編輯推薦：本文通過高壓扭轉(zhuǎn)和粉末冶金相結(jié)合的方法，制備了近1GPa超高抗拉強(qiáng)度鋁合金，強(qiáng)化機(jī)制包括納米晶/亞晶粒晶界強(qiáng)化和納米級氧化物顆粒及S'/ S析出物二次相強(qiáng)化。這在很大程度上擴(kuò)展了鋁合金強(qiáng)度極限，為設(shè)計超強(qiáng)鋁合金提供了有效途徑。

納米晶鋁合金的生產(chǎn)技術(shù)可分為兩類，包括粉末冶金等“自下而上”的方法和以劇烈塑性變形（SPD）為代表的“自上而下”的方法。對于粉末冶金方法，可以通過機(jī)械研磨成功地獲得納米晶粉末。然而，粉末通常需要在高溫下固結(jié)以獲得致密的塊狀材料，這將導(dǎo)致晶粒粗化。劇烈塑性變形工藝中，高壓扭轉(zhuǎn)（HPT）是晶粒細(xì)化最吸引人的方法之一，因為它可提供最大的施加應(yīng)變，但晶粒尺寸的進(jìn)一步減小將會受到限制。

減小晶粒尺寸的一種有希望的方法是在金屬粉末上應(yīng)用高壓扭轉(zhuǎn)。粉末表面的氧化物層會通過塑性變形而破碎成分散的氧化物顆粒，然后限制高壓扭轉(zhuǎn)過程中的動態(tài)回復(fù)和隨后時效處理過程中的晶粒長大，從而進(jìn)一步細(xì)化晶粒，提高硬度或強(qiáng)度。此外，結(jié)合到鋁合金中的附加氧化物顆粒可以充當(dāng)另一種增強(qiáng)組分，與晶界和析出物一起形成多層次結(jié)構(gòu)以進(jìn)一步提高強(qiáng)度。

在本研究中，通過結(jié)合粉末冶金和高壓扭轉(zhuǎn)來提高時效硬化鋁合金的強(qiáng)度。論文以廣泛用作時效硬化鋁合金的商用2024鋁合金為例，所獲得的多層次納米結(jié)構(gòu)2024鋁合金表現(xiàn)出非常高的抗拉強(qiáng)度，接近1 GPa。相關(guān)論文以題為“Achieving ultrahigh tensile strength of 1 GPa in a hierarchical nanostructured 2024 Al alloy”發(fā)表在Materials Science and Engineering A。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921509320306547

本工作先通過高壓扭轉(zhuǎn)制備多層次的納米結(jié)構(gòu)2024鋁合金，然后使用預(yù)燒結(jié)粉末進(jìn)行自然時效處理。粉末引入的氧化物顆粒不僅在HPT工藝中將Al晶粒細(xì)化為115 nm，將亞晶粒細(xì)化為36 nm，而且均勻地分布在基體中，并作為二次強(qiáng)化相。隨后的自然時效導(dǎo)致納米晶中出現(xiàn)了6-16 nm長的針狀S'/ S沉淀物。包括納米級晶粒/亞晶粒晶界硬化和納米級氧化物顆粒和S'/ S析出物二次相強(qiáng)化在內(nèi)的多重強(qiáng)化效果，導(dǎo)致了934 MPa的超高屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度達(dá)到992 MPa 。

圖1 工藝路線圖

圖2（a）在不同加工條件下試樣的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b）屈服強(qiáng)度與總伸長率的關(guān)系

研究表明，納米晶粒/亞晶粒包含均勻分布的Cu，Mg和O元素。O元素的均勻分布表明，沿粉末邊界的氧化膜被高壓扭轉(zhuǎn)破碎成細(xì)小顆粒，然后均勻地分布在基體中，這在粉末冶金和高壓扭轉(zhuǎn)結(jié)合制備的其他合金中也有報道。源自氧化物層的這種氧化物顆粒將主要是氧化鋁。在初始加工階段摻入的細(xì)氧化物分散體會在高應(yīng)變下的高壓扭轉(zhuǎn)過程中延遲回復(fù)，從而導(dǎo)致更細(xì)的亞晶粒。因此，本工作中，極高密度的亞晶界被認(rèn)為是由粉末冶金和高壓扭轉(zhuǎn)結(jié)合產(chǎn)生的。（文：33）

圖3 高倍率下自然時效的高壓扭轉(zhuǎn)試樣微觀結(jié)構(gòu)

圖4（a）自然時效試樣中析出分布和（b）晶體結(jié)構(gòu)