呂堅院士團隊：兼具高強高塑的新型多級納米結構鎂合金

2020-10-04 材料material

鎂合金由於具有比強度高和低密度等特點，在航空航天，汽車工業、醫藥化工等領域應用廣泛。然而由於其固有的密排六方結構，致使其延展性較差，獲得兼具高強度與高塑性的鎂合金也成為當前研究的一個重要方向。前期研究結果表明，通過表面機械研磨處理（SMAT），在鎂合金表面引入梯度納米結構，能夠顯著改善鎂合金的顯微硬度和耐磨性能，但會導致其塑性的顯著降低。


金屬所瀋陽材料科學國家研究中心大灣區研究部呂堅院士及其合作者，在先前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)）的基礎上，以AZ31合金為研究對象，首先使用SMAT在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（Mg-Zn-Ca），創新性的將納米雙相金屬玻璃與梯度納米晶結構結合在一起，設計出全新多級結構鎂合金。


研究結果表明，該合金屈服強度較原合金提升31%，達到230MPa，與SMAT鎂合金強度相當；同時該合金的延伸率較SMAT鎂合金提升3倍，達到20%，恢復至未SMAT（粗晶）水平，從而實現了高強度與高塑性的有效結合。進一步研究發現，多級納米結構鎂合金的優異力學性能包括三種變形機制，包括：雙相金屬玻璃發生多重剪切帶與納米晶化，金屬玻璃阻擋納米晶層的裂紋延伸，以及SMAT納米晶層的晶粒長大。類似的新型納米結構可以得到高強度高塑性銅。這一合金結構設計理念有望在其他合金體系，特別是密排六方結構合金中，實現高強度與高延伸性的結合，並指導未來新材料設計。


相關成果以「Nano-dual-phase metallic glass film enhances strength and ductility of a gradient nanograined Magnesium alloy」為題發表在《Advanced Science》。




圖1. Mg-Zn-Ca雙相金屬玻璃（NDP-MG）的結構與成分




圖2. 納米梯度SMAT鎂合金的結構與機械性能




圖3.雙相金屬玻璃+SMAT（NDP-MG coated SMAT-H′）鎂合金室溫力學性能




圖4. NDP-MG變形前與拉伸6%形變後SEM形貌　　


本文來自「瀋陽材料科學國家研究中」。

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