前言如今科学研究正愈发聚焦于产品需求的演进，尤其是在轻量化、材料强度的设计方面，这一变革受益于技术的跃进，尤为在航空工程领域得以体现。其中备受关注的候选材料是镁合金，恰好满足了这些标准。
镁（Mg）的开发为替代铁、聚合物和铝提供了新的可能性。近年来，由于其轻盈特性，镁及其合金已广泛应用于计算机零件、休闲产品、航空部件、家用电器和汽车等领域。
镁与锌、铝等元素的合金化，创造了镁-铝-锌基合金，如广泛应用的AZ31。这种结构性材料因其较低密度和卓越机械特性而备受推崇。然而，要进一步提升AZ31合金的性能仍然具有一定挑战。
而纳米复合材料在提升机械性能、耐蚀性和抗磨性方面发挥着重要的作用，制备纳米复合材料的方法多种多样，而在这些方法中，搅拌铸造以其简便经济的特点相对突出，成为制备金属基复合材料（MMC）的有效方式之一。
一、材料和方法1、复合材料的材料和制造
以AZ31D为基体材料，在实验中引入了碳化硅和石墨颗粒作为增强材料，这两者的平均尺寸分别为75和53纳米，可以了解到这项研究采用了搅拌铸造技术来制造纳米复合材料，而下图则提供了搅拌浇注设置的示意图，展示了实验过程，更好地了解AZ31D合金的成分。
在制备过程中，将它切割成小块，然后放入马弗炉。为了确保基体材料在液态状态下不会发生不必要的化学反应，这些小块被置于特制的石墨坩埚中。
坩埚先在马弗炉中进行预热，达到400°C的温度，再搭配材料一同升温至650°C。在整个加热过程中，使用氩气创造了一个真空环境，以避免与大气中的氧气反应。
在金属加工领域，基质的助焊剂被引入以应对氧化问题，其比例为每100份金属中添加1份助焊剂。在传统的工艺中，搅拌器以700转/分钟的速度运转，创造出一股旋涡，用于混合。整个搅拌过程历时15分钟，其间利用电子方差控制运行。
在加工过程中，预热过的固态材料在一个移动的池中心被安置，其温度为200°C。随后，营养物质被引入，以增强材料的特性。
一旦达到所需状态，液态金属被注入预热的模具中。为确保均匀性，试样被暴露在室温下进行淬火，以促使材料内部的分子结构趋于一致。整个均匀化过程持续24小时，以缓解潜在的应力。标本的名称见下表。
2、密度和孔隙率测量
根据ASTM：B962-13标准，它提到了等式，可以采用混合法规则，使用公式，其中 ρm= 基质密度，ρr= 钢筋密度，wm= 基质的重量分数，wr= 钢筋的重量分数。
3、微观结构表征
通过运用圆盘抛光机，可以利用不同级别的抛光纸对试样进行抛光处理。紧接着将试样浸泡在溶液中，进行10-20秒的蚀刻。借助扫描电子显微镜，深入研究了基础合金和纳米复合材料的微观结构。通过能量色散光谱技术，得以探寻样品制备过程中所涉及元素的存在情况。
4、机械性能
通过维氏显微硬度计，对S1、S2、S3和S4这四个样本的显微硬度进行了测量。在这个测量过程中，利用了一个方形的金刚石压头，将100克的载荷施加在样本上，并持续施加了10秒的时间。
按照标准方法记录了硬度读数，这些试样的制备过程遵循了ASTM E384标准，确保了测试的准确性和可比性。每个样本都进行了三次重复实验，并记录了三次测量值的平均数。
通过采用UTM（INSTRON-E1025）仪器，以3毫米/分钟的应变速率，能够对材料的拉伸和压缩性能进行全面评估。
在这项实验中遵循了ASTM：E8标准的样本准备方式，并根据ASTM：E9标准进行了操作，为了确保数据的准确性和一致性，需要对每个样本进行了三次独立实验。
二、结果和讨论1、 微观结构分析
下图显示了AZ31D合金和纳米复合材料的微观结构分析结果。图中呈现了α-Mg树枝状结构，以及晶界周围存在的第二相。
进一步观察图中的（b）至（d）部分，揭示了纳米复合材料的扫描电子显微镜图像。在这些图像中，可以清晰地看到不同重量分数的SiC / Gr添加剂，分别为2%，4%和6%。
