纳米结构Mg-Zn-Zr合金中的低温超塑性效应有助于制备箔基复合材料

《Journal of Alloys and Compounds》：Low-temperature superplasticity effect in nanostructured Mg-Zn-Zr alloy to facilitate producing foil matrix composites

Mg-Zn-Zr合金经高压扭转处理形成均匀纳米结构，在200-240℃低温下实现应变率敏感系数0.3-0.8的超塑性变形，断裂延伸率达200-430%，其协同晶界滑移机制有效克服传统HCP金属滑移系统受限问题，并成功实现Mg-Zn-Zr箔材平滑焊接及高性能金属基复合材料的制备。

　　

Elena V. Bobruk|Andrey I. Gomzin|Vladimir V. Astanin|Nariman A. Enikeev

乌法科技大学，俄罗斯乌法 450076

摘要

通过在室温和200°C下进行高压扭转处理，可以在Mg–Zn–Zr合金中形成均匀的纳米结构（NS）状态。在这种NS状态下，Mg–Zn–Zr合金在200–240°C的低温范围内表现出超塑性（SP），应变率范围为10?? – 5×10?3 s?1，可实现200–430%的伸长率，并且在低流动应力下应变率敏感系数（m）为0.3–0.8。通过对变形松弛的分析、X射线衍射以及拉伸实验，研究了流动应力对应变率的影响，发现纳米结构的Mg–Zn–Zr合金中的低温超塑性是通过晶粒协同滑移机制实现的。利用这种加工方法，可以顺利焊接Mg–Zn–Zr箔片，并制造出纤维间距较小的高质量金属基复合材料。

引言

由于镁基合金具有优异的比强度、刚度和阻尼性能，它们在各种行业中仍具有重要的战略意义[1]、[2]。减轻结构重量是航空航天、火箭制造和汽车工程领域的重要发展因素，这可以通过使用镁基复合材料来实现。当作为基体材料时，镁合金可以通过高强度纤维增强固态压缩技术获得出色的比强度和刚度。

在复合材料生产中，保持增强纤维的强度、确保纤维之间的完全渗透以及创建坚固的界面键合非常重要[3]、[4]、[5]。使用镁基合金作为复合材料的基体，可以通过固态压缩和高强度纤维来实现高比强度和刚度。然而，这种方法存在一些问题，例如六方密排（HCP）金属典型的滑移系数量有限。这一限制阻碍了在受限的纤维间隙内的应变，并需要不必要的高应力[1]、[2]。

超塑性（SP）效应的应用有助于满足复合制品制造中的必要条件并克服相关问题。在晶粒尺寸细化的材料中，特定温度-应变率条件下可以实现SP变形。SP现象的出现取决于多种参数，如合金体系、相组成、结构组件的尺寸等。通常，SP所需的温度相对较高（>0.7Tm，其中Tm为熔点），应变率范围为10??至10?? s?1[6]、[7]，但在某些情况下，这会导致基体-纤维界面形成反应区并导致纤维降解[3]、[4]。

在这方面，通过各种严重塑性变形方法制备的纳米结构（NS）材料的低温超塑性（LTSP）效应特别具有吸引力[5]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。LTSP的一个重要额外优势是能够保持基体的超细晶粒（UFG）结构，从而显著提高材料的强度和应力松弛能力，最近在一种高强度铝合金中得到了验证[5]。

许多研究致力于研究具有高极限抗拉强度和屈服应力的镁合金（如Mg-Zn-Zr体系的ZK60合金）的SP行为。例如，在[12]中，作者通过往复挤压处理获得了ZK60合金（Mg-5.5Zn-0.25Zr）的细晶粒状态，晶粒尺寸为5 μm。在这种状态下，ZK60合金在250°C时表现出SP效应，最大伸长率为270%，应变率为3.3×10?? s?1。作者指出，在该温度下合金结构稳定，应变率敏感系数为0.4。然而，所呈现的数据表明合金仅接近SP状态。在[13]中，研究人员结合了轧制和高速差速轧制工艺，形成了晶粒尺寸为1-2 μm的等轴晶粒结构。除了细化的晶粒外，还观察到大量均匀分布在合金中的拉长MgZn颗粒。这种处理使得在280°C、应变率为10?3 s?1的条件下实现了1000%的伸长率。在[14]中，研究表明，对ZK60合金进行挤压后进行400°C退火和随后的轧制处理，使其晶粒平均尺寸细化至2.6 μm。在300°C、应变率为10?? s?1的条件下观察到了SP行为，样品的相对伸长率为865%。在最近关于LTSP的研究中，作者使用间接挤压技术在ZK60合金中实现了晶粒平均尺寸为4 μm的细化[15]。实验在250、200和150°C的温度下进行，应变率为10?? s?1，250°C下测试的样品最大伸长率为464%。

尽管上述研究取得了令人印象深刻的结果，但这些研究考虑的是晶粒尺寸超过1 μm的镁合金，且SP变形发生在相对较大的样品上。对于用于制造金属基复合材料的箔片，尤其是纤维间距较小的箔片，这种“尺度效应”可能会减缓甚至阻止SP效应。随着箔片厚度的减小，SP的特征会逐渐减弱，当纤维之间仅剩大约十个晶粒时，SP效应会完全消失[15]。

因此，本工作的目标是通过严重塑性变形实现Mg-Zn-Zr合金的LTSP，并证明在纤维间距约为20-100 μm的薄箔片中实现LTSP效应的可行性。

材料与实验方法

实验选择了化学成分如表1所示的Mg-Zn-Zr合金。

本研究的方法与之前对Al合金进行的实验类似[5]，并根据HCP Mg合金的特点进行了调整。为了实现有效的晶粒细化，初始锭材在410 ± 5 °C下退火11小时，然后水淬，再进行SPD处理。NS状态是在直径20 mm、厚度1.8 mm的圆盘形样品中形成的。

Mg-Zn-Zr合金在NS状态下的微观结构

初始状态下的合金微观结构包含平均宽度为20.0±1 μm的拉长晶粒（图3）。观察到了最大尺寸达200 nm的稳定MgZn?颗粒和最大尺寸达5-10 nm的小MgZn?颗粒[1]、[2]、[23]、[24]。

在室温下的高压扭转（HPT_RT）处理形成了由平均尺寸为200±5 nm的均匀等轴晶粒组成的NS状态，伸长系数为1.1（图4）。反射现象表明存在MgZn?颗粒。

结论

Mg-Zn-Zr合金经过了SPD处理：在室温和200°C下进行了HPT处理。所得到的NS状态合金显示出显著的晶粒细化（晶粒尺寸分别为200 nm和500 nm），微观硬度显著提高（分别提高了80 HV和130 HV）。

实验结果表明，NS状态的Mg-Zn-Zr合金在200-240°C的温度下表现出SP行为：应变率敏感系数增加（m值增大），变形过程中没有加工硬化现象，伸长率约为400%。

利益冲突声明

作者声明没有潜在的利益冲突。

致谢

本研究得到了俄罗斯科学基金会的支持，项目编号为24-19-00819，https://rscf.ru/project/24-19-00819/。

实验使用的是乌法科技大学“Nanotech”研究设备共享中心的设施。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。