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鎂合金由于具有比強(qiáng)度高和低密度等特點(diǎn)，在航空航天，汽車工業(yè)、醫(yī)藥化工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而由于其固有的密排六方結(jié)構(gòu)，致使其延展性較差，獲得兼具高強(qiáng)度與高塑性的鎂合金也成為當(dāng)前研究的一個(gè)重要方向。前期研究結(jié)果表明，通過表面機(jī)械研磨處理(SMAT)，在鎂合金表面引入梯度納米結(jié)構(gòu)，能夠顯著改善鎂合金的顯微硬度和耐磨性能，但會導(dǎo)致其塑性的顯著降低。
金屬所沈陽材料科學(xué)國家研究中心大灣區(qū)研究部呂堅(jiān)院士及其合作者，在先前發(fā)現(xiàn)非晶包裹納米晶的超納雙相鎂合金可實(shí)現(xiàn)近理論強(qiáng)度(Nature 545, 80-83 (2017))的基礎(chǔ)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(chuàng)新性的將納米雙相金屬玻璃與梯度納米晶結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)出全新多級結(jié)構(gòu)鎂合金。
研究結(jié)果表明，該合金屈服強(qiáng)度較原合金提升31%，達(dá)到230MPa，與SMAT鎂合金強(qiáng)度相當(dāng);同時(shí)該合金的延伸率較SMAT鎂合金提升3倍，達(dá)到20%，恢復(fù)至未SMAT(粗晶)水平，從而實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度與高塑性的有效結(jié)合。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，多級納米結(jié)構(gòu)鎂合金的優(yōu)異力學(xué)性能包括三種變形機(jī)制，包括：雙相金屬玻璃發(fā)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(jié)構(gòu)可以得到高強(qiáng)度高塑性銅。這一合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念有望在其他合金體系，特別是密排六方結(jié)構(gòu)合金中，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度與高延伸性的結(jié)合，并指導(dǎo)未來新材料設(shè)計(jì)。
相關(guān)成果以“Nano-dual-phase metallic glass film enhances strength and ductility of a gradient nanograined Magnesium alloy”為題發(fā)表在《Advanced Science》。
圖1. Mg-Zn-Ca雙相金屬玻璃(NDP-MG)的結(jié)構(gòu)與成分
圖2. 納米梯度SMAT鎂合金的結(jié)構(gòu)與機(jī)械性能
圖3.雙相金屬玻璃+SMAT(NDP-MG coated SMAT-H′)鎂合金室溫力學(xué)性能
圖4. NDP-MG變形前與拉伸6%形變后SEM形貌
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