南京工大《Nature》子刊：超细孪晶，让镁合金兼具高强度和耐蚀性！

传统的超细晶粒镁合金可以获得较高的强度，但由于夹杂了大量的非平衡晶界，对镁合金的耐蚀性有很大的影响。

在此，来自南京工业大学等单位的研究者制备了一种由致密超细孪晶组成的超细晶组织，该组织具有高达469MPa的高强度，腐蚀速率降低了一个数量级。相关论文以题为“Evading strength-corrosion tradeoff in Mg alloys via dense ultrafine twins”发表在Nature Communications上。

论文链接：

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

镁(Mg)约占地壳的2.7%，密度约为钢的23%，铝的66%，是工业中广泛使用的金属，特别是在节能和环境友好的应用中。镁化学反应性优异，其天然的钝化表层不能提供足够的防腐保护。此外，纯镁的机械强度较低，不能满足工程应用的要求。因此，制备超高强度、高耐腐蚀镁合金具有重要意义。因此，

一般来说，镁合金的耐蚀性与其机械强度成反比，这在大量的超细晶或析出强化镁合金中得到了很好的证明。镁合金，具有较强的晶界强化响应和超细晶粒结构(晶粒尺寸<1µm)通常用于获得超高强度镁合金。严重塑性变形(SPD)，是产生超细晶粒的有效方法。虽然镁合金较差的工作能力，妨碍了许多SPD技术的适用性，但高压扭转(HPT)和表面机械磨损处理(SMAT)已经成功地制备了超细晶Mg产品。然而，这些超细晶粒由大量的非平衡晶界组成，对耐腐蚀性能产生不利影响。例如，SMAT后，纯Mg和Mg-1Ca合金的腐蚀速率增加了一个以上的数量级。此外，SPD制备的这些超细晶镁合金，对于工业应用来说往往太小，使用适合大规模生产的技术，制备高耐腐蚀性的超细晶镁合金，仍然是一个巨大的挑战。此外，析出硬化镁合金中的二次相常作为负极，产生深度电偶腐蚀，特别是析出相分布不均匀，往往导致严重的局部腐蚀和机械完整性的迅速丧失。

变形孪晶，也用于细化晶粒和增强镁合金。然而，由于孪晶界在应变作用下的高迁移率，往往导致同一孪晶变异体的孪晶增厚和聚并，因此，在镁合金中制备高密度的超细孪晶是相当困难的，孪晶的强化效果也很有限。

在此，研究者报道一种通过精心设计的多向压缩法，制备由密集的超细孪晶组成的超细晶镁合金AZ80(晶粒尺寸~300 nm)的策略。与非平衡晶界相比，孪晶界的低能量，有效地规避了非平衡晶界对耐腐蚀性能的不利影响。除了高达469 MPa的高强度，这种超细孪晶(UFT)结构降低了一个数量级的腐蚀速率，并完全抑制了严重的局部腐蚀。这里提出的大规模生产可行工艺，使镁合金的生产具有高强度和高耐腐蚀性。

图1 高密度孪晶的微观结构。

图2 180°C时效24 h后的显微组织。

图3 在3 wt.% NaCl溶液中的腐蚀速率。

图4 3 wt.% NaCl溶液后的腐蚀形貌。

图5 室温拉伸力学性能。

图6 电化学腐蚀特性及腐蚀机理。

在此，研究者已经成功地解决了在Mg AZ80中使用量产工艺制造高密度超细孪晶的挑战性问题。这种超细晶孪晶结构，有效地避免了超细晶镁合金的强度-腐蚀权衡。该方法也有应用于其它镁合金的潜力。该研究结果表明，制备超高强度和高耐腐蚀镁合金的工业应用是可行的。（文：水生）