[发明专利]一种高硬高韧镁硼合金材料及其制备方法

说明书

本发明涉及了一种高硬高韧镁硼合金材料，由非平衡的磁控溅射技术沉积所得，具备镁(Mg)和硼(B)两种元素，其中，B原子的原子占比很少(仅为5～15at.％)，处于Mg的晶格间隙位置，形成了间隙型的Mg(B)固溶体结构，而这种固溶体晶粒的尺寸在3～10nm范围之间。特别地，此时固溶体结构中的B含量远远高于平衡态下在Mg晶格中的饱和度，因此称为Mg(B)过饱和固溶体结构。这类材料具备高的硬度(8.3～12GPa)，相比于纯Mg(2.2GPa)提高了3‑5倍。同时，保持了良好的韧性。由于磁控溅射是一项成本低廉，简单高效且适用于大规模生产的技术。因此该方法制备出的这种新型的Mg(B)合金膜材料具备良好的发展前景，并对其块体材料的制备和应用具备一定的指导意义。

技术领域

本发明涉及了一种高硬高韧镁硼合金材料及其制备方法，应用于工程结构领域。

背景技术

在实际的生产和应用中，镁及镁合金属于最轻的金属型结构材料(密度为1.74g/cm³)，它们的比重大概分别是传统的铝(2.70g/cm³)和不锈钢(7.87g/cm³)的2/3和1/4，镁合金比铝合金轻36％、比锌合金轻73％。因此，其潜在的优势就是降低整体机械构件的重量，从而获得高的比强度(强度/重量)。其比强度高于铝合金和钢，仅略低于目前比强度最高的纤维增强的塑料材料。除此之外，镁还有很多优良的物理特性，如导电导热性能好，具有很好的电磁屏蔽、阻尼性、减振性和切削加工性，加工成本低，其加工能量仅为铝合金的70％，并易于回收等。使之在汽车和航空航天等领域的应用中，有时表现出比铝和塑料材料更大的应用价值和发展空间。事实上，这种总重量的有效降低，能够在一定程度上促进节能减排。研究表明，当每辆车辆的重量减少100Kg的时候，耗油量大约能够提高0.9km/L。因此，镁合金被认为是新一代的轻质金属材料，具有良好的发展前景。然后，它的大规模应用仍然受限于低的机械强度和硬度。同时，本征差的变形能力导致在压应力作用下会发生断裂破坏。

传统的理念中，对于镁的性能提高往往是通过与其他金属合金化或者特殊的材料处理控制这种变形模式，然而，到目前为止仍没有发现一个经济有效的方法。因此，研发制备一种新型的镁合金材料则尤为重要。硼(B)是一种具备极小的原子半径(87pm)的轻元素，当这种小尺寸的原子掺杂入基质晶格中，通常会形成间隙型固溶体结构，随之产生的晶格畸变将远远大于在金属-金属合金化形成的置换型固溶体中所产生的畸变。因此，这种间隙型固溶体结构有望获得更强的固溶强化效应，而获得大幅度地提高的力学性能。更值得注意的是，通过非平衡的磁控溅射技术，可以大量的提高进入基质晶格中的掺杂原子的含量，从而获得一种非平衡态的超过饱和固溶体结构，进一步增强固溶强化效应。因此，基于小原子B掺杂，制备出的Mg(B)合金的薄膜材料有望大幅度地提高Mg的力学性能，并能维持本征的金属特性。目前，这种设计理念未见报道。

发明内容

本发明的内容是，借助磁控溅射技术，通过向Mg晶格中的间隙位置引入少量的B原子(5～15at.％)而制备出的Mg(B)过饱和固溶体结构，可以在保持Mg的韧性的同时，而大幅度地提高其力学性能(硬度相较于纯Mg提高了3～5倍)，拓宽了镁合金的研究体系及其应用范围。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种高硬高韧镁硼合金材料，含有Mg和B两种元素，其中，Mg和B元素的原子含量范围分别为95～85和5～15at.％。Mg和B原子之间无共价键的形成。而是B原子进入Mg的晶格间隙位置形成了间隙型的Mg(B)固溶体晶粒，其晶粒尺寸范围在3～10nm之间。进入Mg晶格的间隙位置的B原子含量远高于Mg平衡态下所能容纳的B的最大饱和度，即形成了单相的Mg(B)过饱和的间隙固溶体结构。