通过在AZ61镁合金中添加质量分数0.5%TiN，研究了TiN对铸态及挤压态AZ61镁合金显微组织和拉伸性能的影响。结果表明：添加TiN后铸态和挤压态AZ61镁合金晶界处出现TiN颗粒，TiN未与其他元素发生化学反应；添加TiN后铸态合金晶粒尺寸由243.2µm减小到90.2µm，挤压态合金晶粒尺寸由8.1 µm减小到5.1μm；添加TiN后，合金中第二相含量明显增多，挤压过程中晶粒的动态再结晶行为受到抑制，组织中出现不完全动态再结晶晶粒；添加TiN后铸态合金的抗拉强度、断后伸长率、屈服强度分别降低了38.3%，31.3%，30.0%，挤压态合金的抗拉强度、断后伸长率、屈服强度分别降低了3.3%，3.7%，28.3%，拉伸性能的降低与硬度较高TiN相在晶界处的偏聚、孪晶的产生、施密特因子的降低和织构的增强有关。
01研究背景
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。镁合金作为密度最小的金属结构材料，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，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。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。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。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，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，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。
02研究亮点
1 试样制备与试验方法
本节重点：
1. 试验材料：
使用工业纯镁、铝、锌、锰和TiN粉末（1μm）制备AZ61镁合金，添加0.5% TiN。
2. 合金制备：
在混合气体保护下熔炼，电磁搅拌后浇注成铸态合金，经673K×24h固溶处理，再挤压成板材（挤压比17.4∶1）。
3. 对比试样：
未添加TiN的铸态和挤压态AZ61镁合金作为对照。
4. 分析设备与方法：
XRD：分析物相组成（20°~80°扫描）。
OM/SEM：观察显微组织与形貌，测定晶粒尺寸，EDS分析微区成分。EBSD：电解抛光后分析晶粒和织构。
5. 力学性能测试：
按ASTM标准进行室温拉伸试验（拉伸速度1mm/min），SEM观察断口形貌及元素分布。
不同试验合金的 SEM 形貌
2 试验结果与讨论
本节重点：
1. TiN的作用：
TiN未与镁合金中其他元素反应，仅作为独立相存在。
TiN显著细化铸态AZ61晶粒（细化率62.9%），挤压态晶粒进一步细化（37.1%），但细化效果低于铸态。
TiN作为α-Mg的有效异质形核核心（晶格错配度均<12%）。
2. 显微组织变化：
铸态添加TiN后，β-MgAl相由长棒状变为颗粒状，晶界出现富钛相（TiN）。
挤压后β-MgAl相固溶，第二相主要为AlMn相；
TiN使第二相尺寸减小、分布更均匀。TiN抑制动态再结晶，导致挤压态合金中出现不完全再结晶粗大晶粒。
3. 力学性能影响：
添加TiN后，铸态和挤压态合金的强度、塑性均下降（如挤压态屈服强度降低28.3%）。
原因包括：TiN偏聚、孪晶产生（引发裂纹）、施密特因子降低（滑移系难启动）、织构增强（织构强度从7.108升至18.659）。
4. 断裂行为：
铸态合金呈沿晶脆性断裂，添加TiN后断口出现孔洞和裂纹。
挤压态AZ61为韧窝断裂，塑性好；添加TiN后韧窝减少、裂纹增多，塑性恶化。
5. 其他发现：
TiN钉扎晶界和亚晶界，阻碍再结晶过程。
EBSD显示TiN合金织构强度高，孪晶增多（因位错塞积应力集中）。
不同试验合金的拉伸断口形貌
结论：TiN细化晶粒但恶化力学性能，主要归因于TiN偏聚、织构强化及孪晶缺陷。
03研究结论
（1）添加TiN后铸态和挤压态AZ61镁合金的晶界处出现TiN颗粒，TiN未与其他元素发生化学反应；TiN可以有效细化AZ61镁合金的晶粒尺寸，其中铸态合金的平均晶粒尺寸由243.2μm减小到90.2μm，挤压态合金由8.1μm减小到5.1μm，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，在挤压态组织中出现不完全动态再结晶晶粒。
（2）添加TiN后铸态AZ61镁合金的抗拉强度、断后伸长率、屈服强度分别降低了38.3%，31.3%，30.0%，挤压态AZ61镁合金的抗拉强度、断后伸长率、屈服强度分别降低了3.3%，3.7%，28.3%，添加TiN后合金拉伸性能的降低与晶界处硬度较高TiN相的偏聚、孪晶的产生、施密特因子的降低和织构的增强有关。
