金属所&南工大《Nature》子刊：镁合金力学强度与耐蚀性协同提升

导读：传统的超细晶粒可以在镁合金中产生高强度，但由于包含大量非平衡晶界，因此在耐腐蚀性方面有显著的权衡。本文制备了由致密超细孪晶组成的超细晶粒结构，强度高达 469 MPa，腐蚀速率降低一个数量级。通常，在镁合金中形成致密的超细孪晶是相当困难的，但精心设计的多向压缩处理有效地刺激了孪晶内的孪晶形核，并在 12 道次压缩后将晶粒尺寸细化到 300 nm。低能孪晶的晶粒细化不仅避免了非平衡晶界对耐蚀性的不利影响，但也会改变沉淀物的形态和分布。因此，微电偶腐蚀倾向降低，严重的局部腐蚀被完全抑制。该技术具有很高的商业可行性，因为它可以很容易地在工业生产中实施。

镁合金的密度是钢铁的1/4、铝合金的2/3，是最轻的金属结构材料，但低的绝对强度和耐蚀性极大限制了其实际工程应用。通常采用的剧烈塑性变形（SPD）方法对镁合金强度的大幅提升较为有效，可制备出超细晶超高强镁合金。然而，具有密排六方结构镁合金较差的冷变形能力，需在较高温度条件下进行SPD加工处理，极易造成晶粒长大，难以获得超细晶组织。更为严重的是，传统SPD制备的超细晶所形成非平衡晶界会显著降低镁合金的耐蚀性。此外，传统SPD制备的超细晶镁合金样品尺寸小，难以在工程中获得应用。早期研究表明，孪晶组织也可用于细化晶粒，提高强度，且孪晶界的能量低，不会对镁合金耐腐蚀性能造成显著影响。然而，镁合金中最易启动的拉伸孪晶界面在应力作用下易长大和合并。因此，高密度超细孪晶组织的制备是亟需解决的关键问题。

近日，金属所中科院核用材料与安全评价重点实验室许道奎研究员团队与南京工业大学信运昌教授课题组合作在制备高强高耐蚀镁合金材料方面取得重要进展。他们采用多道次三向压缩技术制备孪晶组织，通过对压缩路径及道次应变的独特设计，利用12道次低应变和高应变循环交替压缩，在AZ80镁合金中成功地制备出平均片层厚度约为200 nm的高密度孪晶组织，使平均晶粒尺寸从初始材料的33 mm左右细化至300 nm，其抗拉强度高达469 MPa，是已报道该系列镁合金中强度最高的。利用高密度超细孪晶组织细化晶粒，不仅避免了非平衡晶界对耐腐蚀性能的不利影响，而且改变了β-Mg17Al12相的形貌及分布。β-Mg17Al12析出相呈颗粒状，细小且均匀分布在镁基体中，显著抑制了局部腐蚀的发生，将腐蚀速率降低了一个数量级。该研究成果以“Evading strength-corrosion tradeoff in Mg alloys via dense ultrafine twins” 为题发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-24939-3

图1.高密度孪晶组织的微观结构（UFT-4样品）

图2.析出相的微观结构

图3.腐蚀速率

图4.腐蚀形貌

图5.力学性能