纳米镁基材料中微观结构与性能间的关系研究

如何提高镁基材料的强韧性、耐腐蚀性等一直是人们关注的问题。晶粒尺寸和界面（包括晶界、相界、表面等）性质是直接影响材料性能的重要因素之一，搞清尺寸和界面结构对性能的影响规律，是研发高性能镁基材料的关键所在。本研究提出开展高性能纳米镁基材料(包括纳米镁合金、含有纳米级强化相和功能相的镁基合金)的重大基础科学问题研究，通过对镁基合金基体组织的纳米晶化规律和纳米第二相在镁基合金基体中的分散及多相耦合与协同效应、纳米尺寸效应和界面性质对镁合金强韧性、变形性能和耐腐蚀性的影响规律的研究，从分子、原子水平级去研究纳米晶粒的形核、长大机理与纳米镁基材料的可控性制备技术，发现并阐明界面效应与纳米镁基材料性能间的本征关系，为研发高性能镁基材料及其器件提供新思路、新设计理论与新制备技术，同时探索高性能纳米镁基材料的应用新领域。

在各种镁合金的强化方法中，晶粒细化法被认为是最有效的一种，然而此前使用的方法只能将镁合金晶粒细化至1μm 左右，因此，本项目提出纳米镁合金块体材料的研究，期望进一步细化晶粒，获得高性能纳米镁合金材料。研究了镁合金粉体在不同氢化环境下的氢化性能及吸放氢热力学与动力学，全面分析了氢化温度、氢压、氢化时间等参数对Mg-Al 合金氢化脱氢过程的影响；研究了镁合金在氢化-岐化-脱氢-重组过程（HDDR）中的相转变及微观组织演化规律，通过优化工艺，获得了晶粒尺寸约20nm的镁合金粉体材料。探讨了HDDR处理中镁合金的晶粒细化机理，主要是在脱氢重组过程中通过再结晶完成的。利用等离子快速烧结技术，建立了纳米晶镁合金放电等离子烧结过程的主烧结曲线，准确预测其致密化行为及合金最终烧结密度；研究了烧结过程中纳米晶镁合金粉末的致密化机理与晶粒长大机制，尽量减少或抑制了烧结过程中的晶粒长大，获得了10纳米-1000纳米之间的不同晶粒尺寸纳米晶镁合金块体材料；分析比较了纳米晶镁合金与粗晶材料的硬度差异及其机理，考察了纳米晶镁合金微观组织结构尤其是界面结构对其力学性能的影响。同时，利用累积叠加叠轧技术，对AZ31镁合金板材进行加工，考察了镁合金层界面的演化及焊合过程原理，并且通过在镁合金板材之间插嵌碳纳米管制备了纳米多层镁合金材料。研究了镁合金表面超疏水膜的形成机理，在镁合金表面获得了超疏水的微纳二元结构膜，并测试了超疏水膜在0.1mol∕L NaCl溶液中的电化学腐蚀行为，结果显示，超疏水膜具有良好的腐蚀防护效果。上述工作为开发高性能纳米镁合金材料提供了理论基础及实验数据。