导语：界面过渡区和界面影响区是确定异质金属层压板的界面键合强度和延展性的关键因素。在这项研究中，提出了一个创新的过程- “冷喷涂 +脉冲电流滚动” - 用于制造Mg/Al层压板，可显着增强界面强度和延展性。值得注意的是，达到的平均界面剪切强度是常规热滚动的三倍，达到70.7 MPa，而界面剪切应变从3.4％增加到28％。冷酱铝颗粒对Mg和Al底物的高速影响形成了三维界面，有效地扩展了界面粘合面积并完善了界面的微观结构。冷喷涂产生的细粒涂层结构充当底漆，促进脉冲电流辅助滚动过程中纳米晶界面的形成。该界面包含一个超细纳米晶体涂层，其晶粒尺寸约为30 nm，β相纳米温植物的尺寸约为300 nm，从而显着提高了界面粘结强度。纳米晶体过渡层与Mg和Al底物一起形成一个分层的梯度过渡结构，在变形过程中将演变成50μm宽的接口影响区。这种独特的特征促进了应变离域，有效地减轻了界面处的应变浓度，并改善了其断裂韧性。此外，纳米晶界面增加了晶界区域，促进原子扩散并加强涂层和底物之间以及涂层本身之间的冶金键。 “冷喷涂 +脉冲电流滚动”过程为制造层压纳米结构层提供了一种直接的方法。

在过去的几十年里，纳米晶材料由于其超细晶粒结构而引起了人们的极大关注，这些超细晶粒结构赋予了诸如高强度、增强的硬度和上级的扩散动力学等优异性能。然而，它们的广泛应用仍然受到固有限制的阻碍，包括塑性差和热稳定性低。为了克服这些缺点，各种结构策略如梯度纳米异质结构、纳米/微米双峰异质结构和多峰分级结构已经成为实现强度和延展性之间理想平衡的有效手段。在这些结构策略中，层状异质片材，其特征在于良好定义的多层界面和可以通过相对简单的工艺路线制造，在改善机械性能、界面结合强度和变形相容性方面表现出明显的优势。特别是，将轻质、高强度镁合金与耐腐蚀铝合金集成在航空航天、汽车轻量化和其他相关领域中具有重要的应用前景。因此，已经研究了Mg/Al层压板的各种制造技术，包括热扩散连接、爆炸焊接、双辊或复合铸造和辊压结合。然而，传统的制造方法往往会在界面处产生连续且脆性的金属间化合物（IMC）层，这主要是由于Mg和Al的高化学反应性及其物理性能的显着差异。这些柱状IMC往往会导致应力集中、界面缺陷和应变局部化。从而增强Mg和Al基材之间的塑性不相容性，并最终破坏界面结合性能。

近年来，通过手动分散引入纳米和微米级颗粒夹层已被探索为细化界面晶粒结构的一种手段。然而，颗粒的不均匀分布和相关的界面活化能增加已被证明会损害界面结合强度。相比之下，冷喷涂技术，利用冷喷涂技术在超音速载气中对超细铝粒子进行加速，使它们能够以高速冲击并存款到基材表面上。这种沉积促进Mg/Al基材和涂层颗粒之间的机械互锁，从而形成预结合界面。在随后的轧制过程中，这些颗粒进一步变形并嵌入基材中，导致形成三维微尺度互锁复合界面，这显著增强了Mg/Al层压板的界面结合强度。然而，冷喷涂涂层固有地含有孔隙，即使在轧制后也难以完全消除。此外，轧制过程中的高应变速率和严重的塑性变形导致金属涂层颗粒的加工硬化。尽管热轧过程中的动态再结晶部分地缓解了界面应力集中，但Al ₂O₃硬质颗粒的钉扎效应，结合基板两侧之间的显著塑性不相容性，仍然导致界面处的局部应变累积。

金属或多金属异质层压板中的塑性不相容性通常导致GND在界面处积聚，形成具有显著应变梯度的界面影响区（IAZ）。在这种层压异质系统中，较软的金属层通常产生背应力，而较硬的金属层在变形期间产生前向应力，随着层之间的塑性失配加剧，IAZ变得更窄，这又会放大界面应变梯度，提高残余应力水平，并促进界面处的位错堆积。这些因素共同降低了界面剪切结合强度。此外，由于界面本身在变形过程中保持静止，相邻的基体金属经历几乎均匀的应变，导致界面附近的位错积累。这种位错积累在界面处引起长距离内应力和局部剪切应力，从而破坏界面结构完整性。因此，Mg/Al层合板设计中的一个关键挑战在于减轻界面应力，促进应变离域，抑制局部塑性失稳和界面断裂。微观结构细化已被证明可以有效地延迟宏观应变局部化的发生。为了实现高强度和可靠的层压界面，研究工作越来越多地集中在界面微观结构优化与工艺创新。例如，颗粒增强夹层可以限制成分层内的局部颈缩，从而阻止裂纹萌生和剪切带穿过界面的传播。由于它们显著的界面效应和组成协同作用，非均匀纳米结构对于同时提高强度和韧性特别有利。过渡界面结构，特别是，表现出改善的适应塑性应变和抑制裂纹扩展的能力。梯度纳米结构通过促进应变硬化和使多轴应力重新分布来进一步增强机械性能。在这种非均匀梯度结构中，局部变形不相容性沿着梯度连续发展，而宏观应变梯度促进位错积累和相互作用，从而有助于同时提高强度和韧性。

