南京工业大学信运昌教授Nature 子刊:利用高密度超细孪晶组织协同提升力学与腐蚀性能

【引言】

镁合金较低的机械强度及耐腐蚀性能极大地限制其在工程中的应用。通过剧烈塑性变形（SPD）制备超细晶，可以获得超高强镁合金。但具有密排六方结构镁合金较差的冷变形能力使得许多SPD工艺无法应用于镁合金，传统的热加工又容易造成晶粒长大，难以获得超细晶组织。更为严重的是，传统SPD制备的超细晶主要依赖于高密度位错形成非平衡晶界细化晶粒，非平衡晶界能量高，会显著降低镁合金的耐腐蚀性能。此外，目前采用传统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。发展高耐蚀超细晶组织的工程化制备技术是目前一个重要的挑战。孪晶组织可用于细化晶粒，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、合并，目前加工方法制备的孪晶片层厚，数量少，细晶强化效果有限。因此，高密度超细孪晶组织的制备是亟需解决的关键问题。

【成果简介】

近日，南京工业大学信运昌教授等人提出了利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左右，抗拉强度高达469 MPa，是该合金已报道的抗拉强度中最高的。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，从而降低微电偶腐蚀倾向，抑制局部腐蚀的发生，将腐蚀速率降低一个数量级。该研究成果以题为“Evading strength-corrosion tradeoff in Mg alloys via dense ultrafine twins”发布在Nature Communications上，其中闫昌建博士为论文第一作者，南京工业大学信运昌教授为论文通讯作者，中国科学院金属研究所许道奎研究员为论文共同通讯作者。

【图文导读】

图一、 高密度孪晶组织的微观结构（UFT-4样品）

（a）反极图成像图与晶界取向图，scale bar = 2 μm；

（b）ECC图像，scale bar = 2 μm；

（c）TEM图像，scale bar = 500 nm；

（d）孪晶片层厚度统计图；

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

（f）FFT图；

（g）IFFT图。

图二、析出相的微观结构

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

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

（c）来自（a）图的区域A，scale bar = 2 μm；

（d）来自（b）图的区域B，scale bar = 2 μm；

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

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

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

（h）aged UFT-4样品中β-Mg₁₇Al₁₂相的颗粒尺寸统计图；

（i）aged UFT-4样品中β-Mg₁₇Al₁₂相的分布示意图。

图三、腐蚀速率

（a）3% NaCl溶液中的腐蚀速率；

（b）Aged UFT样品与典型沉淀硬化Mg-Al、Mg-Zn和Mg-RE合金的腐蚀速率对比图。

图四、腐蚀形貌

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

（c）24 h和（d）168 h浸泡后AZ80-T6样品的横截面SEM图像，scale bar = 200 μm（图c），scale bar = 500 μm（图d）；

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

（g）24 h和（h）168 h浸泡后Aged UFT-4样品的横截面SEM图像，scale bar = 200 μm（图g），scale bar = 500 μm（图h）。

图五、力学性能

（a）沿TD的拉伸真应力-应变曲线；

（b）Aged UFT-4样品与其他典型析出硬化Mg-Al合金的极限抗拉强度对比。

【小结】

综上所述，该研究提出了利用特有的多道次交叉压缩工艺，解决了利用传统的工程化技术制备高密超细孪晶组织的难题，制备出平均片层厚度为200nm的高密度超细孪晶组织，使平均晶粒尺寸细化至300 nm；以及实现了力学性能与耐腐蚀性能的协同提升，其抗拉强度高达469 MPa，腐蚀速率降低一个数量级。这项工作所提出的变形技术可为高强高耐蚀镁合金的工程化制备以及商业化应用提供重要的指导。

文献链接：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

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