南京工業大學信運昌教授Nature?子刊:利用高密度超細孿晶組織協同提升力學與腐蝕性能

【引言】

鎂合金較低的機械強度及耐腐蝕性能極大地限制其在工程中的應用。通過劇烈塑性變形（SPD）制備超細晶，可以獲得超高強鎂合金。但具有密排六方結構鎂合金較差的冷變形能力使得許多SPD工藝無法應用于鎂合金，傳統的熱加工又容易造成晶粒長大，難以獲得超細晶組織。更為嚴重的是，傳統SPD制備的超細晶主要依賴于高密度位錯形成非平衡晶界細化晶粒，非平衡晶界能量高，會顯著降低鎂合金的耐腐蝕性能。此外，目前采用傳統SPD制備的超細晶鎂合金樣品尺寸小，難以在工程中獲得應用。發展高耐蝕超細晶組織的工程化制備技術是目前一個重要的挑戰。孿晶組織可用于細化晶粒，提高強度，且孿晶界的能量低，不會對鎂合金耐腐蝕性能造成顯著影響。然而，鎂合金中最易啟動的拉伸孿晶界面在應力作用下易長大、合并，目前加工方法制備的孿晶片層厚，數量少，細晶強化效果有限。因此，高密度超細孿晶組織的制備是亟需解決的關鍵問題。

【成果簡介】

近日，南京工業大學信運昌教授等人提出了利用多道次三向壓縮技術制備孿晶組織，通過對壓縮路徑及道次應變的獨特設計，利用12道次低應變和高應變循環交替壓縮，在AZ80鎂合金中成功地制備出平均片層厚度約為200 nm的高密度孿晶組織，使平均晶粒尺寸從初始材料的33 mm左右細化至300 nm左右，抗拉強度高達469 MPa，是該合金已報道的抗拉強度中最高的。利用高密度超細孿晶組織細化晶粒，不僅避免了非平衡晶界對耐腐蝕性能的不利影響，而且改變了β-Mg₁₇Al₁₂相的形貌及分布。β-Mg₁₇Al₁₂析出相呈顆粒狀，細小且均勻分布，從而降低微電偶腐蝕傾向，抑制局部腐蝕的發生，將腐蝕速率降低一個數量級。該研究成果以題為“Evading strength-corrosion tradeoff in Mg alloys via dense ultrafine twins”發布在Nature Communications上，其中閆昌建博士為論文第一作者，南京工業大學信運昌教授為論文通訊作者，中國科學院金屬研究所許道奎研究員為論文共同通訊作者。

【圖文導讀】

圖一、 高密度孿晶組織的微觀結構（UFT-4樣品）

（a）反極圖成像圖與晶界取向圖，scale bar = 2 μm；

（b）ECC圖像，scale bar = 2 μm；

（c）TEM圖像，scale bar = 500 nm；

（d）孿晶片層厚度統計圖；

（e）{10-12}孿晶界面的原子分辨率HAADF-STEM圖像，scale bar = 1 nm；

（f）FFT圖；

（g）IFFT圖。

圖二、析出相的微觀結構

（a）aged UFT-4樣品中β-Mg₁₇Al₁₂相分布的 SEM 圖像，scale bar = 20 μm；

（b）AZ80-T6樣品中β-Mg₁₇Al₁₂相分布的 SEM 圖像，scale bar = 20 μm；

（c）來自（a）圖的區域A，scale bar = 2 μm；

（d）來自（b）圖的區域B，scale bar = 2 μm；

（e）aged UFT-4樣品的TEM圖像，scale bar = 500 nm；

（f）aged UFT-4樣品中β-Mg₁₇Al₁₂相的原子分辨率HAADF-STEM圖像，scale bar = 1 nm；

（g）aged UFT-4樣品中β-Mg₁₇Al₁₂相的HAADF-STEM圖像，scale bar = 500 nm；

（h）aged UFT-4樣品中β-Mg₁₇Al₁₂相的顆粒尺寸統計圖；

（i）aged UFT-4樣品中β-Mg₁₇Al₁₂相的分布示意圖。

圖三、腐蝕速率

（a）3% NaCl溶液中的腐蝕速率；

（b）Aged UFT樣品與典型沉淀硬化Mg-Al、Mg-Zn和Mg-RE合金的腐蝕速率對比圖。

圖四、腐蝕形貌

（a）24 h和（b）168 h浸泡后AZ80-T6樣品的SEM圖像，scale bar = 2 mm；

（c）24 h和（d）168 h浸泡后AZ80-T6樣品的橫截面SEM圖像，scale bar = 200 μm（圖c），scale bar = 500 μm（圖d）；

（e）24 h和（f）168 h浸泡后Aged UFT-4樣品的SEM圖像，scale bar = 2 mm；

（g）24 h和（h）168 h浸泡后Aged UFT-4樣品的橫截面SEM圖像，scale bar = 200 μm（圖g），scale bar = 500 μm（圖h）。

圖五、力學性能

（a）沿TD的拉伸真應力-應變曲線；

（b）Aged UFT-4樣品與其他典型析出硬化Mg-Al合金的極限抗拉強度對比。

【小結】

綜上所述，該研究提出了利用特有的多道次交叉壓縮工藝，解決了利用傳統的工程化技術制備高密超細孿晶組織的難題，制備出平均片層厚度為200nm的高密度超細孿晶組織，使平均晶粒尺寸細化至300 nm；以及實現了力學性能與耐腐蝕性能的協同提升，其抗拉強度高達469 MPa，腐蝕速率降低一個數量級。這項工作所提出的變形技術可為高強高耐蝕鎂合金的工程化制備以及商業化應用提供重要的指導。

文獻鏈接：Yan, C., Xin, Y., Chen, XB. et al. Evading strength-corrosion tradeoff in Mg alloys via dense ultrafine twins. Nature?Communications 12, 4616 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-24939-3

本文由作者投稿。