在搅拌过程中，可以观察到硅碳化物/石墨颗粒以一种相当均匀的方式分散在镁基体中。这种纳米级复合材料的制备过程中，并没有出现颗粒的团聚现象，在一定程度上促使晶粒细化，对材料的性能产生影响。
与微米级颗粒相比，纳米颗粒所呈现的增强效应更为显著。材料的结构呈现出树枝状，这表明颗粒分布十分均匀，且孔隙率维持在较低水平。这种均匀分布也赋予了AZ31D基体与强化材料之间出色的粘合性。
但在一项研究中发现，S4型纳米复合材料的强度稍有下降，这可以归因于样品内部的孔隙率较高，与其他纳米复合材料相比稍显突出。
通过EDS分析，可以清楚地看到，在AZ31D合金中存在铝（Al）、锌（Zn）和镁（Mg）元素。而在纳米复合材料中，图展示了铝（Al）、锌（Zn）、硅（Si）、碳（C）和镁（Mg）的峰。在凝固过程中，氧化镁的形成导致了氧气峰的出现，而在铸造过程中，氩气的冲击则有效地防止了氧化。
接着观察了四个试样的XRD光谱，如下图所示。这项分析被用来识别不同的晶相，并显示α-Mg是纳米复合材料中的主要成分。在α-Mg的初级衍射峰（2θ）中，观察到了一系列的峰值，分别位于38.05°、44.81°、65.12°和78.23°，这些峰值分别对应于（101）、（102）、（112）和（110）晶面。
这些峰值的强度随着SiC/Gr重量分数的变化而变化，AZ31D合金的峰值强度也会随着SiC/Gr重量百分比的增加而增强。在基材方面，主要观察到由Mg基体构成的结构，其中大部分峰值与母合金AZ31D相一致。
2、密度和孔隙率
如表所示，随着颗粒增加而逐渐增加，而这种增加与孔隙率的减少密切相关。这一现象的背后隐藏着引人深思的科学原理。
在纳米复合材料内部，原子的分散状态发挥着关键作用，导致实测密度偏低于理论密度。值得一提的是，S3试样相较于其他试样，呈现出更低的孔隙率。
3、机械性能
图表所示的数据清楚地展示了它们的显微硬度，与常规的AZ4D镁合金相比，S71试样的纳米复合材料表现出更高的显微硬度，达到了89 VHN，使得纳米复合材料的硬度较基础合金提高了53%。
这一巨大的硬度提升，是因为在基体中引入了增强颗粒，这些颗粒的均匀分布引发了晶粒的细化，这在SEM图像中得到了证实。这种改进影响了晶界锚定和新晶核的位置，从而抑制了位错的运动，进而提高了材料的硬度。
还看到了这些材料的拉伸强度（UTS）、屈服强度（YS）以及压缩强度（CS）方面的变化。强大的界面连接在提高拉伸性能方面起到重要的作用，与S4纳米复合材料相比，S3样本的强度略有降低。这归因于S4样本中空隙和裂缝较少的微观结构，增强材料的晶粒尺寸也可能对强度产生影响。
在抗压强度方面，纳米复合材料的性能，取决于粒径和增强材料与基体的结合程度。通过微观结构的调整，材料展现出卓越的抗压强度，这是因为增强颗粒与基体之间的表面键，此类纳米复合材料的抗压强度可较基础合金提高82%。
三、结论通过应用搅拌铸造技术，成功制备了AZ31D镁合金以及含有2、4和6 wt% SiC-Gr纳米复合材料，对这些材料进行了详细的组织分析。扫描电子显微镜（SEM）图像揭示了纳米复合材料中增强材料的分布，呈现出树枝状的结构，晶界以及微小缺陷。
元素分析（EDS）检测揭示了纳米复合材料中的各种元素（如Al、Zn、C、Si和Mg），并给出了它们的重量百分比和原子百分比。X射线衍射（XRD）分析提供了纳米复合材料中构成相的全面信息，明确指出α-Mg是纳米复合材料的主要组成部分。
在纳米复合材料中，由于加入了增强材料，显微硬度得到了提升，得出结论，纳米复合材料在负载下的稳定性是一致的，各部分之间的载荷分布是平衡的。与其他纳米复合材料相比，样品S3的孔隙率较低，因此其机械性能更为优越。
这可能是因为基质中存在的SiC/Gr颗粒，这些颗粒显著提高了材料的抗拉强度、屈服强度和压缩强度，分别提高了59%、62%和82%。这种出色的性能改善归因于完美的界面结合以及增强颗粒的少量聚集。
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