兼具高强度与高塑性的新型多级纳米结构镁合金研究取得新进展

镁合金由于具有比强度高和低密度等特点，在航空航天，汽车工业、医药化工等领域应用广泛。然而由于其固有的密排六方结构，致使其延展性较差，获得兼具高强度与高塑性的镁合金也成为当前研究的一个重要方向。前期研究结果表明，通过表面机械研磨处理（SMAT），在镁合金表面引入梯度纳米结构，能够显著改善镁合金的显微硬度和耐磨性能，但会导致其塑性的显著降低。

金属所沈阳材料科学国家研究中心大湾区研究部吕坚院士及其合作者，在先前发现非晶包裹纳米晶的超纳双相镁合金可实现近理论强度（Nature 545, 80-83 (2017)）的基础上，以AZ31合金为研究对象，首先使用SMAT在镁合金表面得到梯度纳米晶，再通过磁控溅射在合金表面沉积Mg基双相金属玻璃薄膜（Mg-Zn-Ca），创新性的将纳米双相金属玻璃与梯度纳米晶结构结合在一起，设计出全新多级结构镁合金。研究结果表明，该合金屈服强度较原合金提升31%，达到230MPa，与SMAT镁合金强度相当；同时该合金的延伸率较SMAT镁合金提升3倍，达到20%，恢复至未SMAT（粗晶）水平，从而实现了高强度与高塑性的有效结合。进一步研究发现，多级纳米结构镁合金的优异力学性能包括三种变形机制，包括：双相金属玻璃发生多重剪切带与纳米晶化，金属玻璃阻挡纳米晶层的裂纹延伸，以及SMAT纳米晶层的晶粒长大。类似的新型纳米结构可以得到高强度高塑性铜。这一合金结构设计理念有望在其他合金体系，特别是密排六方结构合金中，实现高强度与高延伸性的结合，并指导未来新材料设计。

相关成果以“Nano-dual-phase metallic glass film enhances strength and ductility of a gradient nanograined Magnesium alloy”为题发表在《Advanced Science》。

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

图1. Mg-Zn-Ca双相金属玻璃（NDP-MG）的结构与成分

图2. 纳米梯度SMAT镁合金的结构与机械性能

图3.双相金属玻璃+SMAT（NDP-MG coated SMAT-H′）镁合金室温力学性能

图4. NDP-MG变形前与拉伸6%形变后SEM形貌