呂堅院士團隊《尖端科學》新型納米結構，同時提升鎂合金強度塑性

導讀：本文開創性地結合Mg基雙相金屬玻璃與梯度納米晶結構，成功設計出多級納米結構鎂合金，將梯度納米晶鎂合金延伸率提升至20%，恢復至未SMAT（粗晶）鎂合金的延展性。同時，合金屈服強度得以保存在230MPa，與SMAT鎂合金強度相當。多級納米結構鎂合金的優異力學性能由三種變形機制協同作用：雙相金屬玻璃發生多重剪切帶與納米晶化，金屬玻璃阻擋裂紋延伸，SMAT納米晶層晶粒長大。通過結合異質金屬玻璃與梯度納米晶，類似的新型納米結構可以得到高強度高塑性銅（見補充材料）。這一合金設計理念有望在其他合金體系實現高強度與高延伸性的結合。

鎂合金由於高強度低密度的特點，在航空航天，汽車自動化，生物醫用合金等領域具有廣泛應用前景。呂堅院士團隊在先前工作中發現非晶包裹納米晶的超納雙相鎂合金可實現近理論強度（Nature 545, 80-83 (2017)）。

基於此，研究人員設計出全新多級結構鎂合金：首先使用表面機械研磨處理（SMAT）鎂合金表面得到梯度納米晶，再通過磁控濺射在合金表面沉積Mg基雙相金屬玻璃薄膜。這一設計理念結合雙相金屬玻璃與梯度納米結構的優勢，成功在合金強度提升31%的基礎上維持良好的拉伸塑性（20%）。合金的優異塑性變形能力由雙相金屬玻璃的多重剪切帶變形及納米晶化，雙相金屬玻璃阻擋SMAT納米晶層裂紋延伸，以及SMAT納米晶層在變形時晶粒長大協同提供。

相關成果以「Nano-dual-phasemetallic glass film enhances strength and ductility of a gradient nanograinedMagnesium alloy」為題發表在《AdvancedScience》（IF=15.84）。論文第一作者為劉暢博士（現德國馬普鋼鐵研究所博士後）。通訊作者為吳戈博士（現德國馬普鋼鐵研究所博士後）和呂堅教授。其他作者還包括劉勇教授，王慶研究員，劉曉偉副研究員和鮑巖博士生。

論文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202001480

表面機械研磨處理（SMAT）通過在合金中引入梯度納米結構可以有效提升合金強度。然而，之前研究表明SMAT鎂合金表面的納米晶層在塑性變形時發生脆性斷裂，嚴重降低合金變形能力。本研究通過磁控濺射沉積13 µm 厚Mg-Zn-Ca雙相金屬玻璃（NDP-MG）在SMAT Mg合金表面，阻擋納米晶層裂紋延伸，啟動納米晶層晶粒長大機制，同時實現高強度與高延伸率。

圖1. Mg-Zn-Ca雙相金屬玻璃（NDP-MG）的結構與成分。a) 原子探針層析技術（APT）三維重構圖，顯示螺旋柱狀結構，其中Ca在界面處富集（由7at.%的Ca等濃度面顯示）。b) 從圖（a）中截取的5-nm厚俯視薄片圖，展示富Ca區形貌。c) 與圖（b）對應2D Ca濃度分布圖。d) 俯視TEM界面圖，展示~5-nm 厚的富Ca區（亮區）位於貧Ca區（暗區）界面處。e) 使用7at.% Ca 等濃度面計算出的1D成分圖，定量的展示了富Ca非晶相與貧Ca非晶相的成分。

圖2.納米梯度SMAT鎂合金的結構與機械性能。a) 典型明場透射電鏡（TEM）照片展示納米晶層結構。取樣位置：距離SMAT表面20 μm。插圖為TEM樣品的選區電子衍射（SAED）花樣。SAED花樣上的圓環特徵顯示納米晶具有較弱的晶體織構。b) 高分辨透射電鏡（HRTEM）圖片顯示納米晶的晶格結構，帶軸：[2 -1 -1 0]。插圖是圖（b）對應的快速傅立葉變換（FFT）圖。c)

圖3.雙相金屬玻璃+SMAT（NDP-MG coated SMAT-H′）鎂合金室溫力學性能。真實應力-應變曲線：黑色，未處理（base）鎂合金；深黃色，SMAT-L鎂合金；藍色，SMAT-H鎂合金；紅色， NDP-MG coated SMAT-H′鎂合金。插圖分別為SMAT-H以及NDP-MG coated SMAT-H′鎂合金在6%真實應變下的橫截面SEM圖，展示NDP-MG成功阻擋裂紋延伸。

圖4. NDP-MG變形前（a）與拉伸6%形變後（b）SEM形貌，顯示NDP-MG界面處產生多剪切帶。（c）TEM橫截面觀察NDP-MG depositedSMAT-H』合金在20%真實應變後結構演變。可以看到納米晶層出現晶粒長大並可以觀察到位錯，雙相金屬玻璃NDP-MG出現初生剪切帶。（d）HRTEM觀察到NDP-MG在變形過程中發生納米晶化，插圖為相應的SAED圖。

*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。

本文來自微信公眾號「材料科學與工程」。歡迎轉載請聯繫，未經許可謝絕轉載至其他網站。