自20世纪60年代发现脉冲电流辅助可以显著提高金属材料的塑性以来，电辅助成形得到了广泛的认可，并在各种塑性变形工艺中得到了广泛的研究。焦耳热效应，磁箍缩其中，焦耳加热在易破裂导电结构内的裂纹止裂行为中起着关键作用.关于孔隙和裂纹自愈合的研究表明，裂纹尖端的局部焦耳热通量是一种强热源;在高电流密度下，该区域会熔化，形成热影响区。冷却时，熔融材料重新凝固，从而消除裂纹尖端和空隙。该工艺不仅防止裂纹进一步扩展，而且还增强了涂层颗粒之间的冶金结合。此外，脉冲电流辅助可以降低能量势垒并增加位错振动频率，从而诱导局部动态再结晶和界面应力松弛。这些效应有助于界面微观结构细化，加速原子扩散，此外，集肤效应、邻近效应和尖端放电现象可以促进Mg/Al界面的共晶反应

迄今为止，脉冲电流辅助技术，如焊接、辊压结合和激光冲击强化已被广泛应用，并被证明在细化金属复合材料内的界面晶粒结构方面是有效的。在这些过程中应用脉冲电流有助于减轻由不同金属之间的塑性不相容性引起的应力集中，从而提高复合体系的强度和韧性。为了消除冷喷涂颗粒层间的应力集中，提高界面结合性能，我们开发了一种新型的“冷喷涂+脉冲电流轧制”（CS-PCR）工艺制备Mg/Al层合板。该方法以冷喷涂层为底层，采用脉冲电流辅助轧制在界面处诱导形成梯度纳米晶过渡层，显著扩展了界面影响区的宽度，促进了应变离域，提高了界面处的强韧协同效应。结果表明，Mg/Al层合板的界面结合强度和塑性得到了协调提高。

以上内容以“Interface nanocrystalline reinforcement mechanism of particle interlayer in pulsed current assisted rolling Mg/Al laminate”，发表在Journal of Magnesium and Alloys上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956725002580

图1. CS-PCR工艺制备Mg/Al层压板的示意图。

图2.不同工艺制备的Mg/Al层压板力学性能测试结果：（a）不同工艺下的界面结合强度比较;（b）典型的拉伸剪切应力-应变曲线。

图3.复合板轧制前30 kHz脉冲电流辅助处理：（a）温度变化图，（b-c）电流密度分布图。

图4.不同工艺制备的Mg/Al层压板界面附近的横截面显微组织，以及冶金扩散层：（a-f）三维机械互锁界面的SEM图像和界面冶金扩散层的EDS线扫描结果;（g）CS-PCR工艺中Al 2 O3颗粒在界面处的机械嵌入

图5.相对扩散层厚度比与剪切强度的相关分布

图6.不同工艺制备的Mg/Al层压板界面附近的纳米压痕硬度测试：（a）硬度测试结果;（b）三维形貌深度图。

图7.轧制后Mg/Al层压板的TEM结果：（a）、（a1）和（a2）CS-HR工艺中结合界面的微观结构;（b）、（b1）和（b2）CS-PCR工艺中结合界面的微观结构。

图8.不同工艺下剪切断口的三维形貌和粗糙度分布：（a和d）HR工艺;（b和e）CS-HR工艺;（c和f）CS-PCR工艺。

图9.通过CS-PCR工艺制备的Mg/Al层压板的剪切断裂表面的SEM和EDS图像：（a-h）断裂表面处的元素分布状态;（i）元素分布统计;（j和k）在30 kHz下断裂两侧的表面形态。

图10.不同工艺制备的轧制态Mg/Al层压板的EBSD结果：（a和d）层压板的再结晶状态;（b和e）核平均取向差（KAM）图;（c和f）不同区域GND密度的统计结果。

本文利用冷喷涂颗粒界面的底漆效应，通过脉冲电流辅助轧制，成功制备了无边裂、形状优良的Mg/Al层压板，研究了“冷喷涂+脉冲电流轧制”工艺对Mg/Al层压板力学性能、微观组织和变形行为的影响，揭示了梯度纳米过渡层的界面强化机制，具体结论如下：

1.冷喷涂过程中的高速粒子碰撞引入了微尺度的三维界面，从而增加了有效结合面积;脉冲电流辅助轧制细化了界面组织，形成了纳米晶过渡层，扩大了晶界面积，促进了界面原子扩散，增强了涂层与基体之间以及涂层内部的冶金结合，从而在Mg/Al叠层中实现上级界面结合。

2.在脉冲电流辅助轧制过程中，通过冷喷涂预结合形成的细晶涂层组织起到了促进超强纳米晶界面形成的先导作用，该纳米晶过渡层由平均晶粒尺寸约为30 nm的超细铝晶粒和尺寸约为300 nm的纳米孪晶β相金属间化合物组成，显著提高了界面结合强度。

3.纳米晶界面，沿着与等轴Mg晶粒（Mg基体）和板条状Al晶粒另一方面，（Al基底）在塑性变形过程中产生层压梯度过渡结构，并演变成50 μm宽的IAZ。脉冲电流辅助轧制还消除了涂层孔隙并降低了界面应力集中。这两个因素共同促进了应变离域，有效防止界面处的应变集中，提高断裂韧性。

4.采用“冷喷涂+脉冲电流轧制”工艺，单道次压下量为37.5%，成功制备了界面剪切强度为70.7MPa、延伸率为28%的Mg/Al层压板。