研究所生产的ZA-27合金复合材料的代表性光学和扫描电子显微照片呈现在图1A和1B中。 7和8. 图图7a和图7 b分别示出了未增强的ZA-27合金和用5wt% ZnO纳米颗粒增强的ZA-27纳米复合材料的光学显微照片。图7a显示了一个有点羽毛状的特征，它实际上是ZA-27合金的枝晶图案，表明了凝固图案和晶粒形态。从图7（b）中可以看出，增强体的分布是明显的，并且观察到由于ZA-27合金中存在相当均匀分布的增强体颗粒而 图图8a和图8b分别示出了未增强的ZA-27合金和用5重量% ZnO纳米颗粒增强的ZA-27纳米复合材料的SEM图像。从图8（a）中可以看出ZA-27合金的枝晶和凝固模式 图图8b还揭示了在ZA-27合金基质中存在良好分散的ZnO纳米颗粒。ZA-27的凝固ZA-27合金的晶界纳米氧化锌B.O. Alberle等人 /工程科学与技术，国际期刊20（2017）1147-11541153（一）（b）第（1）款4. 结论见图8。 SEM图像显示（a）未增强的ZA-27合金，（b）用5重量% ZnO纳米颗粒增强的ZA-27合金纳米复合材料。腐蚀和摩擦学特性，J. Mater. Res.Technol.169（2015）1-12。[2] S.C. Tjong，金属增强的加工和变形特性研究了ZnO纳米颗粒增强ZA-27合金复合材料的制备和表征。结果表明：与未增强的合金化参考复合材料相比，添加4wt%的ZnO纳米颗粒将UTS从304MPa提高到412MPa，即，34%。和硬度从112.3 HVN至143.6 HVN，即28%。与未增强的合金相比，ZA-27合金纳米复合材料的断裂韧性和延展性值略有降低采用搅拌铸造法可以制备出ZnO颗粒均匀分布在基体合金中的ZA-27合金/纳米ZnO颗粒复合材料。确认作者希望感谢南非比勒陀利亚大学的Aigbodion Vic- tor博士在本研究过程中提供必要的表征设置引用[1] 作案手法Bodunrin，K.K.Alaneme，L.H.Chown，铝基混杂复合材料的特性：增强原理综述;力学，与 陶 瓷 纳 米 颗 粒 ， 在 ： S.C. Tjong （ Ed. ） ， Nanocrystalline Materials（Internet），2nd ed. ，Elsevier，Oxford，2014，pp.269 -304（2016年8月25日引用）。[3] N. Shivakumar，V. Vasu，N.纳拉塞亚湾苏伯德，纳米氧化铝颗粒增强ZA-27金属基复合材料的合成与表征，第二届国际纳米材料与技术会议，Proc.Mater. Sci. 10（2015）159-167。[4] K.K. Alaneme，B.O.J. O. 硼化物，花生壳灰和碳化硅增强Zn-27 Al基复合材料的力学和腐蚀行为，Tribol。36（2）（2014）195-203.[5] B.O. J. I. Akinruli，A.A.刘晓波，搅拌铸造铝镁硅合金基混杂复合材料的微 观 结 构和 力 学 行 为 ，北京：机械工程出版社。创新4（4）（2014）251-259。[6] O.P. Modi，R.P. Yadav，B.K. 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