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陶瓷复合膜层常因其具有较高的模量和出色的耐蚀性而被用于轻合金的表面防护领域，然而，过高的模量表现出的高脆性长期影响其在结构材料表面防护的应用。通常采用在陶瓷材料中加入四方氧化锆（t-ZrO2）等韧性陶瓷相的方法以改善陶瓷材料的脆性，但薄膜材料厚度小、制备工艺相对复杂，导致添加t-ZrO2颗粒等方法常因为颗粒在膜层中的结合差而导致应力首先造成了增韧相颗粒的脱出，而不是诱发其马氏体相变，使得膜层的力学性能达不到预期的效果。
采用微弧氧化的方式在膜层形成过程中原位生成纳米ZrO2晶粒可有效解决这一问题。通过在溶液中加入锆源，相关研究已经成功在镁合金表面制备出四方相氧化锆/氧化镁（t-ZrO2/MgO）复合增韧膜层。然而，对于t-ZrO2纳米晶粒在膜层中起到增韧作用的物理过程以及诱发t-ZrO2发生马氏体相变的应力转移机制尚未明晰。
基于此，长安大学轻合金表面强化研究所陈永楠教授团队和浙江大学占海飞教授团队通过裂纹区的相变过程表征和分子动力学模拟，研究了陶瓷复合膜层中t-ZrO2纳米晶相变增韧的具体机制以及t-ZrO2/MgO界面关系对应力传递的影响。论文第一作者为博士生钱伟峰，通讯作者为长安大学陈永楠教授和赵秦阳副教授及浙江大学占海飞教授，合作者还包括西北有色金属研究院的赵永庆教授和李宏战教授等。相关论文以题为“Enhancing the toughness of nano-composite coating for light alloys by the plastic phase transformation of zirconia”发表在国际塑性顶刊International Journal of Plasticity上。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103555
研究首先成功制备了不同 t-ZrO2含量(Vt)的膜层，并揭示了Vt与膜层韧性变化趋势的内在联系（图1）。裂纹压应力场周围的t-ZrO2发生了马氏体相变（图2），这一过程释放了抵消裂纹扩展的压应力场，从而显著地抑制了膜层的断裂。针对裂纹尖端的晶粒分析表明复合陶瓷的塑性相变伴随着ZrO2晶粒的体积膨胀并有显著地塑性变形区，这是复合膜层韧性提升的关键原因（图3）。
图1.Vt 与输入功率密度(Pid)的关系及PEO过程中ZrO2的相变示意图。
图2. ZrO2/MgO复合膜层中裂纹应力场诱导相变增韧过程分析。
图3. ZrO2塑性相变抑制裂纹尖端扩展过程。
对于t-ZrO2/MgO复合膜层而言，增强相（t-ZrO2）与主相（MgO）之间的界面是在增韧过程中传递应力、诱导相变的关键。t-ZrO2和MgO之间半共格界面上部分错排原子导致了局部的晶格畸变。这些晶格畸变提供了适当的位错密度，从而在保证了界面的稳定性的同时又提供了应力传递到通道，从而使得裂纹源的应力能够传递到t-ZrO2晶粒并诱导其发生马氏体转变（图4），这是纳米t-ZrO2晶粒能够起到增韧作用的重要物理机制。基于真实界面情况进行的分子动力学模拟结果发现压应力加载过程中应力呈条带状非均匀分布（图5），进一步印证了上述机制。
图4.膜层中(101)t-ZrO2和(111)MgO之间的半共格界面关系及应力传递过程分析。
图5.基于(101)t-ZrO2/(111)MgO界面进行分子动力学压缩模拟。
基于该应力传递机制，增韧膜层的韧性相较于传统PEO膜层提高了约1.15倍，将有助于推进陶瓷膜层在轻合金表面结构件的应用，延长陶瓷膜层的服役寿命，拓宽其应用环境。目前的研究结果清楚地显示了应力转移引起t-ZrO2塑性相变，为增韧纳米陶瓷膜层的设计提供了一种新的策略，也为未来建立定量模型提供了理论基础。
*感谢论文作者团队对本文的大力支持。
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