高压扭转制备超细晶Mg/Al复合板显微组织与界面研究

Properties of metallic multi-layered laminates are determined by the microstructure of the each layer and the bonding quality of their interface. However, currently commercially available techniques are hard to fabricate laminates with both ultra fine-grained microstructure and reliable interface. The present proposal aims to fabricate ultra fine-grained Mg/Al laminates with high-quality interface through high pressure torsion (HPT). The effect of grain size, texture and HPT parameters on topography of the interface and formation of the diffusion layer and intermetalics will be studied to discover the principle of interface formation. Strain distribution in Mg and Al layers, and difference of grain refinement rate in Mg and Al layers will also be studied to discover mechanism of grain refinement in HPT processed metallic multi-layered laminates.

金属复合板的界面结合质量和各单层板的组织决定复合板的性能，现有制备技术难于同时获得超细晶组织和高质量界面，本项目提出通过高压扭转制备具有超细晶组织和高质量界面结合的Mg/Al复合板，研究晶粒尺寸、取向和高压扭转参数对复合板界面形貌、扩散层和第二相形成的影响、揭示界面形成机理；研究宏观扭转变形在Mg、Al层中的分配，以及由此导致Mg、Al层中晶粒细化速度差异，揭示异种金属复合板高压扭转变形晶粒细化机理。

镁合金和铝合金是最轻的两种金属结构材料，将两种材料复合起来，制成Mg/Al复合板，结合二者性能优点，将更大、更广地拓宽其应用范围。获得高性能Mg/Al复合板的关键在于两个方面：第一，组成Mg/Al复合板的各Mg、Al单层板材细小的组织；第二，高质量的界面。金属复合板通常是在液态或固态下进行复合，液态复合能够保证界面的原子尺度结合，但各层金属组织粗大并且界面处易形成较厚的脆硬界面相。而对于大多数金属材料，在室温难于通过固态复合形成可靠的复合界面，提高温度又会增大各单层板发生回复、再结晶、晶粒长大的可能性，同时增大了界面生成脆性第二相的可能性，不利于获得具有高性能的复合板。.高压扭转技术是能够使材料在三向应力约束的压力下、发生扭转变形，并在材料中获得超细晶组织的一种剧烈塑性变形方法。本项目的主旨在于通过室温高压扭转技术获得具有高质量结合界面的超细晶Mg/Al复合板：研究通过高压扭转制备出性能Mg/Al复合板的可行性；研究不同晶粒尺寸、晶粒取向对界面形貌的影响；研究界面相的形貌与形成机制以及对Mg/Al复合板力学性能和物理性能的影响。研究结果表明，通过高压扭转能够得到Mg层和Al层具有超细晶组织的、有原子尺度冶金结合且不生成较厚脆性界面相的Mg/Al复合板；细小的Mg原始晶粒和基面织构有利于形成平直界面；界面冶金结合的形成机制为：首先Al原子在界面处Mg层中扩散，高压和大的应变导致的大量缺陷包括位错、空位等加速Al原子的扩散并提高了其在Mg中的固溶度，随后Mg固溶体密排六方结构转变成非晶结构，形成20nm厚的非晶界面层，随着应变的增加，非晶界面层晶化为具有面心立方结构的Mg17Al12，厚度约为260nm；由于界面层的非晶和纳米结构，界面附近的硬度显著提高，但复合板的导电和导热性能没有明显变化。本研究澄清了Mg/Al界面相的形成机制、以及Mg/Al两种较活泼金属中实现非晶结构的形成机制，具有重要的科学意义。本项目还为通过连续化、放大化的高压扭转技术制备Mg/Al复合板做好理论和技术储备，具有重要工程意义。